DE19717110C2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Pseudo-Zufallsfolge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Pseudo-Zufallsfolge von Bitdaten unter Verwendung einer rückgekoppelten Schieberegistereinrichtung.

Pseudo-Zufallsfolgen, beziehungsweise pseudo-zufällige Binärfolgen, werden vielfach zur Untersuchung von analogen und digitalen Systemen eingesetzt. Darüber hinaus spielen Pseudo-Zufallsfolgen eine bedeutende Rolle bei der Verschlüsselung von Daten.

Es sind zahlreiche Schaltungsanordnungen für die Erzeugung von Pseudo-Zufallsfolgen bekannt. In dem Buch Tietze, Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 5. Auflage, Seiten 509-512, sind Schaltungsanordnungen beschrieben, um derartige Pseudo- Zufallsfolgen zu erzeugen. Hierzu wird üblicherweise ein Schieberegister verwendet, das in bestimmter Weise rückgekoppelt ist. Die Rückkopplung erfolgt mittels mehrerer Exklusiv-Oder-Schaltungen. Hierbei ergibt sich die größte nichtperiodische Bitfolge, die ein Schieberegister mit n Stufen erzeugen kann als N = 2^n-1 Bit lang. Entsprechend kann mit einem 4-stufigen Schieberegister beispielsweise eine Pseudo-Zufallsfolge mit einer maximalen Periodenlänge von 15 Bit erzeugt werden. Eine dafür geeignete Schaltung ist in Abb. 20.23 der zuvor genannten Quelle zu ersehen.

Beim Verschlüsseln von Daten wird dagegen die rückgekoppelte Schieberegistereinrichtung mit einer Schlüsselinformation, das heißt einem geheimen Datenwort, beaufschlagt. Mit diesem Datenwort wird festgelegt, an welcher Stelle der Pseudo- Zufallsfolge am Ausgang der rückgekoppelten Schieberegistereinrichtung der Datenstrom der Pseudo- Zufallsfolge beginnt. Befindet sich beispielsweise in zwei miteinander kommunizierenden Daten-Ein-/Ausgabeeinrichtungen jeweils ein gleiches rückgekoppeltes Schieberegister und ist der gleiche Schlüssel auf beiden Seiten bekannt, so können die von der einen Anordnung zur anderen Anordnung verschlüsselt gesendeten Daten wieder entschlüsselt beziehungsweise ein zwischen beiden Seiten ausgetauschter Datenstrom gleichermaßen verschlüsselt und die verschlüsselten Daten verglichen werden. Damit ist unter anderem ein Nachweis, daß die beiden Einrichtungen miteinander kommunizieren dürfen möglich und ein gewisser Schutz vor Fälschung beziehungsweise Mißbrauch sicher gestellt.

Aus der EP 0 616 429 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Pseudo-Zufallsfolge und deren Verwendung beschrieben. Hierbei ist eine Exklusiv- Oder-Gatter verwendende Rückkoppelschaltung eingesetzt. Gleichzeitig befindet sich am Ausgang des Schieberegisters eine Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit vom Inhalt einiger vorbestimmter Schieberegisterzellen gesteuert wird.

Die zuvor beschriebene Schaltung kann auf Dauer nur eine sichere Verschlüsselung gewährleisten, wenn der genaue Schaltungsaufbau nicht autorisierten Personen verschlossen bleibt. Hierzu ist zunächst vorgesehen, diese Schaltung auf einem Halbleiterchip anzuordnen, wodurch die Schaltungsanalyse zunächst einmal erheblich erschwert ist. Da es jedoch in der Zwischenzeit möglich ist, mit vertretbarem Aufwand integrierte Schaltungen zu analysieren, ist es bei einer derartigen Anordnung notwendig, die Abgriffe der Schieberegisterzellen zu verstecken, d. h. die von diesen abgehenden Leitungsbahnen müssen in die Tiefe des Halbleiterchips gelegt werden. Eine derartige Anordnung erhöht die Herstellungsaufwand des Halbleiterchips in unerwünschtem Maße. Gleichzeitig ist der Auswahlbereich der ausgewählten Leitungen eingeschränkt, da in der verdeckten Ebene keine Leitungen sich kreuzen können.

