PL242251B1 - random generator - Google Patents
random generator Download PDFInfo
- Publication number
- PL242251B1 PL242251B1 PL426575A PL42657518A PL242251B1 PL 242251 B1 PL242251 B1 PL 242251B1 PL 426575 A PL426575 A PL 426575A PL 42657518 A PL42657518 A PL 42657518A PL 242251 B1 PL242251 B1 PL 242251B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- metastability
- output
- generator
- gpsp
- inputs
- Prior art date
Links
Abstract
Generator losowy (GL) zawiera generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji (GPSP, GPSP') mają wyjścia (o-GPSP, o GPSP') dołączone do wejść (i1 UM, i2-UM) układu metastabilnościowego (UM), którego wyjście (o-UM) jest dołączone do wyjścia (o-GL) generatora losowego (GL) oraz do wejść sterujących (s-GPSP, s-GPSP') generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji (GPSP, GPSP') przez układ sterujący (US).Random generator (GL) includes ring generators with switched propagation paths (GPSP, GPSP') have outputs (o-GPSP, o GPSP') connected to inputs (i1 UM, i2-UM) of the metastability system (UM) whose output (o -UM) is connected to the output (o-GL) of the random generator (GL) and to the control inputs (s-GPSP, s-GPSP') of ring generators with switched propagation paths (GPSP, GPSP') by the control circuit (US).
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest generator losowy przeznaczony zwłaszcza do generacji liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych.The subject of the invention is a random generator designed especially for generating truly random numbers and sequences.
Znany jest w stanie techniki, np. z publikacji Piotra Z. Wieczorka i Krzysztofa Gołofita, „True Random Number Generator Based on Flip-Flop Resolve Time Instability Boosted by Random Chaotic Source”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Volume 65, Issue 4, pp. 1279-1292, 2018, DOI: 10.1109/TCSI.2017.2751144, generator losowy, który zawiera dwa generatory pierścieniowe z przełączanymi ścieżkami propagacji, do których wyjść dołączony jest detektor fazy, którego wyjście dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji przez układ sterujący w postaci szeregu inwerterów. Do wyjść generatorów pierścieniowych z przełączanymi ścieżkami propagacji dołączony jest także układ metastabilnościowy, którego wyjście stanowi wyjście generatora losowego. Generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji zawierają multiplekser i dwie linie opóźniające połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii opóźniającej dołączone jest do wejścia drugiej linii opóźniającej, a wyjście drugiej linii dołączone jest do wyjścia generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji. Multiplekser ma wejście sterujące dołączone do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, wyjście dołączone do wejścia pierwszej linii opóźniającej, a wejścia dołączone do wejścia i wyjścia drugiej linii opóźniającej. Linie opóźniające zawierają elementy opóźniające połączone w szeregi.It is known in the state of the art, e.g. from the publication of Piotr Z. Wieczorek and Krzysztof Gołofit, "True Random Number Generator Based on Flip-Flop Resolve Time Instability Boosted by Random Chaotic Source", IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Volume 65, Issue 4, pp. 1279-1292, 2018, DOI: 10.1109/TCSI.2017.2751144, a random generator that includes two ring generators with switched propagation paths, the outputs of which are connected to a phase detector whose output is connected to the control inputs of the ring generators with switched propagation paths through the system control system in the form of a series of inverters. The outputs of ring generators with switched propagation paths are also connected to a metastability circuit whose output is a random generator output. The propagation path switched ring generator includes a multiplexer and two delay lines connected together such that the output of the first delay line is connected to the input of the second delay line and the output of the second line is connected to the output of the propagation path switched ring generator. The multiplexer has a control input connected to the control input of the propagation path switched ring generator, an output connected to the input of the first delay line, and inputs connected to the input and output of the second delay line. Delay lines contain delay elements connected in series.
