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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umschalten zwischen mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen eines rückgekoppelten Ringoszillators.
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Es sind allgemein als Zufallszahlengeneratoren rückgekoppelte, chaotisch schwingende Schaltungen aus Logikgattern zur Erzeugung echter Zufallszahlen bekannt. Das Vorliegen einer chaotischen Schwingung erhöht dabei die Entropierate. Solche Zufallszahlen werden beispielsweise in kryptographischen Verfahren für die Erzeugung von kryptographischen Schlüsseln oder in Challenge-Response-Verfahren für die Erzeugung einmalig verwendeter Werte, sogenannter Nonces, benötigt. Als Zufallszahlengeneratoren werden insbesondere Galois- oder Fibonacci-Ringoszillatoren verwendet.
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Einerseits ist das Auftreten eines Fixpunktes nach einer Anfangsphase, in der ein Ringoszillator schwingt, für die Erzeugung von Zufallszahlen nachteilig. Ebenso ist für fixpunktfreie Konstruktionen beobachtet worden, dass aus einer chaotischen Schwingung eine periodische Schwingung entsteht. Aus einem Signalverlauf mit periodischer Schwingung kann wesentlich weniger Entropie extrahiert werden als bei Vorliegen einer chaotischen Schwingung. Das Auftreten der periodischen Schwingung ist somit nachteilig. Häufig hängt es vom individuellen Chip ab, auf dem der Ringoszillator realisiert ist, oder von Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur, ob oder wann aus einer chaotischen Schwingung eine periodische entsteht.
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Um eine zuverlässige Zufallszahlenerzeugung sicherstellen zu können, ist es nötig, zu verhindern, dass unerwünschte periodische Schwingungszustände oder Fixpunkte auftreten.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, von Hand verschiedene Ringoszillatorkonstruktionen zu entwerfen, welche keinen Fixpunkt aufweisen und theoretisch chaotisch schwingen sollen. Der Schaltungsaufwand zum Auffinden der geeigneten Ringoszillatorkonstruktionen ist dabei groß und ein Wechsel zwischen aufgefundenen Konstruktionen erfolgt manuell veranlasst auf manuelle Art.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige und effiziente Zufallszahlenerzeugung in einem rückgekoppelten Ringoszillator ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umschalten zwischen mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen eines rückgekoppelten Ringoszillators, der Ringoszillator geeignet zur Erzeugung eines Zufallssignals zum Ableiten von Zufallsbits nach einem Einstellen einer der mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen,
- – mit einem Takteingang zum Empfangen eines unabhängig vom Verhalten des Zufallssignales vorgebbaren Taktsignales;
- – mit einem Umschaltausgang zum Ausgeben eines Umschaltsignales in Abhängigkeit von dem Empfangen des Taktsignales;
- – mit einer Schnittstelle zu dem Ringoszillator zum Zuführen des Umschaltsignales derart, dass das Umschaltsignal das Umschalten zwischen den mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen bewirkt.
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Unter einer Konfiguration eines rückgekoppelten Ringoszillators wird in der vorliegenden Anmeldung ein spezieller Aufbau der Schaltung verstanden, welcher beispielsweise festlegt, wie viele oder welche Rückkopplungspfade innerhalb des rückgekoppelten Ringoszillators aktiviert sind. Durch die Konfiguration wird eine theoretisch berechenbare Rückkopplungsfunktion der Schaltung realisiert.
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Der Ringoszillator ist von seinem prinzipiellen Aufbau her geeignet zur Erzeugung eines Zufallssignals mit zufälligem Verhalten. D.h. aus einem Zufallssignal, welches an einer Stelle innerhalb der Ringoszillatorschaltung und gegebenenfalls innerhalb eines Zeitabschnittes erfasst wird, sind Zufallsbits ableitbar, welche gegebenenfalls nachbearbeitet werden, um eine vorgegebene benötigte Entropie zu erzielen.
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Die Schnittstelle wird beispielsweise als Schnittstelle von der Vorrichtung zu einer Konfigurationseinheit gebildet, welche für eine Steuerung des Ringoszillators vorgesehen ist. Die Konfigurationseinheit schaltet oder aktiviert bzw. deaktiviert insbesondere in dem Ringoszillator vorgesehene Rückkopplungspfade. Das Umschaltsignal wird insbesondere über die Schnittstelle derart zugeführt, dass das Umschaltsignal an der Konfigurationseinheit die Wahl einer geänderten Rückkopplungsfunktion wählt, so dass zwischen den mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen gewechselt wird. Insbesondere ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen, zwischen denen umgeschaltet werden kann, möglich. Die Schnittstelle ist insbesondere als Zähleingang eines Zählers ausgestaltet und durch das Zuführen des Umschaltsignales wird ein Zählerstandes des Zählers erhöht. Dies bewirkt eine geänderte Konfiguration, wobei unter einer Vielzahl und insbesondere allen in einem Ringoszillator möglichen Konfigurationen, die einen rückgekoppelten Ringoszillator ergeben, gewählt werden kann. Insbesondere ist der Ringoszillator derart ausgestaltet, dass über die Schnittstelle nur derartige Konfigurationen gewählt werden können, dass keine rückgekoppelte Schaltung mit potentiell erreichbarem Fixpunkt entsteht.
