PL236963B1 - Generator losowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator losowy przeznaczony zwłaszcza do generacji losowych liczb i ciągów liczbowych.

Znany jest w technice, np. z publikacji Xiaoyan Jia, Liji Wu, Beibei Wang, Xiangmin Zhang, „A Novel Oscillator-Based TRNG for Smart IC Card”, 2015 IEEE 11th International Conference on ASIC (ASICON), Chengdu, ISSN: 2162-755X, DOI: 10.1109/ASICON.2015.7517094, generator losowy, który zawiera dwa generatory pierścieniowe oraz detektor fazy. Wyjścia generatorów pierścieniowych dołączone są do wejść detektora fazy, natomiast wyjście detektora fazy jest wyjściem generatora losowego.

Z amerykańskiego opisu patentowego US2011169580A1 znany jest generator liczb losowych, który zawiera pierwszy oscylator o wysokiej częstotliwości (HF), drugi oscylator o niskiej częstotliwości (LF) i obwód próbkujący. Oscylator HF generuje sygnał oscylacyjny wysokiej częstotliwości. Oscylator LF generuje sygnał oscylacyjny niskiej częstotliwości. Sygnał oscylacyjny LF służy do próbkowania sygnału oscylacyjnego HF w celu wygenerowania sekwencji losowych bitów. W jednym korzystnym przykładzie wykonania oscylator LF zawiera wiele stopni inwerterów, a każdy inwerter zawiera szereg tranzystorów o minimalnej długości.

Z amerykańskiego opisu patentowego US2004264233A1 znany jest generator liczb losowych z układem oscylatora pierścieniowego, który zawiera oscylator pierścieniowy z bramką EX-OR i czterema inwerterami tworzącymi razem pętlę. Pętla przechodzi w stan stabilny dla sygnału startowego o niskim poziomie i oscyluje dla sygnału startowego o wysokim poziomie. Gdy sygnał startowy ma impuls o szerokości krótszej niż czas opóźnienia pętli, węzły wyjściowe odpowiednio reagują, przechodząc kolejno w stan metastabilności zawisając pomiędzy poziomami wysokim i niskim. Przerzut metastabilny z czasem maleje i ostatecznie znika. Ponieważ stan metastabilny nie może się utrzymywać długo, znika w dowolnym, losowym węźle. Licznik dostarcza zatem sygnał będący prawdziwie losową liczbą w zależności od długości utrzymywania się stanu metastabilnego. W ten sposób można zaimplementować miniaturowy generator liczb losowych, mający zmniejszone zużycie energii, a także o wysokiej wydajności.

Celem wynalazku jest wywołanie procesu chaotycznego o charakterze niedeterministycznym.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że w generatorze losowym przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji oraz że wyjście detektora fazy dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji, oraz że wyjście detektora fazy dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji przez układ sterujący. Generator pierścieniowy ma przynajmniej jedną linię opóźniającą, której wejście i wyjście ma ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora pierścieniowego oraz że linia opóźniająca ma elementy opóźniające połączone w szereg. Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji ma przynajmniej dwie linie opóźniające połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej a wyjście jednej z tych linii opóźniających dołączone jest do wyjścia generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji. Linie opóźniające mają elementy opóźniające połączone w szeregi. Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji ma multiplekser, którego wejście sterujące ma dołączone do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, wyjście ma dołączone do wejścia jednej linii opóźniającej, a wejścia ma dołączone do wejścia i wyjścia innej linii opóźniającej. Układ sterujący ma przynajmniej jeden element opóźniający oraz elementy opóźniające połączone są w szereg. Detektor fazy ma przerzutnik o dwóch wejściach dołączonych do wejść detektora fazy i wyjściu dołączonym do wyjścia detektora fazy. Detektor fazy ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy, ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika i drugiego wejścia drugiego przerzutnika, drugie wejście detektora fazy dołączone ma jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika, a wyjście detektora fazy dołączone ma do wybranych wyjść przerzutników przez układ logiczny.

Wynalazek umożliwia generację liczb i ciągów losowych dzięki niestabilności korekcji fazy generatorów pierścieniowych oraz dzięki niedeterministycznemu, chaotycznemu zachowaniu układu.