In der US 5,434,807 ist ein rückgekoppeltes Schieberegister zur Erzeugung einer Pseudo-Zufallszahlenfolge offenbart. Bei der beschriebenen Anordnung wird die Zufallszahlenfolge mittels des Rückkoppelzweiges aus den Elementen 25B und 25C gebildet. Das Element 26 selektiert eine Mehrzahl von Bits aus dem Schieberegister 25A und gibt diese parallel über den Datenbus p ab. Die Auswahl der Bits über das Schaltungsteil 26 beruht nicht auf dem Besetzungszustand des Schieberegisters. Weiterhin werden die ausgewählten Bits parallel ausgegeben.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Pseudo-Zufallsfolge und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorzusehen, bei dem bei Integration auf einem Halbleiterchip trotz sichtbarer Leitungsführung, die Abgänge von Schieberegisterzellen nicht ersichtlich sind, welche Abgänge von den Schieberegisterzellen verwendet werden und welche nicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 bzw. 4 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Erfindungsgemäß werden mittels eines rückwärts- bzw. vorwärts gekoppelten Schieberegisters eine zweite Zufallsfolge von Bitdaten erzeugt, wobei auf der Grundlage der logischen Werte einer beliebigen Schieberegisterzelle mittels einer logischen Funktion festgelegt wird, ob das letzte Bit des Schiebere­ gisters ausgegeben wird oder nicht und wobei für jedes Bit des Schieberegisters frei wählbar ist, ob es zur Ausgabe­ funktion beiträgt oder nicht. Auf diese Weise kann vom Anwender festgelegt werden, welche Inhalte der Schiebere­ gisterzellen die Ausgabe aus dem Schieberegister steuern, ohne daß diese vorgesehenen Schieberegisterzellen durch eine Analyse beziehungsweise durch ein "reversengeneering" für eine nicht autorisierte Person erkennbar werden.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Anzahl der Schieberegisterzellen, die im Koppelzweig mittels logischer Verknüpfung den tatsächlichen in das Schieberegister eingegebenen Wert bestimmen, beliebig wählbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, daß für die Ausgabesteuerung und/oder die Kopplung die Festlegung der wirksamen Schieberegisterzellen mittels einer programmierbaren Speichermatrix erfolgt. Weiterhin ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Auswahl der Schieberegisterzellen mittels eines Transistorfeldes erfolgt, das aus einer Speichereinrichtung heraus gesteuert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 wie die in Fig. 1 dargestellte Steuer- und Auswähleinrichtung durch eine programmierbare Speichermatrix ersetzbar ist,

Fig. 3 den Einsatz von Transfergates als Auswähleinrich­ tung,

Fig. 4 den Ersatz der Auswähleinrichtung im Rückkoppelzweig durch eine Festverdrahtung und

Fig. 5 den Einsatz einer programmierbaren Auswähleinrichtung sowohl bei Mitkopplung als auch bei Rückwärtskopplung.

In Fig. 1 ist die Grundstruktur einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Dabei werden an einem Eingang 6 Daten bitweise in ein Schieberegister mit n Registerzellen eingelesen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Registerzellen 1 bis N dargestellt, so daß n eine natürliche Zahl < 6 ist. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß für die Anzahl der Registerzellen jede Zahl n ≧ 1 wählbar ist. Gleichzeitig mit einem Einlesen erfolgt ein Auslesen, das über den Ausgangsanschluß 7 erfolgt.

Weiterhin ist ein Rückkoppelzweig vorgesehen, der ausgehend vom Schieberegister 1 über eine Auswählschaltung 9 aus einer Rückkoppelschaltung 5 und einer ersten Verknüpfungseinrichtung 3 besteht. Hierbei werden von der ersten Auswähleinrichtung 9 beliebige Zellen des Schieberegisters 1 ausgewählt und die Inhalte der ausgewählten Zellen an die Rückkoppelschaltung 5 weitergeleitet. In dieser Rückkoppelschaltung 5 werden die Inhalte der ausgewählten Registerzellen miteinander logisch verknüpft. Der dabei entstandene Verknüpfungswert wird der ersten Verknüpfungsschaltung 3 zugeführt, wo er mit dem gerade am Eingangsanschluß 6 anliegenden Bit verknüpft und als tatsächlicher Wert in das Schieberegister 1 eingegeben wird.