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Das Umschaltsignal kann insbesondere darin bestehen, dass ein Wechsel von einem logischen Wert 0 auf einen logischen Wert 1 oder anders herum am Umschaltausgang der Vorrichtung erfolgt und dieser Signalwechsel an der Schnittstelle das Umschalten bewirkt. Beispielsweise wird ein Schalter von einer ersten Position, in der die erste Konfiguration vorliegt, in eine zweite Position, in der eine zweite Konfiguration vorliegt, geschaltet. Ebenso kann das Umschaltsignal ein Erhöhen eines Zählerstandes bewirken, für den Fall, dass die Schnittstelle zu einem Zähler, insbesondere Bitzähler führt und ein geänderter Zählerstand wiederum eine geänderte Konfiguration des rückgekoppelten Ringoszillators bewirken.
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Damit erfolgt das Umschalten zwischen mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen und insbesondere einer Vielzahl von Konfigurationen bedingungslos und insbesondere nicht daran gekoppelt, dass ein unerwünschter Schwingungszustand erkannt wurde. Das Umschalten erfolgt taktgesteuert. Somit werden aufwendige Verfahren zur Überwachung der Signale innerhalb des rückgekoppelten Ringoszillators, welche einen unerwünschten Schwingungszustand, beispielsweise eine periodische Schwingung oder das Vorliegen eines Fixpunktes, erkennen, vorteilhaft vermieden. Das Umschalten kann insbesondere auch dann vorgenommen werden, wenn im Moment des Umschaltens eine chaotische Schwingung stattfindet.
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Der Takteingang ist beispielsweise mit einem Frequenzgenerator verbunden. Insbesondere wird das Taktsignal durch einen Quarzoszillator vorgegeben. Die Vorrichtung kann ein Taktsignal insbesondere direkt als Umschaltsignal ausgeben. Dabei kann ein Signalwechsel am Takteingang als Signalwechsel am Umschaltausgang ausgegeben werden. In einer Variante ist der Takteingang mit einem Zufalls- oder Pseudozufallszahlengenerator verbunden. Beispielsweise wird durch die Vorrichtung eine Verarbeitung des Taktsignales vorgenommen. Insbesondere wird das Umschaltsignal dadurch gebildet, dass ein periodisches Signal durch das Zufallssignal überlagert wird, um ein Umschalten zu zufälligen Zeitpunkten zu erreichen.
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Für das getaktete Umschalten ist vorteilhafterweise ein sehr geringer Hardwareaufwand nötig, vor allem für den Vergleich des für die Erkennung von periodischen Schwingungen anfallenden Hardwareaufwandes. Ein gegebenenfalls unnötiges Umschalten aus einem Zustand mit chaotischer Schwingung wirkt sich nicht nachteilig auf die Zufallszahlenerzeugung aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Taktsignal periodisch oder als zufällig vorgegebenes Signal ausgebildet. Vorteilhaft wird eine Frequenz für das periodische Taktsignal derart gewählt, dass das Umschalten so schnell geschieht, dass eine chaotische Schwingung nicht in eine periodische Schwingung übergeht oder ein Fixpunkt nicht erreicht wird. Alternativ wird das Signal zu zufälligen Zeitpunkten vorgegeben, wobei beispielsweise eine Pseudozufallszahl in das Bestimmen des zufälligen Zeitpunktes eingeht. Je nach gewählter Methode, die Zufallsbits zu erfassen, kann das Umschalten auch erst dann erfolgen, wenn eine periodische Schwingung oder ein Fixpunkt bereits für eine kurze Zeitspanne vorliegt. Beispielsweise ist das Vorliegen von nicht-zufälligen Anteilen im erfassten Zufallssignal beim Einsatz von T-Flip-Flops unschädlich.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das periodische Signal eine Frequenz höher als 10MHz, insbesondere höher als 20MHz oder aus einem Bereich um 50MHz, auf. Frequenzen aus den genanten Bereichen verhindern das Auftreten einer periodischen Schwingung für einen fixpunktfreien Galois-Ringoszillator mit Länge in der Größenordnung von 15.