Znany jest w stanie techniki, 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. Generator pierścieniowy składa się z linii opóźniającej zamkniętej w pętlę, której wejście i wyjście są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora losowego. Linia opóźniają ca składa się z elementów opóźniających połączonych w szereg i włączonych pomiędzy wejściem i wyjściem tej linii. Wadą takiego generatora losowego jest jego mała szybkość związana z rzadko występującymi zdarzeniami mogącymi zainicjować metastabilną pracę układu metastabilnościowego, co wynika z wolno kroczących przypadkowych zmian fazy (ang. random walk in phase lub phase walk).It is known in the state of the art, e.g. from the publication of Piotr Z. Wieczorek, "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, a random generator that includes two ring generators and a metastability circuit. The outputs of the ring generators are connected to the inputs of the metastability circuit, while the output of the metastability circuit is the output of the random generator. The ring generator consists of a looped delay line whose input and output are connected to each other and connected to the output of the random generator. The delay line consists of delay elements connected in series and connected between the input and output of this line. The disadvantage of such a random generator is its low speed associated with rare events that may initiate the metastable operation of the metastability system, which results from slowly moving random phase changes (random walk in phase or phase walk).
Z publikacji niemieckiego zgłoszenia patentowego nr DE19618098 oraz z publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US2011169580, znane są generatory losowe, w których wyjścia dwóch generatorów pierścieniowych dołączone są do wejść detektora fazy, natomiast wyjście detektora fazy jest wyjściem generatora losowego. Wadą takich generatorów losowych jest mała losowość i mała szybkość działania takich układów związana z wolnymi przypadkowymi zmianami fazy.From German Patent Application Publication No. DE19618098 and US Patent Application Publication No. US2011169580, random generators are known in which the outputs of two ring generators are connected to the inputs of the phase detector, while the output of the phase detector is the output of the random generator. The disadvantage of such random generators is the low randomness and low speed of operation of such systems associated with slow random phase changes.
Ze stanu techniki, np. z publikacji amerykańskich zgłoszeń patentowych nr US5153532, US2002156819 i US2006069706, znane są generatory losowe, w których zastosowano sumowanie przy użyciu bramki XOR - sygnałów wyjściowych z dwóch lub wielu generatorów pierścieniowych.From the state of the art, for example from US Patent Application Publication Nos. US5153532, US2002156819 and US2006069706, random generators are known in which the XOR gate summation of the output signals from two or more ring generators is used.
Z publikacji patentu amerykańskiego nr US5007087, znana jest konstrukcja generatora losowego oparta na analogowym układzie chaotycznym z ciągłymi zmiennymi. Wadą takich generatorów jest to, że nie da się ich zaimplementować w cyfrowych układach programowalnych, a w związku z tym trudno jest wykorzystać do ich produkcji współczesne linie technologiczne.From US patent publication No. US5007087, a random generator design based on an analog chaotic system with continuous variables is known. The disadvantage of such generators is that they cannot be implemented in digital programmable systems, and therefore it is difficult to use modern technological lines for their production.
Z publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego o numerze US2014101217, znana jest konstrukcja generatora losowego oparta na cyfrowym układzie chaotycznym, w którym sprzężenie zwrotne ma charakter dyskretny. Wadą takich generatorów jest to, że mają skończoną liczbę stanów układu.From the publication of the American patent application number US2014101217, a construction of a random generator based on a digital chaotic system is known, in which the feedback is discrete. The disadvantage of such generators is that they have a finite number of system states.
Z publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego o numerze US2004264233, znany jest generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji, który zawiera dwie linie opóźniające połączone ze sobą tak, że wyjście pierwszej linii dołączone jest do wejścia drugiej linii, której wejście i wyjści e dołączone są do sterowanego klucza przełączającego, którego wyjście dołączone jest do wejścia pierwszej linii. Linie opóźniające zawierają elementy opóźniające połączone w szeregi.US2004264233 discloses a ring generator with a switched propagation path which comprises two delay lines connected together such that the output of the first line is connected to the input of a second line whose input and output are connected to a controlled switching key whose output is connected to the input of the first line. Delay lines contain delay elements connected in series.
Celem wynalazku jest wywołanie pracy chaotycznej i odpowiedzi metastabilnościowej, jak również zmniejszenie liczby elementów i kosztów implementacyjnych układu.The aim of the invention is to induce chaotic operation and metastability response, as well as to reduce the number of elements and implementation costs of the system.