Gleichzeitig mit der Rückkopplung erfolgt eine Vorwärtskopplung. Hierbei werden mittels einer zweiten Auswählanordnung 10 eine beliebige Anzahl an Speicherzellen ausgewählt, deren Dateninhalt an eine Vorwärtskopplungsschaltung 4 zugeführt werden. In dieser Vorwärtskopplungsschaltung 4 werden die Inhalte der ausgewählten Speicherzellen miteinander logisch verknüpft und der durch diese Verknüpfung erhaltene Verknüpfungswert wird einer zweiten Verknüpfungsschaltung 2 zugeführt. In dieser zweiten Verknüpfungsschaltung wird der gerade vom Schieberegister 1 ausgegebene Wert mit dem von der Vorwärtskopplungsschaltung erhaltene Verknüpfungswert zu einem tatsächlich ausgegebenen Wert verknüpft, der sodann am Ausgangsanschluß 7 anliegt.

Welche Speicherzellen von der Ersten beispielsweise zweiten Auswählanordnung 9 bzw. 10 ausgehen werden, wird durch Zufuhr von Steuersignalen von einer Steuereinrichtung 8 festgelegt. Dabei ist es möglich, daß die Steuereinrichtung 8 sowohl für die Vorwärtskopplung als auch für die Rückwärtskopplung dieselben Registerzellen des Schieberegisters 1, deren Inhalte vorwärts- bzw. rückwärtsgekoppelt werden, verwendet. Genauso ist es möglich, daß von der Speichereinrichtung 8 unterschiedliche oder auch teilweise gleiche und teilweise unterschiedliche Registerzellen für die Vorwärtskopplung bzw. für die Rückwärtskopplung vorgesehen werden.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Anordnung aus der Steuereinrichtung 8 und der Auswählanordnung 10 mittels einer programmierbaren Speichermatrix ersetzbar ist. Hierbei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Zwischen dem Schieberegister 1 und einer Koppelschaltung 45 ist eine programmierbare Speichermatrix 11 angeordnet. Die Koppelanordnung 45 stellt dabei entweder die Rückkoppelanordnung 5 oder die Rückkoppelanordnung 4 dar. Die programmierbare Speichermatrix 11 weist n Zeilen auf, wobei die Zeilenanzahl der Anzahl der Registerzellen entspricht. Weiterhin weist die Speichermatrix 11 m Spalten auf, die mit m Eingängen E₁ - E_m der Koppelschaltung 45 verbunden sind. Jede Spalte weist mit jeder Reihe Schnittpunkte auf, so daß bei der programmierbaren Speichermatrix 11 programmierbar vorgegeben werden kann, von welcher Registerzelle des Schieberegister 1 ein Inhalt an welchen der Eingänge E₁ - E_m der Koppelschaltung 45 zugeführt werden soll. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist anhand der schwarzen Dreiecke D gekennzeichnet, daß beispielsweise der Inhalt der Registerzelle R₁ dem Eingang E_m-1 der Koppelschaltung 45 zugeführt werden soll. Weiterhin wird der Inhalt der Registerzelle R₂ dem Eingang E₄ zugeführt, der Inhalt der Registerzelle R₃ wird keinem Eingang zugeführt, der Inhalt von der Zelle R₄ wird dem Eingang Em zugeführt, der Inhalt der Zelle R_N-1 wird dem Eingang E₁ zugeführt und schließlich wird der Inhalt der Zelle R_N dem Eingang E₂ der Koppelschaltung 45 zugeführt. In der Koppelschaltung 45 sind nunmehr in nicht dargestellter Weise die Eingänge mittels logischer Operationsschaltungen miteinander verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Schieberegisterzellen auszuwählen und deren Inhalt im Rahmen der in der Koppelschaltung 45 verfügbaren logischen Schaltung in beliebiger Reihenfolge miteinander zu koppeln.