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Gemäß einer Ausgestaltung beträgt ein maximaler zeitlicher Abstand des zufällig vorgegebenen Signals von einem vorhergehenden zufällig vorgegebenen Signal und/ oder einem nachfolgenden zufällig vorgegebenen Signal weniger als 100ns, insbesondere einen Wert in einem Bereich um 20ns. Es kann somit ein Maximalwert vorgegeben werden, zu welchem durch die Vorrichtung ein Umschaltsignal ausgegeben worden sein muss. Somit kann das Auftreten von nicht-zufälligen, regelmäßigen Signalanteilen, verhindert werden. Falls aufgrund des eingehenden Zufallswertes eine frühere Umschaltung erfolgt, erfolgt der Wechsel beispielsweise von einem Zustand mit chaotischer Schwingung zu einem neuen Zustand mit erneuter chaotischer Schwingung. Der maximale zeitliche Abstand wird von jedem Umschalten an wiederum neu gezählt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der rückgekoppelte Ringoszillator als Galois-Ringoszillator oder als Fibonacci-Ringoszillator mit einer Vielzahl von alternativen Rückkopplungspfaden ausgebildet.
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Galois-Ringoszillatoren weisen in der Regel eine Vielzahl von Rückkopplungspfaden auf. Es wird vorteilhaft ein Galois-Ringoszillator verwendet, welcher verschiedene Rückkopplungspfade aktivieren und deaktivieren kann und somit in unterschiedlichen Konfigurationen betrieben werden kann. Vorteilhaft ergeben sich durch das Umschalten zwischen zwei oder mehr Konfigurationen jeweils fixpunktfreie Galois-Ringoszillatoren.
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Ebenso sind Fibonacci-Ringoszillatoren mit vielen Rückkopplungspfaden und insbesondere mit in unterschiedlichen Kombinationen aktivierbaren Rückkopplungspfaden konstruierbar. Vorteilhaft ergeben sich durch das Umschalten zwischen zwei oder mehr Konfigurationen jeweils fixpunktfreie Fibonacci-Ringoszillatoren.
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Gemäß einer Ausgestaltung bilden die mindestens zwei Konfigurationen fixpunktfreie rückgekoppelte Ringoszillatorschaltungen und das Taktsignal ist derart ausgestaltet, dass eine chaotische Schwingung für eine durch das Taktsignal festgelegte Dauer zwischen dem Umschaltsignal und einem darauffolgenden Umschaltsignal im Wesentlichen bestehen bleibt. Ein möglicherweise vorhandener Aufwand zur Ermittlung fixpunktfreier Schaltungen wird dadurch kompensiert, dass ein Fixpunkt oder ein Auftreten eines Fixpunktes nicht bei der Ermittlung einer geeigneten Umschaltfrequenz berücksichtigt werden muss. Bei der Verwendung eines Ringoszillators mit möglichst vielen verschiedenen fixpunktfreien Konfigurationen ist die Gefahr minimiert, dass das Vorliegen einer periodischen Schwingung nicht mehr durch ein Umschalten in eine chaotisch schwingende Konfiguration aufgehoben werden kann.
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Insbesondere werden die Taktsignale zum Umschalten in einem derart kurzen zeitlichen Abstand zueinander empfangen, dass die chaotische Schwingung bis zum Umschalten bestehen bleibt. Somit handelt es sich bei dem Zufallssignal um ein Signal mit zufälligem Verhalten zu jedem Zeitpunkt innerhalb der Zeitspanne. Zufallsbits können dann regelmäßig durch Abgreifen des Signales an einer Stelle innerhalb des Ringoszillators generiert werden. Das Abgreifen des Zufallssignales wird beispielsweise durch ein Zwischenspeicherelement, beispielsweise ein D-Flip-Flop, vorgenommen, welches einen Pegel zu einem durch ein Abgreiftaktsignal vorgegebenen Zeitpunkt speichert.