Istota wynalazku polega na tym, że generator losowy zawierający układ metastabilnościowy, którego wyjście jest dołączone do wyjścia generatora losowego oraz zawierający przynajmniej dwa gene ratory pierścieniowe, których wyjścia dołączone są do wejść układu metastabilnościowego oraz przynajmniej jeden z generatorów pierścieniowych stanowi generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji z wejściem sterującym, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że wyjście układu metastabilnościowego dołączone jest do wejścia sterującego przynajmniej jednego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji. Takie rozwiązanie zapewnia trzy korzystne skutki. Po pierwsze, dla przesunięć fazowych nie mieszczących się w oknie metastabilnościowym układ metastabilnościowy realizuje detekcję fazy i służy do korekcji fazy dołączonych do jego wejść generatorów pierścieniowych. Po drugie, dla przesunięć fazowych mieszczących się w oknie metastabilnościowym układ metastabilnościowy zapewnia losową wartość na swoim wyjściu i wskutek tego wprowadza przypadkową zmianę fazy, czym różni się od detektora fazy. Po trzecie, układ metastabilnościowy wprowadza do pętli sprzężenia zwrotnego opóźnienie, co rozszerza zakres występujących przesunięć fazowych w dołączonych do jego wejść generatorach pierścieniowych.The essence of the invention is that a random generator comprising a metastability circuit whose output is connected to the output of the random generator and comprising at least two ring generators whose outputs are connected to the inputs of the metastability circuit and at least one of the ring generators is a ring generator with a switched propagation path With a control input, according to the invention, it is characterized in that the output of the metastability circuit is connected to the control input of at least one ring generator with a switched propagation path. This solution provides three beneficial effects. Firstly, for phase shifts outside the metastability window, the metastability circuit performs phase detection and is used to correct the phase of the ring generators connected to its inputs. Second, for phase shifts within the metastability window, the metastability circuit provides a random value at its output and thus introduces a random phase change, which is different from a phase detector. Thirdly, the metastability system introduces a delay into the feedback loop, which extends the range of phase shifts in the ring generators connected to its inputs.
Korzystnie wyjście układu metastabilnościowego dołączone jest do przynajmniej jednego wejścia sterującego generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji przez układ sterujący. Układ sterujący modyfikuje sygnał sprzężenia zwrotnego, co poprawia pracę układu chaotycznego.Preferably, the output of the metastability circuit is connected to at least one control input of ring generators with a switched propagation path through the control circuit. The control system modifies the feedback signal, which improves the operation of the chaotic system.
Korzystnie, przynajmniej jeden generator pierścieniowy zawiera przynajmniej jedną linię opóźniającą, której wejście i wyjście są ze sobą połączone i dołączone do wyjścia generatora pierścieniowego, przy czym linia opóźniająca zawiera elementy opóźniające połączone w szereg.Preferably, the at least one ring generator comprises at least one delay line whose input and output are connected to each other and connected to the output of the ring generator, the delay line comprising delay elements connected in series.
Korzystnie, generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji zawiera 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, przy czym linie opóźniające zawierają elementy opóźniające połączone w szeregi.Preferably, the propagation switched path ring generator comprises at least two delay lines coupled such that the output of the first delay line is connected to the input of the second delay line and the output of one of the delay lines is connected to the output of the switched path propagation ring generator, with wherein the delay lines contain delay elements connected in series.
Korzystnie, generator pierścieniowy z przełączaną ścieżką propagacji zawiera przynajmniej jeden multiplekser, którego wejście sterujące dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji, oraz którego wyjście dołączone jest do wejścia jednej linii opóźniającej, oraz którego wejścia dołączone są wejścia i wyjścia innej linii opóźniającej.Preferably, the propagation path switched ring generator comprises at least one multiplexer whose control input is connected to the control input of the propagation path switched ring generator and whose output is connected to the input of one delay line and whose inputs are connected to the inputs and outputs of another delay line .
Korzystnie, układ sterujący zawiera przynajmniej jeden element opóźniający. Opóźnienie w pętli sprzężenia zwrotnego, wprowadzane łącznie przez układ sterujący oraz układ metastabilnościowy, powoduje szerszy zakres przesunięć fazowych między generatorami pierścieniowymi.Preferably, the control system comprises at least one delay element. The delay in the feedback loop, introduced jointly by the control system and the metastability system, causes a wider range of phase shifts between the ring generators.
Korzystnie, układ metastabilnościowy stanowi przerzutnik o dwóch wejściach stanowiących wejścia układu metastabilnościowego i wyjściu stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego.Preferably, the metastability circuit is a flip-flop with two inputs constituting the inputs of the metastability circuit and an output constituting the output of the metastability circuit.
