[发明专利]一种基于数字电路的真随机数发生器

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域和信息安全领域，具体涉及一种以振荡采样法为基本工作原理，主要结构采用数字单元构成的真随机数发生器，可应用于各种信息安全领域的加密系统中，用于产生可靠的真随机数序列。

背景技术

随着通信、电子信息、计算机互联网等领域的飞速发展，信息交流越来越频繁和紧密，信息安全问题越来越受到人们的关注。随机数发生器作为安全芯片中一个重要模块在保密通信领域有着重要和广泛的应用，在生成公钥密码参数和对称算法密钥等运用中发挥着重要的作用。因此在加密领域，产生性能高的真随机数序列来保证信息安全是必须的。

目前能产生真随机数的电路实现有很多方法:噪声源直接放大法、振荡采样法、离散时间的混沌系统、亚稳态电路等。一般比较常见的真随机数产生电路主要有：

热噪声直接放大法，利用放大器直接放大电阻热噪声，再通过比较器整形后产生随机序列。电阻的热噪声是典型的高斯白噪声，将其放大处理后产生的随机数序列有很好的随机性。

振荡采样法：通过慢时钟去采样快时钟，慢时钟的随机抖动可使触发器采样值具有不确定性。需要注意的是慢时钟和快时钟的周期的倍数关系，一般实际证实慢时钟周期至少是快时钟周期的几十倍时才能得到随机性比较好的随机数，否则采出的数据具有较大的相关性，会出现连续采样多位0或1的现象。

目前常用的真随机数发生器大多是全模拟或者数模混合电路。模拟电路对工艺参数变化比较敏感，不能根据工艺变化缩减，特别是在进入90nm以后这种情况更加严重。另外，随机数发生器一般是作为一个模块集成到数字电路系统中，非常容易受到非高斯的系统噪声和电源噪声影响，影响电路随机性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于数字单元实现的真随机数发生器。全数字的结构相比含有模拟电路的结构可以更加好的融合到数字系统中，有更好的集成性，也适合随工艺迁移。

本发明采用的技术方案如下：包括副振荡采样电路组、主振荡采样电路组及后处理电路；其中，副振荡采样电路组包含至少一个基本振荡采样电路；主振荡采样电路组包含至少一个基本振荡采样电路；

所述副振荡采样电路组中基本振荡采样电路的输出端与主振荡采样电路组的基本振荡采样电路的频率控制端连接；主振荡采样电路组的基本振荡采样电路的输出端与后处理电路的输入端连接。

优选地，所述副振荡采样电路组包含多个基本振荡采样电路，且任意一个所述的基本振荡采样电路的频率控制端与其余所述的基本振荡采样电路的输出端连接，连接成反馈结构。

优选地，所述主振荡采样电路组包含两个基本振荡采样电路；所述副振荡采样电路组中各基本振荡采样电路的输出端与主振荡采样电路组其中一个基本振荡采样电路的频率控制端连接；副振荡采样电路组中各基本振荡采样电路的输出端分别连接一个反相器，所述各个反相器的输出端与主振荡采样电路组其中另一个基本振荡采样电路的频率控制端连接。

优选地，所述基本振荡采样电路包括：低频数控环形振荡器、高频振荡器、采样电路、伪随机序列发生器以及第一异或门；所述低频数控环形振荡器具有频率控制端，其输出端与采样电路的时钟信号输入端连接；采样电路的数据采样端与所述高频振荡器的输出端连接；采样电路的输出端与第一异或门的一个输入端连接，伪随机序列发生器的输出端与第一异或门的另一个输入端连接；第一异或门的输出端为基本振荡采样电路的输出端。

优选地，高频振荡器输出信号的频率至少为低频数控环形振荡器输出信号频率的20倍。

优选地，所述高频振荡器输出信号的占空比等于50%。

优选地，所述后处理电路包括第一寄存器、第二寄存器、第二异或门及第一线性移位寄存器；所述第一寄存器的数据输入端与第二寄存器的数据输入端分别对应与所述主振荡采样电路组的两个基本振荡采样电路的输出端连接；所述第一寄存器的输出端与第二寄存器的输出端分别对应与所述第二异或门的两个输入端连接；第二异或门的输出端与第一线性移位寄存器的数据输入端连接；第一线性移位寄存器的输出端为后处理电路的输出端；所述第一寄存器、第二寄存器、第二异或门及第一线性移位寄存器的时钟信号输入端连接相同的控制时钟信号源。

优选地，后处理电路的控制时钟信号源的最低频率小于所述主振荡采样电路组的两个基本振荡采样电路的输出的随机序列的最低频率。