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Wird eine Taktfrequenz so niedrig gewählt, dass die chaotische Schwingung nicht über die gesamte Zeitspanne aufrecht erhalten werden kann, so kann durch die Wahl der Einheit, die zum Abgreifen der Zufallsbits vorgesehen ist, ein Ausgleich geschaffen werden. Es kann für solche Fälle ein Zähler wie beispielsweise ein T-Flip-Flop verwendet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist mindestens eine der zwei Konfigurationen einen potentiell erreichbaren Fixpunkt auf und das Taktsignal ist derart ausgestaltet, dass eine chaotische Schwingung für eine durch das Taktsignal vorgegebene Dauer zwischen dem Umschaltsignal und einem darauffolgenden Umschaltsignal im Wesentlichen bestehen bleibt. Wird eine Ringoszillatorschaltung in einer Konfiguration, in welcher ein Fixpunkt erreicht werden kann, verwendet, so muss sichergestellt sein, dass die aus dem Zufallssignal extrahierbare Entropie innerhalb der Zeitspanne ausreichend ist. Dafür kann die Dauer, d.h. die Periodendauer für ein periodisches Taktsignal oder für zufällig vorgegebene Signale der maximale zeitliche Abstand voneinander, gesteuert und insbesondere verringert werden, so dass ein Umschalten öfters erfolgt. Alternativ kann ein Zähler, beispielsweise ein Modulo-m-Zähler oder ein Toggle-Flipflop verwendet werden, welcher beispielsweise zu vorgebbaren Zeitpunkten ausgelesen wird. Somit wird insbesondere für Konfigurationen mit Fixpunkt sichergestellt, dass die Entropie hoch genug ist. Gleichzeitig wird beim Umschalten zwischen fixpunktfreien und potentiell fixpunktbehafteten Konfigurationen die Taktfrequenz nicht unnötig erhöht.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Umschalten zwischen mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen eines rückgekoppelten Ringoszillators, wobei durch den Ringoszillator ein Zufallssignal erzeugt wird zum Ableiten von Zufallsbits nach einem Einstellen einer der mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen,
aufweisend die folgenden Schritte:
- – Empfangen eines Taktsignales an einem Takteingang unabhängig von dem Verhalten des Zufallssignales;
- – Ausgeben eines Umschaltsignales an einem Umschaltausgang in Abhängigkeit von dem empfangenen Taktsignal;
- – Zuführen des Umschaltsignales zu dem Ringoszillator mittels einer Schnittstelle derart, dass das Umschaltsignal das Umschalten zwischen den mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen bewirkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Galois-Ringoszillators mit der Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Umschalten zwischen den zwei vorgegebenen Konfigurationen;
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3 eine schematische Darstellung eines Oszillogramms mit einem Signalverlauf für ein Signal innerhalb eines fixpunktfreien Galois-Ringoszillators;
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4 eine schematische Darstellung eines Oszillogramms mit einem Signalverlauf für ein Signal innerhalb eines Galois-Ringoszillators mit der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Oszillogramms mit einem Signalverlauf für ein Signal innerhalb eines Galois-Ringoszillators mit Fixpunkt;
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6 eine schematische Darstellung eines Oszillogramms mit einem Signalverlauf für ein Signal innerhalb des Ringoszillators mit Fixpunkt und der Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist schematisch ein Galois-Ringoszillator als Ringoszillator RO dargestellt. Der Galois-Ringoszillator weist eine Anzahl an logisch negierenden Abbildungseinrichtungen I1, I2, I3, I4, I5 auf. Es handelt sich insbesondere um eine ungerade Anzahl an Invertern. Ein Ausgang des ersten Inverters I1 ist insbesondere mit dem Eingang des zweiten Inverters I2 verbunden, der Ausgang des zweiten Inverters I2 mit dem Eingang des dritten Inverters I3 usw. Außerdem ist der Ausgang des fünften Inverters I5 mit dem Eingang des ersten Inverters I1 verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Dieser Aufbau kann analog für eine beliebige Anzahl ungerader Inverter erfolgen, insbesondere für eine Länge von neun, elf oder mehr Invertern. Es sind für dieses Ausführungsbeispiel drei Rückkopplungspfade 2, 3, 4 sowie ein Ausgleichsrückkopplungspfad 1 vorgesehen, welche ausgehend von der Verbindung zwischen fünftem Inverter I5 und erstem Inverter I1 abzweigen und das Signal in dieser Verbindung jeweils zwischen zwei Invertern rückkoppeln. Dafür ist zwischen jedem der Inverter I1 bis I5 jeweils eins, d.h. insgesamt vier XOR-Gatter X1, X2, X3 und X4 vorgesehen. Einem jeweiligen XOR-Gatter werden also der Ausgang des vorherigen Inverters sowie das Signal aus dem jeweiligen Rückkopplungspfad 2, 3, 4 oder Ausgleichsrückkopplungspfad 1 zugeführt. Alternativ zu den XOR-Gattern können auch XNOR-Gatter verwendet werden.
