PL237197B1 - Generator losowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

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

Znany jest w technice, np. z publikacji Piotra Z. Wieczorka, „Secure TRNG with Random Phase Stimulation”, XL-th IEEE-SPIE Joint Symposium on Photonics, Web Engineering, Electronics for Astronomy and High Energy Physics Experiments, Wilga 2017, SPIE volume 10445, ISBN: 9781510613546, Electronic ISBN: 9781510613553, generator losowy, który zawiera dwa generatory pierścieniowe oraz układ metastabilnościowy. Wyjścia generatorów pierścieniowych dołączone są do wejść układu metastabilnościowego, natomiast wyjście układu metastabilnościowego jest wyjściem generatora losowego.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US2011169580A1 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.

Znany jest z chińskiego opisu patentowego CN105954596A układ i metoda wykrywania niedopasowania małych kondensatorów i pomiaru wartości bezwzględnej, w którym układ składa się z pierścieniowego oscylatora, który zawiera n takich samych inwerterów połączonych szeregowo w celu ciągłego odwracania wejściowego sygnału cyfrowego za pomocą opóźnienia inwerterów, w którym uzyskuje się sygnał fazowy na wyjściu, a dostarczenie sygnału na wejście daje dodatnie sprzężenie zwrotnego i w rezultacie ciągłe oscylacje. Układ kondensatorów obciążających jest podłączony do wyjść inwerterów oscylatora pierścieniowego i jest obciążeniem oscylatora pierścieniowego. Służy on do zmiany częstotliwości wyjściowej oscylatora. Przełączniki kontrolne służą do zmiany trybu podłączenia kondensatora w matrycy kondensatorów obciążeniowych.

Celem wynalazku jest niedeterministyczna inicjalizacja procesu metastabilnościowego, wywołanie procesu korekcji fazy oraz uzyskanie losowego zaburzenia działania procesu korekcji fazy.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że generator losowy posiada detektor fazy, którego wejścia dołączone ma do wyjść generatorów pierścieniowych, oraz że przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością, oraz że wyjście detektora fazy dołączone ma do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością, że to wyjście dołączone jest przez układ sterujący, że do wejścia układu sterującego dołączone jest wyjście układu metastabilnościowego.

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 regulowaną szybkością ma przynajmniej jedną linię opóźniającą której wejście i wyjście są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora z regulowaną szybkością oraz że linia opóźniająca ma elementy opóźniające połączone w szereg. Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością ma dodatkowy element opóźniający, dołączany do wybranego miejsca linii opóźniającej przy pomocy klucza, którego wejście sterujące dołączone ma do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością.

Układ sterujący ma przynajmniej jeden element opóźniający, a elementy opóźniające połączone są w szereg. Układ sterujący stanowi bramka dodawania losowości, której pierwsze wejście stanowi wejście danych losowych układu sterującego, drugie wejście stanowi wejście sygnałowe układu sterującego, a wyjście bramki dodawania losowości stanowi wyjście układu sterującego. Układ sterujący ma pierwsze wejście bramki dodawania losowości dołączone do wejścia danych losowych układu sterującego przez układ bramkujący, a do układu bramkującego dołączony jest układ sterowania bramkowaniem. Układ sterujący ma drugie wejście bramki dodawania losowości i jej wyjście połączone w szereg z co najmniej jednym elementem opóźniającym, przy czym wejście pierwszego w szeregu elementu dołączone jest do wejścia sygnałowego układu sterującego, a wyjście ostatniego w szeregu elementu dołączone jest do wyjścia układu sterującego.

Detektor fazy stanowi przerzutnik o dwóch wejściach stanowiących wejścia detektora fazy i wyjściu stanowiącym wyjście detektora fazy. Detektor fazy ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, ma wejścia przerzutników dołączone do wejść detektora fazy, ma wyjścia przerzutni

PL 237 197 B1 ków 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.