Alternatywnie, układ metastabilnościowy zawiera układ metastabilnościowy z oscylacyjną odpowiedzią impulsową o dwóch wejściach stanowiących wejścia układu metastabilnościowego i wyjściu stanowiącym wyjście układu metastabilnościowego.Alternatively, the metastability circuit comprises a metastability circuit with an oscillatory impulse response having two inputs being the inputs of the metastability circuit and an output constituting the output of the metastability circuit.
Korzystnie, wyjście układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego przez sumator.Preferably, the output of the metastability circuit with the oscillatory impulse response is connected to the output of the metastability circuit via an adder.
Korzystnie, układ metastabilnościowy zawiera układ liczący, którego wyjścia dołączone są do kolejnych wejść sumatora, a którego wejście dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową.Preferably, the metastability circuit includes a counting circuit, the outputs of which are connected to successive inputs of the adder, and the input of which is connected to the output of the metastability circuit with an oscillatory impulse response.
Alternatywnie, układ metastabilnościowy zawiera generator metastabilnościowych interwałów czasowych o wejściach dołączonych do wejść układu metastabilnościowego oraz wyjściach dołączonych do wejść arbitra, którego wyjścia dołączone są do wyjść układu metastabilnościowego przez układ logiczny.Alternatively, the metastability circuit includes a generator of metastability time intervals with inputs connected to the inputs of the metastability circuit and outputs connected to the inputs of an arbiter whose outputs are connected to the outputs of the metastability circuit by a logic circuit.
Korzystnie, generator metastabilnościowych interwałów czasowych zawiera dwa przerzutniki o dwóch wejściach i pojedynczych wyjściach, przy czym 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, natomiast arbiter zawiera dwa przerzutniki o dwóch wejściach i dwóch wyjściach każdy, przy czym 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, zaś układ logiczny stanowi bramka koniunkcji, przez którą wybrane wyjścia przerzutników arbitra dołączone są do wyjścia układu metastabilnościowego.Preferably, the metastability time interval generator includes two flip-flops with two inputs and single outputs, where the inputs of the metastability time interval generator flip-flops are connected to the inputs of the metastability circuit in such a way that the first input of the metastability circuit is simultaneously connected to the first input of the first flip-flop and the first input of the metastability time interval generator. second flip-flop, the second input of the metastability circuit is connected simultaneously to the second input of the first flip-flop and the second input of the second flip-flop, and the arbiter comprises two flip-flops with two inputs and two outputs each, the outputs of the flip-flops of the metastability time interval generator are connected to the inputs of the arbitrator flip-flops in such a way the way that the output of the first flip-flop of the metastability time interval generator is simultaneously connected to the first input of the first flip-flop ar and the second input of the second arbitrator flip-flop, the output of the second flip-flop of the generator of metastability time intervals is simultaneously connected to the second input of the first arbitrary flip-flop and the first input of the second arbitrator, and the logic system is a conjunction gate through which the selected outputs of the arbitrator flip-flops are connected to the output of the metastability circuit .
Dzięki zastosowaniu konstrukcji generatora według wynalazku uzyskuje się zaburzenie pracy chaotycznej losowymi zdarzeniami, co stanowi synergistyczny rezultat jednoczesnej realizacji detekcji fazy i generacji liczb losowych wynikających z rozwiązania procesu metastabilnościowego.Thanks to the use of the generator design according to the invention, the chaotic operation is disturbed by random events, which is a synergistic result of the simultaneous implementation of phase detection and random number generation resulting from the solution of the metastability process.
Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z generatorem pierścieniowym, generatorem pierścieniowym z przełączaną ścieżką propagacji i układem metastabilnościowym, fig. 2 przedstawia schemat blokowy generatora losowego z dwoma generatorami pierścieniowymi z przełączaną ścieżką propagacji, układem sterującym i układem metastabilnościowym, 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 układu metastabilnościowego zbudowanego z przerzutnika, fig. 8 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową, fig. 9 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową oraz sumatora, fig. 10 przedstawia schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową, sumatora i układu liczącego, natomiast fig. 11 - schemat blokowy układu metastabilnościowego zbudowanego z generatora metastabilnościowych interwałów czasowych oraz arbitra.The subject of the invention is presented in an example embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of a random generator with a ring generator, a ring generator with a switched propagation path and a metastability system, Fig. 2 shows a block diagram of a random generator with two ring generators with a switched propagation path control system and metastability system, Fig. 3 shows a block diagram of a ring generator, Fig. 4 shows a block diagram of a first propagation path switched ring generator, Fig. 5 shows a block diagram of a second propagation path switched ring generator, Fig. 6 shows a block diagram of a control system built of delay elements, Fig. 7 shows a block diagram of a metastability system built of a flip-flop, Fig. 8 shows a block diagram of a metastability system built of a metastability system with an oscillatory impulse response, Fig. 9 shows a block diagram of a metastability system consisting of a metastability system with an oscillatory impulse response and an adder, Fig. 10 shows a block diagram of a metastability system consisting of a metastability system with an oscillatory impulse response, an adder and a counting system, and Fig. 11 - a block diagram of a metastability system built of a generator of metastability time intervals and an arbiter.