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In dem zweiten bis vierten Rückkopplungspfad 2 bis 4 ist jeweils eine logische Abbildungseinrichtung U2, U3, U4 vorgesehen. Es sind insbesondere AND-Gatter, NAND-Gatter, OR-Gatter oder NOR-Gatter vorgesehen oder es ist eine AND-Funktion, NAND-Funktion, OR-Funktion oder NOR-Funktion mittels einer Nachschlagetabelle oder sogenannten Look-Up-Table realisiert. Eine jeweilige logische Abbildungseinrichtung U2, U3, U4 weist zwei Eingänge auf, und zwar jeweils einen Zählereingang und einen Rückkopplungseingang. Der Rückkopplungseingang führt der jeweiligen logischen Abbildungseinrichtung U2, U3, U4 das jeweilige Signal im jeweiligen Rückkopplungspfad 2, 3, 4 zu. Dabei handelt es sich um das am letzten Inverter I5 vorliegende Signal.
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Der Zählereingang führt der jeweiligen logischen Abbildungseinrichtung U2, U3, U4 einen jeweiligen Zählerwert zu, welcher durch einen Zähler Z, in diesem Ausführungsbeispiel einen Binärzähler, vorgegeben wird. Der Zähler Z weist dazu jeweilige Zählerausgänge Z2, Z3, Z4 auf, welche einen Zählerstand ausgeben. Die Anzahl der Zählerausgänge regelt, wie viele Bit der Zählerstand umfassen kann, d.h. legt den maximalen Zählerstand fest. Die verschiedenen Zählerausgänge Z2, Z3, Z4 geben also die unterschiedlich wertigen Bits des Zählerstandes aus.
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Der Zählerstand des Zählers Z wird durch eine Schnittstelle 13 beeinflusst, die den Zähleingang des Zählers Z bildet. Beispielsweise erhöht sich der Zählerstand des Zählers Z bei jedem Übergang eines am Zähleingang vorliegenden logischen Wertes von 0 auf 1. Der Zählerwert und damit die am jeweiligen Zählerausgang Z2, Z3, Z4 vorliegenden logischen Werte legen die Konfiguration des Galois-Ringoszillators insoweit fest, als die über den Zähler Z konfigurierbaren Rückkopplungspfade aktiviert oder deaktiviert werden.
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Über das Vorgeben eines Wertes am Zählereingang einer jeweiligen logischen Abbildungseinrichtung U2, U3, U4 wird festgelegt, ob der am Rückkopplungseingang anliegende Wert rückgekoppelt wird oder nicht. Beispielsweise ist als eine jeweilige logische Abbildungseinrichtung ein AND-Gatter vorgesehen und bei Anliegen eines logischen Wertes 0 am Zählereingang eines jeweiligen AND-Gatters wird unabhängig vom Wert im Rückkopplungspfad, d.h. am Rückkopplungseingang des AND-Gatters, am Ausgang des AND-Gatters eine 0 ausgegeben. Eine Rückkopplung ist somit für diesen Rückkopplungspfad bei dieser Konfiguration deaktiviert. Ein Signalwechsel im jeweiligen Rückkopplungspfad wirkt sich dann nicht logisch auf den rückgekoppelten Wert, der über das XOR-Gatter an der Rückkopplungsstelle zwischen zwei Invertern zugeführt wird, aus.
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Liegt dagegen am Zählereingang des AND-Gatters eine logische 1 vor, so gibt das AND-Gatter den Wert 0 aus, falls im Rückkopplungspfad eine 0 vorliegt und den Wert 1, falls im Rückkopplungspfad der Wert 1 vorliegt. Für diese Konfiguration ist der Rückkopplungspfad aktiviert und der zwischen zwei Invertern rückgekoppelte Wert hängt ab vom Wert im durch den Ausgangswert des letzten Inverters I5 gebildeten Rückkopplungspfad.
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Die Konfiguration wird über die Zählerausgänge des Zählers Z vorgegeben und ändert sich somit mit jedem Erhöhen des Zählerstandes, d.h. im Allgemeinen mit jedem über die Schnittstelle 13 zugeführten Umschaltsignal C. Dabei können sich ein oder mehr Rückkopplungspfade ändern, d.h. die Änderung der Konfiguration kann ein Aktivieren oder Deaktivieren eines deaktivierten bzw. aktivierten Rückkopplungspfades bewirken.
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Die jeweiligen logischen Werte an den Zählerausgängen des Zählers Z werden zudem einem Paritätsgenerator P zugeführt. Dieser ermittelt, wie viele Zählerausgänge den Wert logisch 1 ausgeben. Wenn geradzahlig viele der dadurch am Paritätsgenerator P zugeführten Zählwerteingänge den Wert 1 haben, so gibt der Paritätsgenerator an seinem Ausgang den Wert 0 aus.