Układ metastabilnościowy stanowi przerzutnik o dwóch wejściach stanowiących wejścia układu metastabilnościowego i wyjściu stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego. Układ metastabilnościowy stanowi układ metastabilnościowy z oscylacyjną odpowiedzią impulsową o dwóch wejściach stanowiących wejścia układu metastabilnościowego i wyjściu stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego. Układ metastabilnościowy z oscylacyjną odpowiedzią impulsową ma wyjście dołączone do wyjścia układu metastabilnościowego przez sumator oraz ma układ liczący, którego wyjścia dołączone są do kolejnych wejść sumatora, a którego wejście dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową. Układ metastabilnościowy ma generator metastabilnościowych interwałów czasowych o wejściach dołączonych do wejść układu metastabilnościowego oraz wyjściach dołączonych do wejść arbitra, którego wyjścia dołączone ma do wyjść układu metastabilnościowego przez układ logiczny. Układ metastabilnościowy ma generator metastabilnościowych interwałów czasowych, który ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i pojedynczych wyjściach, ma arbiter, który ma dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, oraz ma układ logiczny. Wejścia przerzutników generatora metastabilnościowych interwałów czasowych dołączone są do wejść układu metastabilnościowego w taki sposób, że pierwsze wejście układu metastabilnościowego dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika, drugie wejście układu metastabilnościowego dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika i drugiego wejścia drugiego przerzutnika. Wyjścia przerzutników generatora metastabilnościowych interwałów czasowych dołączone są do wejść przerzutników arbitra w taki sposób, że wyjście pierwszego przerzutnika generatora metastabilnościowych interwałów czasowych dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra i drugiego wejścia drugiego przerzutnika arbitra, wyjście drugiego przerzutnika generatora metastabilnościowych interwałów czasowych dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika arbitra, natomiast wyjście układu metastabilnościowego dołączone jest do wybranych wyjść przerzutników arbitra przez układ logiczny.

Wynalazek umożliwia generację liczb i ciągów losowych dzięki niestabilności rozwiązania procesu metastabilnościowego oraz dzięki korekcji i niestabilności korekcji fazy generatorów pierścieniowych.

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 regulowaną szybkością układem metastabilnościowym oraz detektorem fazy, fig. 2 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z dwoma generatorami pierścieniowymi z regulowaną szybkością, układem metastabilnościowym, detektorem fazy oraz układem sterującym o pojedynczym wejściu, fig. 3 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z generatorem pierścieniowym i generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością, układem metastabilnościowym, detektorem fazy oraz układem sterującym o dwóch wejściach, fig. 4 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z dwoma generatorami pierścieniowymi z regulowaną szybkością, układem metastabilnościowym, detektorem fazy oraz układem sterującym o dwóch wejściach, fig. 5 przedstawia schemat blokowy generatora pierścieniowego, fig. 6 przedstawia schemat blokowy pierwszego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością, fig. 7 przedstawia schemat blokowy drugiego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością, fig. 8 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z elementów opóźniających, fig. 9 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z bramki dodawania losowości, fig. 10 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z bramki dodawania losowości oraz układu bramkującego, fig. 11 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z bramki dodawania losowości oraz elementów opóźniających, fig. 12 przedstawia schemat blokowy układu sterującego zbudowanego z bramki dodawania losowości, układu bramkującego i elementów opóźniających, fig. 13 przedstawia schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z jednego przerzutnika, fig. 14 przedstawia schemat blokowy detektora fazy zbudowanego z dwóch przerzutników, fig. 15 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z przerzutnika, fig. 16 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego

PL 237 197 B1 z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową, fig. 17 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową oraz sumatora, fig. 18 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową, sumatora i układu liczącego, a fig. 19 - schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z generatora metastabilnościowych interwałów czasowych oraz arbitra.

Generator losowy przedstawiony na fig. 11 zawiera generator pierścieniowy GP oraz generator pierścieniowy z regulowaną szybkością GPRS, których wyjścia o-GP i o-GPRS dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF oraz do wejść i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością s-GPRS. Wyjście o-UM układu metastabilnościowego UM dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Detektor fazy DF przełącza częstotliwość generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS cyklicznie zmieniając lub synchronizując fazę obydwu generatorów GP i GPRS. Bliskość faz generatorów oznacza czasową bliskość zboczy generowanych sygnałów, które służą do pobudzenia układu metastabilnościowego UM, który wytwarza zjawisko losowe.

Generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera dwa generatory pierścieniowe z regulowaną szybkością GPRS i GPRS’, których wyjścia o-GPRS i o-GPRS’ dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF oraz do wejść i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM. 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 regulowaną szybkością s-GPRS i s-GPRS’. Wyjście o-UM układu metastabilnościowego UM dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Opóźnienie wprowadzane przez układ sterujący US do pętli sterowania fazą generatorów zwiększa zakres przesunięć fazowych. Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS, poprawia zbieżność faz generatorów.