Das von der Koppelschaltung 45 erhaltene Ausgangssignal kann dann, wenn die Koppelschaltung der Rückwärtskopplungsanordnung 5 entspricht, der ersten Verknüpfungsschaltung 3, und wenn die Koppelschaltung 45 der Vorwärtskoppelschaltung 4 entspricht, der zweiten Verknüpfungsanordnung 2 gemäß Fig. 1 zugeführt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Anordnung dargestellt, bei der die Auswählanordnung 10 zwischen dem Schieberegister 1 und der Vorwärtskoppelschaltung 4 mittels einem Transfergate-Feld ersetzt ist. Hierbei ist zwischen jeder der Zellen R₁ - R_N des Schieberegisters 1 und den Eingängen E₁ - E_N der Vorwärtskoppelschaltung 4 ein Transfergate vorgesehen. Jedes Transfergate T ist mit seinem Steueranschluß mit einem entsprechenden Ausgangsanschluß der Steuereinrichtung 8 verbunden. Diese Steuereinrichtung 8 legt mittels ihrer ausgegebenen Steuersignale fest, welches Transfergate den Inhalt einer Registerzelle R1 - RN an einen Eingang E1 - EN der Vorwärtskoppelschaltung 4 zuführt. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, ist auch in dieser Vorwärtskoppelanordnung 4 die Eingänge E1 - EN mit einer beliebig gearteten Logikschaltung (nicht dargestellt) verbunden. Somit können beliebige Registerzellen R1 - RN ausgewählt werden, die entsprechend der in der Vorwärtskoppelschaltung 4 einen Vorwärtskoppelwert ergeben, der zur Verknüpfung mit dem Ausgangssignal des Schieberegisters 1 der zweiten Verknüpfungsschaltung 2 zugeführt wird. Diese zweite Modifikation weist zwar nicht die Flexibilität auf, daß wie gemäß Fig. 2 die Inhalte beliebiger Speicherzelle in beliebiger Reihenfolge der Koppelschaltung 45 zugeführt werden, doch weist die in Fig. 3 dargestellte Anordnung den Vorteil auf, daß sie deutlich leichter realisierbar ist. Hierbei ist noch zu beachten, daß die Steuerung 8 eine Speichereinheit aufweisen kann, so daß in der Speichereinheit gespeicherte Werte entsprechend als Steuersignale den einzelnen Transfergates T zugeführt werden. Die Auswählschaltung 9 in Fig. 3 kann hierbei beispielsweise auch ein Transfergate-Feld sein oder auch eine programmierbare Speichermatrix, wie sie entsprechend in Fig. 2 dargestellt ist. Schließlich kann in einer dritten Modifikation entsprechend Fig. 4 die Auswählanordnung 9 durch feste Verbindungen ersetzt werden. Hierbei weist nicht jede Registerzelle des Schieberegisters 1 eine Verbindung zur Rückkoppelschaltung 5 auf. Demgegenüber ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach wie vor im Vorwärtskopplungszweig eine Auswählanordnung 10 vorgesehen, die aufgrund von aus der Steuereinrichtung 8 zugeführten Signalen einzelne Registerzellen des Schieberegisters 1 auswählt, deren Inhalte der Vorwärtskoppelschaltung 4 zugeführt werden.

Diese in Fig. 4 dargestellte Anordnung im Vorwärtskopplungszweig kann selbstverständlich durch eine Anordnung, wie sie in Fig. 1 oder auch in Fig. 3 dargestellt ist, ersetzt werden.

Es ist zu beachten, daß sowohl die erste als auch die zweite Verknüpfungseinrichtung 3 und 2 mit jeder beliebigen logischen Verknüpfungsschaltung realisierbar ist. Die zweite Verknüpfungsschaltung 2 kann auch durch eine Schaltungsanordnung ersetzt werden, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vorwärtskoppelschaltung 4 das Ausgangssignal des Schieberegisters 1 an den Ausgangsanschluß 7 abgibt.