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Der Ausgang des Paritätsgenerators wird dem Ausgleichsrückkopplungspfad 1 zugeführt, welcher insbesondere nicht mit dem Zähler Z verbunden ist. Dieser Ausgleichsrückkopplungspfad 1 weist ebenfalls ein AND-Gatter als logische Abbildungseinrichtung U1 auf und hat einen Rückkopplungseingang, welcher den Wert im Rückkopplungspfad zuführt. Überdies hat er einen Paritätsgeneratoreingang, welchem der am Paritätsgeneratorausgang vorliegende logische Wert zugeführt wird. Gibt der Paritätsgenerator P also den Wert 0 aus, so ist die Funktionsweise des Rückkopplungspfades 1 analog zu dem der Rückkopplungspfade 2 bis 4 deaktiviert.
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Ermittelt der Paritätsgenerator P hingegen eine ungerade Anzahl an Zählerausgängen, welche den Wert 1 ausgeben, so wird am Ausgang des Paritätsgenerators der logische Wert 1 ausgegeben. Damit wird der Ausgleichsrückkopplungspfad aktiviert, falls davor eine 0 anlag, und innerhalb der gesamten Ringoszillatorschaltung ist die Anzahl aktivierter Rückkopplungspfade geradzahlig.
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Für eine gewählte Konfiguration, d.h. für eine Vorgabe eines Zählerstandes, die die über die Konfiguration aktivierbaren Rückkopplungspfade 2 bis 4 vorgibt, ermittelt der Paritätsgenerator P, ob ein Zuschalten eines weiteren Rückkopplungspfades nötig ist, um das Vorliegen eines fixpunktfreien Galois-Ringoszillators sicherzustellen. Für die sowohl durch den Zähler Z als auch durch den Paritätsgenerator P ermittelte Gesamtkonfiguration des Ringoszillators RO wird somit ein fixpunktfreier Ringoszillator bereitgestellt.
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Für diese Gesamtkonfiguration wird eine chaotische Schwingung eines Signals innerhalb der Ringoszillatorschaltung, beispielsweise des Signals, das an der Stelle zwischen dem ersten Inverter I1 und dem zweiten Inverter I2 abgreifbar ist, erwartet. Dieses Signal wird beispielsweise zwischen dem ersten Inverter I1 und dem zweiten Inverter I2 ausgekoppelt und einer Einheit F zugeführt. Es handelt sich bei dem Signal für einen Galois-Ringoszillator in der vorgegebenen Gesamtkonfiguration um ein Zufallssignal. Auf vorteilhafte Weise handelt es sich bei der Einheit F um einen weiteren Zähler, um einen Modulo-M-Zähler oder ein Toggle-Flipflop, welcher beispielsweise zu vorgebbaren Zeitpunkten ausgelesen wird und welches zur Ausgabe von Zufallsbits ZB geeignet ist. Die Einheit F kann ferner vorteilhaft ein Zwischenspeicherelement oder D-Flip-Flop sein.
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Die Schnittstelle 13 bildet den Zähleingang und das dort anliegende Signal wird durch die Vorrichtung 10 vorgegeben. Ein Signalwechsel am Zähleingang stellt ein Umschaltsignal C dar, das ein Erhöhen des Zählerstandes und somit das Umschalten zwischen einer ersten auf eine zweite Konfiguration bewirkt.
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Dadurch ändert sich die Konfiguration der Rückkopplungspfade 2 bis 4. Beispielsweise ändert sich die Anzahl aktivierter Rückkopplungspfade von einem geradzahligen Wert auf einen ungeradzahligen Wert. Je nach Beschaffenheit des Zählers Z kann sich ein Erhöhen des Zählerstandes auch derart auswirken, dass andere Rückkopplungspfade oder eine andere Anzahl an Rückkopplungspfaden aktiviert sind, die Anzahl aber sowohl vor dem Erhöhen des Zählerstandes als auch nach dem Erhöhen des Zählerstandes jeweils geradzahlig oder jeweils ungeradzahlig ist. Nach einer Veränderung am Zähleingang und damit gegebenenfalls veränderten jeweiligen Zählerausgängen Z2, Z3, Z4 ermittelt der Paritätsgenerator automatisch oder getriggert durch den Zähler Z oder das Umschaltsignal C die Anzahl der über den Zähler Z aktivierten Rückkopplungspfade. Gegebenenfalls schaltet der Paritätsgenerator P den Ausgleichsrückkopplungspfad zu oder deaktiviert ihn, so dass die Gesamtanzahl der aktivierten Rückkopplungspfade geradzahlig ist.