Generator losowy przedstawiony na fig. 3 zawiera generator pierścieniowy GP oraz generator pierścieniowy z regulowaną szybkością GPRS, których wyjścia o-GP i o-GPRS dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF oraz do wejść i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM, Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do głównego wejścia i-US’ układu sterującego US’, wyjście układu metastabilnościowego o-UM dołączone jest do dodatkowego wejścia układu sterującego r-US’. a wyjście układu sterującego o-US’ dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością s-GPRS. Wyjście o-UM układu metastabilnościowego UM dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Dzięki zastosowaniu dodatkowego wejścia układu sterującego r-US’ do układu złożonego z generatorów GP i GPRS, detektora fazy DF i układu sterującego US’ może być dodawany sygnał losowy wytwarzany przez układ metastabilnościowy UM.

Generator losowy przedstawiony na fig. 4 zawiera dwa generatory pierścieniowe z regulowaną szybkością GPRS i GPRS’, których wyjścia o-GPRS i o-GPRS’ dołączone są do wejść i1-DF i i2-DF detektora fazy DF oraz do wejść i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM. Wyjście detektora fazy o-DF dołączone jest do głównego wejścia i-US’ układu sterującego US’, wyjście układu metastabilnościowego o-UM dołączone jest do dodatkowego wejścia układu sterującego r-US’, a wyjście układu sterującego o-US’ dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością s-GPRS i s-GPRS’. Wyjście o-UM układu metastabilnościowego UM dołączone jest do wyjścia o-GL generatora losowego GL.

Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS, poprawia zbieżność faz generatorów.

Generator pierścieniowy przedstawiony na fig. 5 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.).

PL 237 197 B1

Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 6 zawiera linię opóźniającą LO, której wejście i-LO i wyjście o-LO są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia o-GPRS generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością GPRS. Linia opóźniająca LO zawiera elementy opóźniające EO połączone w szereg. Pomiędzy wybranymi elementami opóźniającymi EO linia opóźniająca LO ma dołączony element wprowadzający opóźnienie w postaci kondensatora C, który jedną końcówką jest dołączany do tej linii przy pomocy klucza KL. Druga końcówka kondensatora C dołączona jest do masy układu GND. Wejście sterujące klucza KL dołączone jest do wejścia sterującego generatora s-GPRS.

Generator GPRS posiada dwie podstawowe częstotliwości pracy, a wybór jednej z nich dokonywany jest przez sygnał sterujący generatora s-GPRS. Podstawowe częstotliwości pracy zależą od liczby elementów opóźniających EO składających się na linię opóźniającą LO, od opóźnienia wprowadzanego przez każdy element opóźniający EO oraz od opóźnienia wprowadzanego przez dołączenie kondensatora C powodujące wolniejsze przełączanie się sąsiadujących z nim elementów opóźniających EO. Częstotliwości podstawowe generatora są obarczone niestałością, wynikającą ze zjawisk fizycznych - typowych dla układów elektronicznych (zjawiska szumowe, termiczne, jitter itp.).

Generator pierścieniowy z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 7 ma budowę taką jak układ z fig. 6, z tą różnicą, że klucz KL’ ma działanie przeciwne do klucza KL. Odwrotne działanie klucza powoduje, że wybrana częstotliwość pracy generatora GPRS’ jest przeciwna w stosunku do częstotliwości wybranej w generatorze GPRS.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 8 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 zwiększa zakres przesunięć fazowych.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 9 stanowi bramka dodawania losowości XOR’, której pierwsze wejście stanowi wejście danych losowych r-US’ układu sterującego US’, drugie wejście bramki stanowi wejście sygnałowe układu sterującego i-US’, a wyjście bramki stanowi wyjście układu sterującego o-US’.

Bramka XOR’ wprowadza opóźnienie dla sygnału przekazywanego pomiędzy wejściem i-US’ i wyjściem o-US’ oraz dodaje do tego sygnału wartość losową dostarczaną do wejścia danych losowych układu sterującego r-US’.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 10 ma budowę taką jak układ z fig. 9, w którym pierwsze wejście bramki dodawania losowości XOR’ dołączone jest do wejścia danych losowych układu sterującego r-US’ przez układ bramkujący AND’ oraz do układu bramkującego AND’ dołączony jest układ sterowania bramkowaniem LCZ’.