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-UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM. Wyjście układu metastabilnościowego o-UM dołączone jest do wejścia sterującego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji s-GPSP oraz do wyjścia o-GL generatora losowego GL.The random generator shown in Fig. 1 includes a GP ring generator and a GPSP switched propagation path ring generator whose outputs o-GP and o-GPSP are connected to inputs i1-UM and i2-UM of the UM metastability circuit. The output of the o-UM metastability circuit is connected to the control input of the ring generator with switched s-GPSP propagation path and to the o-GL output of the GL random generator.
Dla większych niż małe przesunięć fazowych sygnałów pochodzących z generatora pierścieniowego GP i generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, układ metastabilnościowy realizuje funkcję detekcji znaku fazy pomiędzy sygnałami tych generatorów. W zależności od tego znaku układ metastabilnościowy UM przełącza częstotliwość generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP cyklicznie synchronizując fazę obydwu generatorów pierścieniowych GP i GPSP. Dzięki takiemu sprzężeniu zwrotnemu układ złożony z generatorów pierścieniowych GP i GPSP oraz układu metastabilnościowego UM może pracować w sposób chaotyczny. Natomiast dla małych przesunięć fazowych sygnałów pochodzących z generatora pierścieniowego GP i generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP - tj. dla zboczy sygnałów generatora pojawiających się równocześnie lub prawie równocześnie, układ metastabilnościowy generuje na swoim wyjściu wartość losową, przez co korekcja fazy ma charakter także losowy. Im wolniejszy jest układ metastabilnościowy, tym większe przesunięcia fazowe inicjują powstanie zjawisk metastabilnych, które wpływają na losowość działania układu chaotycznego. Dodatkowo, z racji tego, że typowy układ metastabilnościowy używany do detekcji fazy jest wolniejszy od typowego detektora fazy, układ metastabilnościowy wprowadza do pętli sprzężenia zwrotnego opóźnienie, co rozszerza zakres możliwych do uzyskania różnic fazowych pomiędzy dołączonymi do jego wejść generatorami pierścieniowymi.For greater than small phase shifts of the signals coming from the GP ring generator and the GPSP ring generator with a switched propagation path, the metastability circuit performs the phase sign detection function between the signals of these generators. Depending on this sign, the metastability circuit UM switches the frequency of the ring generator with the switched propagation path GPSP cyclically synchronizing the phase of both GP and GPSP ring generators. Thanks to such feedback, the system consisting of GP and GPSP ring generators and the UM metastability system can work in a chaotic manner. On the other hand, for small phase shifts of the signals coming from the GP ring generator and the ring generator with a switched propagation path GPSP - i.e. for the generator signal edges appearing simultaneously or almost simultaneously, the metastability circuit generates a random value at its output, so that the phase correction is also random . The slower the metastability system is, the greater the phase shifts initiate the formation of metastable phenomena that affect the randomness of the operation of the chaotic system. In addition, due to the fact that a typical metastability circuit used for phase detection is slower than a typical phase detector, the metastability circuit introduces a delay into the feedback loop, which extends the range of achievable phase differences between the ring generators connected to its inputs.
Generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera dwa generatory pierścieniowe z przełączaną ścieżką propagacji GPSP i GPSP’, których wyjścia o-GPSP i o-GPSP’ dołączone są do wejść i1- UM i i2-UM układu metastabilnościowego UM. Wyjście układu metastabilnościowego o-UM dołączone jest do wejścia i-US układu sterującego US, a wyjście układu sterującego o-US dołączone jest do wejść sterujących generatorów pierścieniowych z przełączaną ścieżką propagacji s-GPSP i s-GPSP’. Wyjście o-UM układu metastabilnościowego UM dołączone jest także do wyjścia o-GL generatora losowego GL.The random generator shown in Fig. 2 includes two ring generators with switched propagation path GPSP and GPSP' whose outputs o-GPSP and o-GPSP' are connected to inputs i1-UM and i2-UM of the metastability circuit UM. The output of the o-UM metastability circuit is connected to the i-US input of the US control circuit, and the output of the o-US control circuit is connected to the control inputs of the ring generators with the s-GPSP and s-GPSP' propagation path switched. The output o-UM of the metastability circuit UM is also connected to the output o-GL of the random generator GL.
Zastosowanie drugiego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP’, pracującego przeciwnie w stosunku do pierwszego generatora pierścieniowego z przełączaną ścieżką propagacji GPSP, poprawia zbieżność korekcji fazy sygnałów pochodzących z tych generatorów. Natomiast dodatkowe opóźnienie wprowadzane przez układ sterujący US do pętli sterowania fazą generatorów powoduje dodatkowe opóźnienie w korekcji fazy, a przez to większy zakres możliwych do uzyskania różnic fazowych sygnałów pochodzących z tych generatorów.The use of a second GPSP' ring generator operating in the opposite direction to the first GPSP ring generator improves the convergence of the phase correction of the signals coming from these generators. On the other hand, the additional delay introduced by the control system US to the phase control loop of the generators causes an additional delay in the phase correction, and thus a greater range of achievable phase differences of the signals coming from these generators.
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.The ring generator shown in Fig. 3 includes a delay line LO whose input i-LO and output o-LO are connected to each other and connected to the output o-GP of the ring generator GP. The delay line LO includes delay elements EO connected in series.
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.).The number of delay elements and the delay introduced by each delay element determine the fundamental operating frequency of the GP ring generator. The fundamental frequency is burdened with instability, resulting from physical phenomena - typical for electronic systems (noise phenomena, thermal phenomena, jitter, etc.).
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.The propagation path switched ring generator shown in Fig. 4 includes two delay lines LO1 and LO2 and a MUX. The delay lines LO1 and LO2 are connected in series so that the output of the first delay line o-LO1 is connected to the input of the second delay line i-LO2. The output of the second line o-LO2 is connected to the o-GPSP output of the ring generator with switched GPSP propagation path. The delay lines LO1 and LO2 each contain delay elements EO connected in series. The MUX multiplexer has two inputs i0-MUX and i1-MUX, which are connected to the outputs of delay lines o-LO1 and O-LO2. The output of the o-MUX multiplexer is connected to the input of the first i-LO1 delay line. The control input of the s-MUX multiplexer is connected to the control input of the s-GPSP generator.
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.).The GPSP generator has two basic operating frequencies, and the selection of one of them is made by the control signal of the s-GPSP generator. The basic operating frequencies depend on the number of EO delay elements that make up each of the LO1 and LO2 delay lines, on the delays introduced by each EO delay element, and on the delay introduced by the MUX. Fundamental frequencies are burdened with instability resulting from physical phenomena - typical for electronic systems (noise phenomena, thermal phenomena, jitter, etc.).
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 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.The propagation path switched ring generator shown in Fig. 5 has the same structure as that of Fig. 4 except that the inputs i0-MUX and i1-MUX of the MUX are connected to the outputs of the delay lines o-LO1 and O-LO2 on retreat. Reverse connection of the delay line outputs to the inputs of the multiplexer causes that the selected operating frequency of the GPSP' generator is opposite to the frequency selected in the GPSP generator.
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.The control circuit shown in Fig. 6 includes a two-element series of delay elements EO connected between the input i-US and the output o-US of the control circuit US.
Szereg elementów opóźniających EO wprowadza opóźnienie w sprzężeniu zwrotnym, tj. opóźnienie w przekazywaniu sygnału sterowania korekcją fazy, dzięki czemu zwiększa zakres przesunięć fazowych. Opóźnienie to jest dobierane łącznie z opóźnieniem wprowadzanym przez układ metastabilnościowy.A series of EO delay elements introduces a delay in the feedback, i.e. a delay in the transmission of the phase correction control signal, thus increasing the range of phase shifts. This delay is selected together with the delay introduced by the metastability system.
Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 7 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.The metastability circuit shown in Fig. 7 is a Pa flip-flop with two inputs Da and Ca as the inputs i1-UM and i2-UM of the metastability circuit UM and the output Qa as the output of the metastability circuit o-UM.