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Es liegt somit eine neue, von der ursprünglichen Konfiguration abweichende Gesamtkonfiguration vor und auch diese neue Konfiguration stellt einen fixpunktfreien Ringoszillator bereit.
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Für den beschriebenen Galois-Ringoszillator sind mehrere Konfigurationen einstellbar, die mittels des Paritätsgenerators P alle derart ausgeglichen werden, dass kein Fixpunkt vorliegt. Jedes Umschaltsignal C, das über die Schnittstelle 13 dem Zähler Z zugeführt wird, bewirkt das Umschalten in eine neue Konfiguration.
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Durch die vorgeschlagene Vorrichtung 10 wird die Möglichkeit geschaffen, das Vorliegen einer periodischen Schwingung in den fixpunktfreien Galois-Ringoszillatorkonfigurationen zu vermeiden, indem die Gesamtkonfiguration auf vorteilhafte Weise über die Vorrichtung 10 automatisch zu vorgegebenen Zeitpunkten, d.h. taktgesteuert, geändert wird. Somit liegt beispielsweise eine chaotische Schwingung, wie sie in der Zeitspanne nach einem Einstellen einer Konfiguration und dem Starten des Ringoszillators vorliegt, bis zu dem Zeitpunkt vor, an dem ein nächstes Umschaltsignal C' den nächsten Wechsel der Konfiguration bewirkt. Eine aufwändige Überprüfung, ob eine Schwingung im Galois-Ringoszillator noch die Anforderungen an die Zufälligkeit erfüllt oder bereits in eine periodische Schwingung übergegangen ist, entfällt somit auf vorteilhafte Weise.
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Auf analoge Weise kann die Vorrichtung 10 auch in einem Fibonacci-Ringoszillator vorgesehen sein, der durch eine Konfigurationseinheit verschiedene Rückkopplungsfunktionen vorsieht und insbesondere mit Hilfe von zwei Paritätsgeneratoren für alle Konfigurationen sicherstellt, dass kein Fixpunkt eingenommen werden kann. Verfällt der Fibonacci-Ringoszillator von einer erwarteten chaotischen Schwingung in eine periodische Schwingung, so können keine weiteren Zufallsbits extrahiert werden. Auf vorteilhafte Weise wird ein Umschalten vorgenommen, welches mit einer festgelegten Frequenz erfolgt. Dadurch wird eine chaotische Schwingung möglichst dauerhaft aufrecht erhalten und eine Überprüfung des Zufallssignals auf auftretende periodische Schwingungen hin entfällt.
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Die Vorrichtung kann überdies vorteilhaft in Galois- oder Fibonacci-Ringoszillatoren verschiedener weiterer Ausführungsformen eingesetzt werden. Insbesondere ist der Einsatz der Vorrichtung auch für Ausführungen sinnvoll, bei denen das Umschalten zwischen zwei oder mehr fixpunktfreien Konfigurationen geschieht, deren Rückkopplungspolynome rechnergestützt von Hand bestimmt wurden. Das Umschalten kann durch einen dafür vorgesehenen Schalter realisiert werden. Für diese Varianten entfällt die Konstruktion mit Paritätsgeneratoren. Auch für diese Varianten wird eine Erkennungseinrichtung, die periodische Schwingungsmuster im abgegriffenen Zufallssignal erkennt, überflüssig und das Umschalten wird durch das von der Vorrichtung vorgegebene Umschaltsignal am Schalter bewirkt.
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2 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf mit den Schritten Empfangen S1 eines Taktsignales, Ausgeben S2 eines Umschaltsignales und Zuführen S3 des Umschaltsignales zum Umschalten (C10) zwischen mindestens zwei vorgegebenen Konfigurationen.
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In 3 ist schematisch der Signalverlauf des Zufallssignales an einer Stelle innerhalb eines Ringoszillators abgebildet, wenn eine Frequenz des Taktsignales ungünstig gewählt wird. Gezeigt ist für die 3 sowie analog für die folgenden 4 bis 6 ein Signalverlauf A über der Zeit T. Es wurde ein Galois-Ringoszillator mit Länge 15, d.h. mit 15 Invertern untersucht. Der Galois-Ringoszillator wurde analog zu der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Konstruktion mit einem Paritätsgenerator und Zähler versehen, so dass alle möglichen fixpunktfreien Rückkopplungspolynome gebildet werden können. Diese Schaltung durchläuft beim Wiederholten Umschalten alle 4096 fixpunktfreien Galois-Ringoszillatorkonfigurationen.
