利用FPGA的自身特性實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

本文主要介紹利用FPGA的自身的特性實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，在Virtex-II Pro開(kāi)發(fā)板上用ChipScope觀察隨機(jī)數(shù)序列，以及在PCIe4Base（基于Virtex-4 FPGA）上實(shí)現(xiàn)。

基本的原理

隨機(jī)數(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的密碼學(xué)中有著重要的用途，常常被用作密鑰的來(lái)源。隨機(jī)數(shù)包括偽隨機(jī)數(shù)以及真隨機(jī)數(shù)。偽隨機(jī)數(shù)是通過(guò)一定的算法計(jì)算得出，具有類(lèi)似于隨機(jī)數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，這樣的發(fā)生器稱(chēng)為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。而真隨機(jī)數(shù)是通過(guò)物理現(xiàn)象產(chǎn)生，例如使用電子元件的噪聲、核裂變等等作為噪聲源[2],這樣的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器叫做物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，也叫做真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG：Ture Random Number Generator）。

基于FPGA的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器基本原理是利用奇數(shù)個(gè)反相器組成振蕩器作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的噪聲源，因?yàn)橛捎贔PGA自身的特性--信號(hào)傳輸存在抖動(dòng)，所以多個(gè)反相器組成振蕩器輸出也不是很穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)振蕩器輸出不是相同的，這樣成為了理想的噪聲源，見(jiàn)圖1。振蕩器輸出通過(guò)D觸發(fā)器進(jìn)行采樣輸出，采樣頻率是fs，然后多個(gè)采樣輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)異或門(mén)之后再通過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行采樣，采樣頻率還是fs。這樣簡(jiǎn)單的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器就完成了。

圖1.隨機(jī)數(shù)發(fā)生器原理圖[1]