Układ bramkujący AND’ wraz z układem sterowania bramkowaniem LCZ’ dopuszczają jedynie wybrane wartości losowe dostarczane do wejścia danych losowych układu sterującego r-US’. Na przykład układ sterowania bramkowaniem LCZ’ może być wykonany w postaci licznika, który będzie dopuszczał jedynie co którąś wartość losową.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 11 ma budowę taką jak układ z fig. 10, w którym wyjście bramki dodawania losowości XOR’ dołączone jest do wyjścia układu sterującego o-US’ przez dwuelementowy szereg złożony z elementów opóźniających EO.

Szereg elementów opóźniających EO wraz z bramką dodawania losowości XOR’ wprowadzają dodatkowe opóźnienie dla sygnału przekazywanego pomiędzy wejściem i-US’ i wyjściem o-US’ układu sterującego. Opóźnienie to wpływa na charakterystykę korekcji fazy w układzie. Miejsce dołączenia bramki dodawania losowości XOR’ względem elementów opóźniających EO, będące miejscem w szeregu elementów pomiędzy wejściem sygnałowym i-US’ a wyjściem układu sterującego o-US’, wpływa na moment wprowadzenia losowości do układu korekcji fazy.

Układ sterujący przedstawiony na fig. 12 jest połączeniem układów sterujących z fig. 10 oraz fig. 11, za wyjątkiem miejsca dołączenia bramki dodawania losowości XOR’ względem elementów opóźniających EO, która w tym układzie znajduje się pomiędzy elementami opóźniającymi.

Detektor fazy przedstawiony na fig. 13 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.

PL 237 197 B1

Detektor fazy przedstawiony na fig. 14 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.

Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 15 stanowi przerzutnik Pa o dwóch wejściach Da i Ca stanowiących wejścia i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM i wyjściu Qa stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego o-UM.

Przerzutnik Pa jest charakteryzuje się tym, że względne nieduże przesunięcia czasu pomiędzy zboczami dostarczanymi do wejść przerzutnika Da i Ca wprowadzają go w pracę w odpowiednim obszarze metastabilności, czego skutkiem jest losowy stan logiczny na wyjściu Qa.

Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 16 stanowi układ metastabilnościowy z oscylacyjną odpowiedzią impulsową UMOO o dwóch wejściach R i S stanowiących wejścia i1-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM i wyjściu wOO stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego o-UM.

Przerzutnik UMOO charakteryzuje się tym, że względne nieduże przesunięcia czasu pomiędzy zboczami dostarczanymi do wejść przerzutnika R i S wprowadzają go w pracę w odpowiednim obszarze metastabilności, czego skutkiem jest oscylacyjna odpowiedź przerzutnika o zmiennej liczbie oscylacji, a także losowym stanie logicznym na wyjściu wOO.

Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 17 ma budowę taką jak układ z fig. 16, przy czym wyjście wOO układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową UMOO dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego o-UM przez sumator SUM.

Sumator SUM pozwala na zsumowanie zmiennej liczby oscylacji pojawiającej się na wyjściu wOO.

Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 18 ma budowę taką jak układ z fig. 17, przy czym dodatkowo zawiera układ liczący LCZ, którego wyjścia dołączone są do kolejnych wejść sumatora SUM oraz którego wejście i-LCZ dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową wOO.

Licznik LCZ zlicza liczbę oscylacji pojawiającą się na wyjściu wOO, którą następnie sumuje sumator SUM. Dodatkowo w tym układzie uwzględniany jest stan logiczny na wyjściu wOO.

Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 19 zawiera generator metastabilnościowych interwałów czasowych GMIC, arbiter ARB oraz układ logiczny AND. Generator metastabilnościowych interwałów czasowych GMIC zawiera dwa przerzutniki Pb i Pc, każdy o dwóch wejściach Db i Cb oraz Dc i Cc jak również pojedynczych wyjściach Qb i Qc. Arbiter ARB zawiera dwa przerzutniki Pd i Pe, każdy o dwóch wejściach Dd i Cd oraz De i Ce jak również dwóch wyjściach Qd i nQd oraz Qe i nQe. Układ logiczny AND posiada dwa wejście i jedno wyjście. Wejścia przerzutników generatora metastabilnościowych interwałów czasowych GMIC dołączone są do wejść układu metastabilnościowego UM w taki sposób, że pierwsze wejście układu metastabilnościowego i1-UM dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika Db i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika Dc, a drugie wejście układu metastabilnościowego i2-UM dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika Cb i drugiego wejścia drugiego przerzutnika Cc. Wyjścia przerzutników Qb i Qc dołączone są do wejść przerzutników arbitra ARB w taki sposób, że wyjście pierwszego przerzutnika Qb dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra Dd i drugiego wejścia drugiego przerzutnika arbitra Ce, a wyjście drugiego przerzutnika Qc dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra Cd i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika arbitra De. Wyjście układu metastabilnościowego o-UM dołączone jest do wyjść przerzutników arbitra nQd i Qe przez układ logiczny AND. Wejścia układu logicznego AND dołączone są do drugiego wyjścia pierwszego przerzutnika arbitra nQd oraz pierwszego wyjścia drugiego przerzutnika arbitra Qe. Wyjście układu logicznego AND dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego o-UM.

PL 237 197 B1

Dostarczenie do przerzutników Pb i Pc generatora metastabilnościowych interwałów czasowych GMIC sygnałów cyfrowych o względne niedużych przesunięciach czasu pomiędzy zboczami dostarczanymi do wejść przerzutników, wywołuje w nich stany metastabilne, których rozwiązaniem są wartości logiczne pojawiające się na wyjściach Qb i Qc w różnych momentach czasu. Zarówno wartości logiczne jak i interwały czasowe są źródłami losowości o określonych właściwościach tych losowości. Arbiter porównuje czasy odpowiedzi przerzutników Pb i Pc, a wynik tego porównania - który jest wartością losową - jest interpretowany przez układ logiczny AND jako logiczne zero lub logiczna jedynka.

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

Claims (19)

1. Generator losowy zawierający układ metastabilnościowy, którego wyjście jest dołączone do wyjścia generatora losowego oraz zawierający dwa generatory pierścieniowe, których wyjścia dołączone są do wejść układu metastabilnościowego, znamienny tym, że posiada detektor fazy (DF), którego wejścia (i1-DF, i2-DF) dołączone są do wyjść generatorów pierścieniowych (o-GP, o-GPRS, o-GPRS’), oraz że przynajmniej jeden generator pierścieniowy jest generatorem pierścieniowym z regulowaną szybkością (GPRS, GPRS’), oraz że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością (s-GPRS).

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

3. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście detektora fazy (o-DF) dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z regulowaną szybkością (s-GPRS, s-GPRS’) przez układ sterujący (US’), oraz że do wejścia (r-US’) układu sterującego (US’) dołączone jest wyjście (o-UM) układu metastabilnościowego (UM).

4. 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.

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

6. Generator losowy według zastrz. 5, znamienny tym, że generator pierścieniowy z regulowaną szybkością (GPRS, GPRS’) zawiera dodatkowy element wprowadzający opóźnienie (C), dołączany do linii opóźniającej (LO) między wyjściem jednego elementu opóźniające (EO) i wejściem następnego przy pomocy klucza (KL, KL’), którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z regulowaną szybkością (s-GPRS, s-GPRS’).

7. 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.

8. Generator losowy według zastrz. 3, znamienny tym, że układ sterujący (US’) stanowi bramka dodawania losowości (XOR’), której pierwsze wejście stanowi wejście danych losowych układu sterującego (r-US’), drugie wejście stanowi wejście sygnałowe układu sterującego (i-US’), a wyjście bramki dodawania losowości (XOR’) stanowi wyjście układu sterującego (o-US’).

9. Generator losowy według zastrz. 8, znamienny tym, że pierwsze wejście bramki dodawania losowości (XOR’) dołączone jest do wejścia danych losowych układu sterującego (r-US’) przez układ bramkujący (AND’), oraz że do układu bramkującego (AND’) dołączony jest układ sterowania bramkowaniem (LCZ’).