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Das Umschalten zur jeweils nächsten Galois-Ringoszillatorkonfigurationen erfolgte taktgesteuert. Nach der 4096. Konfiguration wurde wieder bei der ersten Konfiguration begonnen.
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Zu Demonstrationszwecken wurde hier die Taktfrequenz mit 250kHz zu niedrig gewählt. 3 zeigt, dass nach dem Umschalten in der Mitte des Diagramms zu einem Zeitwert T0 für die Zeit T das chaotische Schwingen in der linken Hälfte übergeht in ein periodisches Schwingen. Ein Skalenteil des in 3 abgebildeten Oszillogramms entspricht 100ns. Das chaotische Schwingen hält noch etwa 50ns nach dem Umschalten an.
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4 zeigt für die gleiche Schaltung wie sie im Zusammenhang mit der 3 beschrieben wurde, wie sich für einen zweiten Ausführungsbeispiel eine Taktfrequenz von 50MHz auf die Schwingung auswirkt. Man erkennt, dass keine periodischen Schwingungen mehr auftreten. In der Mitte des Oszillogrammausschnittes bei dem Zeitwert T0 wird ein erstes Umschalten vorgenommen. Die weiteren Umschaltvorgänge erfolgen nach 20ns. Pro horizontalem Skalenteil von 100ns in der 4 treten 5 Umschaltungen auf.
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Ein vergleichbarer Signalverlauf ohne auftretende periodische Signalabschnitte ergibt sich für Umschaltvorgänge zwischen allen weiteren möglichen fixpunktfreien Rückkopplungskonfigurationen.
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5 zeigt schematisch den Signalverlauf, für einen Galois-Ringoszillator mit Fixpunkt der Länge 9. Ein Umschalten erfolgt zunächst in einem zeitlichen Abstand von etwa 800ns. Im linken Bildabschnitt erkennt man anhand des Signalverlaufs, dass eine chaotische Schwingung vorliegt. In der Mitte des Oszillogrammausschnittes bei dem Zeitwert T0 erfolgt ein Umschalten und man erkennt, dass die chaotische Schwingung aufhört und stattdessen gar keine Schwingung mehr zu sehen ist, da ein Fixpunkt vorliegt. Bei dem Signal in der Mitte der rechten Hälfte handelt es sich um ein Übersprechen eines anderen Signals.
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6 zeigt für den gleichen zugrundeliegenden Galois-Ringoszillator wie im Zusammenhang mit 5 beschrieben einen Signalverlauf innerhalb des Ringoszillators gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, falls ein Umschalten mit einer höheren Frequenz erfolgt, so dass zwischen zwei Umschaltvorgängen etwa 20ns liegen. Man erkennt Abschnitte X, in denen sich ein Fixpunkt bemerkbar macht. Die chaotische Schwingung hält über einen gewissen Zeitraum nach einem Umschalten an, aber dann endet die Schwingung aufgrund des Fixpunktes.
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Ein Auftreten eines Fixpunktes innerhalb der Zeitspanne, bevor das Umschalten erfolgt, ist unkritisch insbesondere für Fälle, in denen ein Sampeln mittels eines Toggle-Flip-Flops zum Abgreifen der Zufallsbits erfolgt. Beispielsweise erfolgt das Sampeln, also das Auslesen des Toggle-Flip-Flops, mit einer Frequenz von 10MHz. Bei einer für dieses Ausführungsbeispiel gewählten Umschaltfrequenz von 50MHz wird somit der Zufall von 5 Zuständen im Toggle-Flip-Flop gespeichert, so dass auftretende Fixpunkte die Zufallsbiterzeugung nicht behindern.
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Für längere Ringoszillatoren, d.h. Galois-Ringoszillatoren, die mehr als 9 Inverter aufweisen, erhöht sich die Zeitdauer der Phase, in der eine chaotische Schwingung erwartet wird. Somit kann eine Samplefrequenz für Toggle-Flip-Flops bei Bedarf erhöht werden. Alternativ können D-Flip-Flops eingesetzt werden, wenn die Zeitspanne mit zufälligem Verhalten bis zum Umschalten anhält.
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Es kann vorteilhaft eine ausgewogene und aufeinander abgestimmte Wahl einer Umschaltfrequenz, d.h. die Ausgestaltung der Taktfrequenz, einer Erfassungseinheit zum Ableiten der Zufallsbits und einer Ausgestaltung des Ringoszillators in Hinblick auf dessen Länge oder Fixpunkteigenschaften getroffen werden.