PL 236 963 B1

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z generatorem pierścieniowym i generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji, fig. 2 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z dwoma generatorami pierścieniowymi z przełączanymi ścieżkami propagacji, fig. 3 przedstawia schemat blokowy generatora pierścieniowego, fig. 4 przedstawia schemat blokowy pierwszego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, fig. 5 przedstawia schemat blokowy drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, fig. 6 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z elementów opóźniających, fig. 7 przedstawia schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z jednego przerzutnika, a fig. 8 - schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z dwóch przerzutników.

Generator losowy przedstawiony na fig 1. zawiera generator pierścieniowy GP oraz generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, których wyjścia o-GP i o-GPSP dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji s-GPSP. Wyjście o-DF detektora fazy DF dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Detektor fazy DF przełącza częstotliwość generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP cyklicznie zmieniając lub synchronizując fazę obydwu generatorów GP i GPSP. Dzięki takiemu sprzężeniu zwrotnemu układ złożony z generatorów pierścieniowych GP i GPSP oraz detektora fazy DF może pracować w sposób chaotyczny.

Generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera dwa generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji GPSP i GPSP’, których wyjścia o-GPSP i m GPSP’ dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia i-US układu sterującego US, a wyjście układu sterującego o-US dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji s-GPSP i s-GPSP’. Wyjście o-DF detektora fazy DF dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Opóźnienie wprowadzane przez układ sterujący US do pętli sterowania fazą generatorów powoduje, że układ złożony z generatorów pierścieniowych GPSP i GPSP’, detektora fazy DF i układu sterującego US jest układem chaotycznym. Dodatkowo bliskość faz generatorów oznacza czasową bliskość zboczy generowanych sygnałów, które zmieniają swoje czasowe położenie przez występowanie zjawiska jitteru w układach cyfrowych. Dzięki temu pseudolosowy układ chaotyczny staje się układem niedeterministycznym. Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, poprawia chaotyczne właściwości działania układu.

Generator pierścieniowy przedstawiony na fig. 3 zawiera linię opóźniającą LO, której wejście i-LO i wyjście o-LO są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia o-GP generatora pierścieniowego GP. Linia opóźniająca LO zawiera elementy opóźniające EO połączone w szereg.

Liczba elementów opóźniających oraz opóźnienie wprowadzane przez każdy element opóźniający determinują podstawową częstotliwość pracy generatora pierścieniowego GP. Częstotliwość podstawowa jest obarczona niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych - typowych dla układów elektronicznych (zjawiska szumowe, termiczne, jitter itp.).

Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji przedstawiony na fig. 4 zawiera dwie linie opóźniające LO1 i LO2 oraz multiplekser MUX. Linie opóźniające LO1 i LO2 połączone ze sobą w szereg tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej o-LO1 dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej i-LO2. Wyjście drugiej linii o-LO2 dołączone jest do wyjścia o-GPSP generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP. Każda z linii opóźniających LO1 i LO2 zawiera elementy opóźniające EO połączone w szeregi. Multiplekser MUX ma dwa wejścia i0-MUX i i1-MUX, które dołączone są do wyjść linii opóźniających o-LO1 i o-LO2. Wyjście multipleksera o-MUX dołączone jest do wejścia pierwszej linii opóźniającej i-LO1. Wejście sterujące multipleksera s-MUX dołączone jest do wejścia sterującego generatora s-GPSP.

Generator GPSP posiada dwie podstawowe częstotliwości pracy, a wybór jednej z nich dokonywany jest przez sygnał sterujący generatora s-GPSP. Podstawowe częstotliwości pracy zależą od liczby elementów opóźniających EO składających się na każdą z linii opóźniających LO1 i LO2, od opóźnień wprowadzanych przez każdy element opóźniający EO oraz od opóźnienia wprowadzanego przez multiplekser MUX. Częstotliwości podstawowe są obarczone niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych - typowych dla układów elektronicznych (zjawiska szumowe, termiczne, jitter itp.).

PL 236 963 B1

Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji przedstawiony na fig. 5 ma budowę taką jak układ z fig. 4, z tą różnicą, że wejścia i0-MUX i i1-MUX multipleksera MUX są dołączone są do wyjść linii opóźniających o-LO1 i o-LO2 na odwrót. Odwrotne dołączenie wyjść linii opóźniających do wejść multipleksera powoduje, że wybrana częstotliwość pracy generatora GPSP jest przeciwna w stosunku do częstotliwości wybranej w generatorze GPSP.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 6 zawiera dwuelementowy szereg złożony z elementów opóźniających EO dołączony pomiędzy wejściem i-US i wyjściem o-US układu sterującego US.