PL 237 197 B1

10. Generator losowy według zastrz. 8, znamienny tym, że drugie wejście bramki dodawania losowości (XOR’) oraz jej wyjście połączone są w szereg z co najmniej jednym elementem opóźniającym (EO’), przy czym wejście pierwszego w szeregu elementu dołączone jest do wejścia sygnałowego układu sterującego (i-US’), a wyjście ostatniego w szeregu elementu dołączone jest do wyjścia układu sterującego (o-US’).

11. Generator losowy według zastrz. 8, znamienny tym, że pierwsze wejście bramki dodawania losowości (XOR’) dołączone jest do wejścia danych losowych układu sterującego (r-US’) przez układ bramkujący (AND’), oraz że do układu bramkującego (AND’) dołączony jest układ sterowania bramkowaniem (LCZ’), oraz że drugie wejście bramki dodawania losowości (XOR’) oraz jej wyjście połączone są w szereg z co najmniej jednym elementem opóźniającym (EO’), przy czym wejście pierwszego w szeregu elementu dołączone jest do wejścia sygnałowego układu sterującego (i-US’), a wyjście ostatniego w szeregu elementu dołączone jest do wyjścia układu sterującego (o-US’).

12. 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).

13. 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).

14. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że układ metastabilnościowy (UM) stanowi przerzutnik (Pa) o dwóch wejściach (Da, Ca) stanowiących wejścia układu metastabilnościowego (i1-UM, i2-UM) i wyjściu (Qa) stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego (o-UM).

15. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że układ metastabilnościowy (UM) stanowi układ metastabilnościowy z oscylacyjną odpowiedzią impulsową (UMOO) o dwóch wejściach (R, S) stanowiących wejścia układu metastabilnościowego (i1-UM, i2-UM) i wyjściu (wOO) stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego (o-UM).

16. Generator losowy według zastrz. 15, znamienny tym, że wyjście układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową (wOO) dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego (o-UM) przez sumator (SUM).

17. Generator losowy według zastrz. 16, znamienny tym, że zawiera układ liczący (LCZ), którego wyjścia dołączone są do kolejnych wejść sumatora (SUM), a którego wejście (i-LCZ) dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową (wOO).

18. Generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że układ metastabilnościowy (UM) zawiera generator metastabilnościowych interwałów czasowych (GMIC) o wejściach dołączonych do wejść układu metastabilnościowego (i1-UM, i2-UM) oraz wyjściach dołączonych do wejść arbitra (ARB), którego wyjścia dołączone są do wyjść układu metastabilnościowego (oUM) przez układ logiczny (AND).

19. Generator losowy według zastrz. 18, znamienny tym, że generator metastabilnościowych interwałów czasowych (GMIC) zawiera dwa przerzutniki (Pb), (Pc) o dwóch wejściach (Db, Cb), (Dc, Cc) i pojedynczych wyjściach (Qb), (Qc), przy czym wejścia przerzutników generatora metastabilnościowych interwałów czasowych (GMIC) dołączone są do wejść układu metastabilnościowego (UM) w taki sposób, że pierwsze wejście układu metastabilnościowego (i1-UM) dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika (Db) i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika (Dc), drugie wejście układu metastabilnościowego (i2-UM) dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika (Cb) i drugiego wejścia drugiego przerzutnika (Cc), oraz że arbiter (ARB) zawiera dwa przerzutniki (Pd), (Pe) o dwóch wejściach (Dd, Cd), (De, Ce) i dwóch wyjściach (Qd, nQd), (Qe, nQe) każdy, przy czym wyjścia przerzutników generatora metastabilnościowych interwałów czasowych

PL237 197 Β1 (GMIC) dołączone są do wejść przerzutników arbitra (ARB) w taki sposób, że wyjście pierwszego przerzutnika generatora metastabilnościowych interwałów czasowych (Qb) dołączone jest jednocześnie do pierwszego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra (Dd) i drugiego wejścia drugiego przerzutnika arbitra (Ce), wyjście drugiego przerzutnika generatora metastabilnościowych interwałów czasowych (Qc) dołączone jest jednocześnie do drugiego wejścia pierwszego przerzutnika arbitra (Cd) i pierwszego wejścia drugiego przerzutnika arbitra (De), oraz że układ logiczny (AND) stanowi bramka koniunkcji, przez którą wybrane wyjścia przerzutników arbitra (nQd, Qe) dołączone są do wyjścia układu metastabilnościowego (o-UM).