Przerzutnik Pa 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. Rodzaj przerzutnika - np. przerzutnik typu „D”, przerzutnik „RS”, przerzutnik „JK” itp. - ma drugorzędne znaczenie dopóki przerzutnik spełnia dwa warunki: po pierwsze wykrywa pierwszeństwo zboczy sygnałów wejściowych, a po drugie zapewnia losową odpowiedź na swoim wyjściu w przypadku odpowiedniej bliskości zboczy sygnałów wejściowych.The Pa flip-flop is characterized in that the relative small time shifts between the edges supplied to the inputs of the flip-flop Da and Ca put it into operation in the appropriate metastability region, resulting in a random logical state at the output Qa. The type of flip-flop - e.g. "D" flip-flop, "RS" flip-flop, "JK" flip-flop, etc. - is of secondary importance as long as the flip-flop satisfies two conditions: first, it detects the precedence of the input signals' edges, and second, it provides a random response at its output in in the case of appropriate proximity to the edges of the input signals.
Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 8 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.The metastability circuit shown in Fig. 8 is a metastability circuit with oscillatory impulse response UMOO with two inputs R and S as inputs i1-UM and i2-UM of the metastability circuit UM and output wOO as the output of the metastability circuit 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.The UMOO flip-flop is characterized in that the relative small time shifts between the edges supplied to the inputs of the R and S flip-flop bring it into operation in the appropriate metastability region, resulting in an oscillating response of the flip-flop with a variable number of oscillations and a random logic state at the output wOO.
Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 9 ma budowę taką jak układ z fig. 8, przy czym wyjście wOO układu metastabilnościowego z oscylacyjną odpowiedzią impulsową UMOO dołączone jest do wyjścia układu metastabilnościowego o-UM przez sumator SUM.The metastability circuit shown in Fig. 9 has the structure of the circuit in Fig. 8, wherein the output wOO of the metastability circuit with oscillatory impulse response UMOO is connected to the output of the metastability circuit o-UM through the adder SUM.
Sumator SUM pozwala na zsumowanie zmiennej liczby oscylacji pojawiającej się na wyjściu wOO.The SUM adder allows you to sum a variable number of oscillations appearing at the wOO output.
Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 10 ma budowę taką jak układ z fig. 9, 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.The metastability circuit shown in Fig. 10 has the same structure as the circuit in Fig. 9, but it additionally includes a counting circuit LCZ whose outputs are connected to successive inputs of the SUM adder and whose i-LCZ input is connected to the output of the metastability circuit with an oscillatory impulse response 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.The LCZ counter counts the number of oscillations appearing at the wOO output, which is then summed up by the SUM adder. In addition, in this system, the logical state at the wOO output is taken into account.
Układ metastabilnościowy przedstawiony na fig. 11 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.The metastability circuit shown in Fig. 11 includes a GMIC metastability time interval generator, an ARB arbiter, and an AND logic circuit. The GMIC metastability time interval generator includes two flip-flops Pb and Pc, each with two inputs Db and Cb and Dc and Cc, as well as single outputs Qb and Qc. The ARB arbiter includes two flip-flops, Pd and Pe, each with two inputs Dd and Cd and De and Ce, as well as two outputs Qd and nQd and Qe and nQe. AND logic has two inputs and one output. The inputs of the GMIC metastability generator flip-flops are connected to the inputs of the UM metastability circuit in such a way that the first input of the i1-UM metastability circuit is simultaneously connected to the first input of the first Db flip-flop and the first input of the second Dc flip-flop, and the second input of the i2-UM metastability circuit is simultaneously connected to the second input of the first Cb flip-flop and the second input of the second Cc flip-flop. The outputs of the Qb and Qc flip-flops are connected to the inputs of the ARB flip-flops in such a way that the output of the first Qb flip-flop is simultaneously connected to the first input of the first arbiter Dd and the second input of the second arbiter Ce, and the output of the second Qc flip-flop is simultaneously connected to the second input the first arbiter flip-flop Cd and the first input of the second arbiter flip-flop De. The output of the o-UM metastability circuit is connected to the outputs of the nQd and Qe arbitrator flip-flops via AND logic. The inputs of the AND logic are connected to the second output of the first arbiter flip-flop nQd and the first output of the second arbiter Qe. The output of the AND logic circuit is connected to the output of the o-UM metastability circuit.