Szereg elementów opóźniających EO wprowadza opóźnienie w sprzężeniu zwrotnym, tj. opóźnienie w przekazywaniu sygnału sterowania korekcją fazy, dzięki czemu poprawia chaotyczne właściwości działania układu.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 7 stanowi przerzutnik P o dwóch wejściach D i C stanowiących wejścia i1-DF i i2-DF detektora fazy DF i wyjściu Q stanowiącym wyjście detektora fazy o-DF.

W zależności od tego, czy narastające zbocze na wejściu D przerzutnika nadejdzie przed czy po narastającym zboczu na wejściu C przerzutnika, na wyjściu Q pojawi się logiczna jedynka lub logiczne zero.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 8 zawiera układ logiczny AND o dwóch wejściach i jednym wyjściu oraz dwa przerzutniki P1 i P2, każdy o dwóch wejściach D1 i C1 oraz D2 i C2 jak również dwóch wyjściach Q1 i nQ1 oraz Q2 i nQ2. Wejścia przerzutników dołączone są do wejść detektora fazy DF, natomiast wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy przez układ logiczny AND. Pierwsze wejście detektora fazy i1-DF dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika D1 i drugiego wejścia drugiego przerzutnika C2. Drugie wejście detektora fazy i2-DF dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika C1 i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika D2. Wejścia układu logicznego AND dołączone są do drugiego wyjścia pierwszego przerzutnika nQ1 oraz pierwszego wyjścia drugiego przerzutnika Q2. Wyjście układu logicznego AND dołączone jest do wyjścia detektora fazy o-DF.

Detektor fazy zbudowany z dwóch przerzutników pozwala na symetryczną detekcję ujemnych i dodatnich przesunięć fazowych.

Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu losowych liczb i ciągów liczbowych.

Claims (8)

1. Generator losowy zawierający detektor fazy, którego wyjście jest dołączone do wyjścia generatora losowego oraz zawierający dwa generatory pierścieniowe, których wyjścia dołączone są do wejść detektora fazy znamienny tym, że przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’) oraz że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji (s-GPSP).

2. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji (s-GPSP, s-GPSP’) przez układ sterujący (US).

3. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że generator pierścieniowy (GP) zawiera przynajmniej jedną linię opóźniającą (LO), której wejście (i-LO) i wyjście (o-LO) są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora pierścieniowego (o-GP), przy czym linia opóźniająca (LO) zawiera elementy opóźniające (EO) połączone w szereg.

4. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’) zawiera przynajmniej dwie linie opóźniające (LO 1, LO2) połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej (o-LO1) dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej (i-LO2), oraz że wyjście jednej z tych linii opóźniających (o-LO2) dołączone jest do wyjścia generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (o-GPSP, o-GPSP’), przy czym linie opóźniające (LO1, LO2) zawierają elementy opóźniające (EO) połączone w szeregi.

5. Generator losowy według zastrz. 4, znamienny tym, że generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji (GPSP, GPSP’) zawiera multiplekser (MUX), którego wejście steru-

PL 236 963 B1 jące (s-MUX) dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji (s-GPSP, s-GPSP’), oraz którego wyjście (o-MUX) dołączone jest do wejścia jednej linii opóźniającej (i-LO1), oraz którego wejścia (i0-MUX, i1-MUX) dołączone są wejścia i wyjścia innej linii opóźniającej (o-LO2, i-LO2).

6. Generator losowy według zastrz. 2, znamienny tym, że układ sterujący (US) zawiera przynajmniej jeden element opóźniający (EO), oraz elementy opóźniające (EO) połączone są w szereg.

7. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) stanowi przerzutnik (P) o dwóch wejściach (D, C) stanowiących wejścia detektora fazy (i1-DF, i2-DF) i wyjściu (Q) stanowiącym wyjście detektora fazy (o-DF).

8. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor fazy (DF) zawiera dwa przerzutniki (P1), (P2) o dwóch wejściach (D1, C1), (D2, C2) i dwóch wyjściach (Q1, nQ1), (Q2, nQ2) każdy, który ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy i który ma wyjścia przerzutników dołączone do wyjść detektora fazy, przy czym pierwsze wejście detektora fazy (i1-DF) dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika (D1) i drugiego wejścia drugiego przerzutnika (C2), drugie wejście detektora fazy (i2-DF) dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika (C1) i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika (D2), a wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do wybranych wyjść przerzutników (nQ1, Q2) przez układ logiczny (AND).