Aus Fig. 5 ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung neben der Tatsache, daß einer unautorisierten Person es nicht erkennbar ist, welcher Registerzelleninhalt zur Vorwärtskopplung beispielsweise beiträgt, ersichtlich.

Wird beispielsweise in der Anordnung, wie sie in der in der Beschreibungseinleitung genannten EP 0 616 429 A1 dargestellt ist, vom Hersteller für einen Anwender A in der Vorwärtskopplunganordnung andere Registerzelleninhalte miteinander logisch verknüpft als für einen Anwender B, ist für jeden Anwender somit ein neues Schaltungsdesign notwendig und somit für die Herstellung des integrierten Schaltkreises jeweils ein eigener Maskensatz für die technologische Fertigung erforderlich.

Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, kann beispielsweise durch die wahlweise Ansteuerung eines von zwei Transfergates T zwischen zwei Registerzellen ausgewählt werden, von welcher Zelle der Inhalt einem Eingang eines EXOR-Gatters G zugeführt wird. Dabei kann der in der Steueranordnung dargestellte Wechselschalter durch entsprechend programmierte Speicherzellen realisiert sein. Dabei ist es möglich, daß der Speicher, der die Ansteuerung der Transfergates speichert, vom Hersteller und/oder Anwender wie gewünscht programmierbar ist. Gleiches gilt selbstverständlich auch für eine Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Sind als Speicherzellen EEPROM- oder Flash-Zellen gewählt, so sind die Daten in diesen Speicherzellen sicher gegen Auslesen geschützt, so daß nicht ohne Zulassung ermittelbar ist, welche Registerzellen des Schieberegisters für die Vorwärtskopplung oder auch für die Rückwärtskopplung verwendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum seriellen Erzeugen einer Pseudo- Zufallsfolge von Bitdaten unter Verwendung einer mit- oder rückgekoppelten Schieberegistereinrichtung, bei dem auf Grundlage der logischen Werte der Schieberegistereinrichtung beliebiger Bits mittels einer logischen Ausgabefunktion fest­ gelegt wird, ob das letzte Bit der Schieberegistereinrichtung seriell ausgegeben wird oder nicht, wobei für jedes Bit des Schieberegisters frei wählbar ist, ob es zur Ausgabefunktion beiträgt oder nicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Mit- oder Rückkopplung eine beliebige Anzahl von Bits des Schieberegisters zusammen mit einem in das Schieberegi­ ster neu einzugebenden Bit mittels logischer Verknüpfung der tatsächliche Wert des Bits bestimmt wird, das in das Schiebe­ register eingegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß frei wählbar ist, welches Bit an der Mitkopplung oder Rück­ kopplung teilnimmt.

4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Schieberegister (1), das n Schieberegi­ sterzellen (R₁-R_N), einen Eingangsanschluß (6) und einen Ausgangsanschluß (7)aufweist, einen auf den Eingangsanschluß logisch wirkenden Mit- oder Rückkopplungszweig und einer am Ausgangsanschluß (7) angeordneten seriellen Ausgabeeinrich­ tung (2), die in Abhängigkeit vom Besetzungszustand vorgege­ bener Schieberegisterzellen (R₁-R_N) ein an der letzten Re­ gisterzelle (RN) vorliegendes Bit an den Ausgangsanschluß (7) ausgibt oder nicht, wobei für jede Schieberegisterzelle (R₁-­ R_N) frei wählbar ist, ob ihr Besetzungszustand die Ausgabe­ einrichtung beeinflußt oder nicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Schieberegisterzelle (R₁-R_N) frei wählbar ist, ob sie ihren Inhalt an den logischen Mit- oder Rückkoppelzweig abgibt oder nicht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer programmierbare Speichermatrix (11) ausgewählt wird, von welcher Registerzelle der Dateninhalt in welcher Reihenfolge ausgewählt wird.