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.Supplying to the Pb and Pc flip-flops of the GMIC metastability time interval generator digital signals with relatively small time shifts between the edges supplied to the flip-flop inputs causes metastable states in them, the solution of which are logical values appearing at the Qb and Qc outputs at different times. Both logical values and time intervals are sources of randomness with specific properties of these randomnesses. The arbiter compares the response times of the Pb and Pc flip-flops, and the result of this comparison - which is a random value - is interpreted by the AND logic as logical zero or logical one.
Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych.The invention can be used in the generation of truly random numbers and sequences.
Unikalną cechą wynikającą z zastosowania wynalazku jest to, że bardzo prosta konstrukcja jednocześnie: wywołuje pracę chaotyczną układu, wywołuje sporadyczne losowe odpowiedzi metastabilnościowe, zaburza tymi losowymi zdarzeniami pracę chaotyczną, jak również zmniejsza liczbę potrzebnych elementów opóźniających w układzie sterującym z powodu opóźnień wprowadzanych przez układ metastabilnościowy. Tak synergiczne połączenie elementów układu i zmniejszenie jego kosztów implementacyjnych oraz współdzielona realizacja funkcji detekcji fazy i generacji liczb losowych wynikających z rozwiązania procesu metastabilnościowego przeczy wiedzy znawców z dziedziny generatorów losowych.The unique feature resulting from the application of the invention is that the very simple design simultaneously: causes chaotic operation of the system, causes occasional random metastability responses, disturbs the chaotic operation with these random events, and reduces the number of delay elements needed in the control system due to delays introduced by the metastability system . Such a synergistic combination of system elements and reduction of its implementation costs as well as shared implementation of the phase detection and random number generation functions resulting from the solution of the metastability process contradicts the knowledge of experts in the field of random generators.
Claims (12)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/637,351 US11366640B2 (en) | 2017-08-08 | 2018-08-07 | Random number generator with a bistable and ring oscillators |
| PL426575A PL242251B1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | random generator |
| PCT/IB2018/055937 WO2019030667A1 (en) | 2017-08-08 | 2018-08-07 | Random number generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426575A PL242251B1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | random generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL426575A1 PL426575A1 (en) | 2020-02-10 |
| PL242251B1 true PL242251B1 (en) | 2023-02-06 |
Family
ID=69399829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL426575A PL242251B1 (en) | 2017-08-08 | 2018-08-07 | random generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL242251B1 (en) |
-
2018
- 2018-08-07 PL PL426575A patent/PL242251B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL426575A1 (en) | 2020-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6924684B1 (en) | Counter-based phase shifter circuits and methods with optional duty cycle correction | |
| NL1029510C2 (en) | Lock detection circuit of phase locked loop circuit used in e.g. frequency synthesizer, generates lock detection signal by counting input signal, when lock window entry detection signal is continuously enabled for set time period | |
| WO2007019339A2 (en) | Clock-and-data-recovery system | |
| US6538516B2 (en) | System and method for synchronizing multiple phase-lock loops or other synchronizable oscillators without using a master clock signal | |
| JP2023503753A (en) | Digital transceiver for data transmission driven by a synchronous spread spectrum clock signal | |
| US7358782B2 (en) | Frequency divider and associated methods | |
| JP2009524319A (en) | Frequency divider circuit | |
| PL242251B1 (en) | random generator | |
| US10742220B1 (en) | Method and apparatus for operating programmable clock divider using reset paths | |
| US11366640B2 (en) | Random number generator with a bistable and ring oscillators | |
| JP7255790B2 (en) | semiconductor equipment | |
| US8132039B1 (en) | Techniques for generating clock signals using counters | |
| US10230381B2 (en) | Frequency divider | |
| PL242884B3 (en) | Random-number generator | |
| PL235109B1 (en) | Random-number generator | |
| KR20100101448A (en) | Clock dividing cicuit | |
| PL242252B1 (en) | random generator | |
| PL237196B1 (en) | Random generator | |
| WO1997040576A1 (en) | Frequency multiplier | |
| JP5158764B2 (en) | Phase shift method and circuit | |
| PL237197B1 (en) | Random generator | |
| PL236965B1 (en) | Random generator | |
| PL241526B1 (en) | Random number generator | |
| GB2368473A (en) | Modified clock signal generator | |
| PL235107B1 (en) | Random-number generator |