使用 MSP430 內(nèi)部時(shí)鐘生成隨機(jī)數(shù)字

不管是生成隨機(jī)器件地址、強(qiáng)化加密算法還是創(chuàng)建獨(dú)立產(chǎn)品密鑰，可靠地生成隨機(jī)數(shù)字都變得日益重要。這些隨機(jī)數(shù)字對(duì)于日常嵌入式系統(tǒng)特別有用，比如車(chē)庫(kù)門(mén)接收機(jī)必須一一對(duì)應(yīng)地正確識(shí)別遠(yuǎn)程控制的隨機(jī)數(shù)字，以防止非授權(quán)訪問(wèn)。為了生成隨機(jī)數(shù)字，開(kāi)發(fā)人員可以使用高級(jí) 16 位 MCU 確保將所有信號(hào)都控制在 MCU 內(nèi)部，而且與昂貴的模擬硬件相比，這種解決方案成本更低、安全性也更高。

雙時(shí)鐘芯片架構(gòu)可以支持 TI 超低功耗MCU MSP430 的隨機(jī)數(shù)字生成能力。超低頻振蕩器 (VLO) 與數(shù)控振蕩器 (DCO) 是兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，可以利用二者間的計(jì)時(shí)差生成隨機(jī)位流。一個(gè) VLO 時(shí)鐘周期中的DCO 時(shí)鐘數(shù)量大致相同。然而，由于 VLO 與 DCO 時(shí)鐘源彼此獨(dú)立變化，無(wú)法預(yù)測(cè)生成的數(shù)字是奇數(shù)還是偶數(shù)，因此這種器件更安全。更重要的是，即使在前面生成的數(shù)字為已知的情況下，也不可能預(yù)測(cè)之后的結(jié)果。

由于 VLO 的靈活性很高，其速度可降至 DCO 以下。然后可以將定時(shí)器配置為升序計(jì)數(shù)，將 DCO 作為源時(shí)鐘，從而觸發(fā)對(duì)下一次 VLO 從低到高升序的采集。這次采集將記錄一個(gè) VLO 時(shí)鐘周期中的 DCO 時(shí)鐘周期數(shù)。由于時(shí)鐘源的變化，每次采集將導(dǎo)致單位 VLO 周期內(nèi)的 DCO 時(shí)鐘數(shù)略有差異。正是這種差異才產(chǎn)生了隨機(jī)數(shù)字。例如，為了生成 16 位隨機(jī)數(shù)字，需要進(jìn)行 16 次采集，每個(gè)被采集數(shù)字的最低有效字節(jié)轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)器中的一個(gè)字。

設(shè)計(jì)人員可以使用定時(shí)器外設(shè)收集隨機(jī) LSB，通過(guò)在每個(gè)采集周期中確保 CPU 處于關(guān)閉狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)超低功耗。只需要短暫使用 CPU，即可將 LSB 轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)單元。

盡管上述方法是隨機(jī)數(shù)字的主要來(lái)源，但是，MSP430 時(shí)鐘系統(tǒng)還是允許設(shè)計(jì)人員結(jié)合使用反饋法。在要求進(jìn)行 FIPS 140-2 測(cè)試的情況下，這些方法可提高算法性能。

第一個(gè)反饋機(jī)制是，在每個(gè)采樣位后使 DCO 略微加速。時(shí)鐘控制寄存器在每個(gè)位后加上數(shù)字 5。這種相加或額外變化導(dǎo)致在每個(gè)環(huán)路時(shí) DCO 的速度均高于 VLO。雖然可以使用任何數(shù)字，但數(shù)字 5 可以產(chǎn)生足夠大的階躍變化，以至于 DCO 與 VLO 之間發(fā)生很大的差異。

另外，每次轉(zhuǎn)換 LSB 時(shí)，兩個(gè)以前采樣的隨機(jī)位被按位加至?xí)r鐘控制寄存器的除法器位。這些位在到達(dá)計(jì)時(shí)器之前將控制用于 VLO 的除法器，同時(shí)還改變了計(jì)時(shí)器測(cè)定的VLO 與 DCO 之間的關(guān)系。

最后，每個(gè)得出的位實(shí)際上是 5 個(gè)環(huán)路“多數(shù)原則”的結(jié)果。如前所述，每個(gè)環(huán)路都從 CCR 生成其自身的 LSB，但 5 的“多數(shù)原則”用于選擇最終位。

通過(guò)這種方式，MSP430 MCU 能夠以極低的功耗生成隨機(jī)位的連續(xù)流。這種位流可以用于創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)字；如果不需要對(duì)運(yùn)行的應(yīng)用時(shí)鐘架構(gòu)進(jìn)行修改，將針對(duì)偽隨機(jī)數(shù)字生成器 (PRNG) 生成初始種子。

借助該技術(shù)，就可以生成通過(guò) FIPS 140-2 隨機(jī)性測(cè)試的位流。這就是說(shuō)，該技術(shù)可廣泛用于需要生成隨機(jī)數(shù)字的各種應(yīng)用領(lǐng)域。特別是隨著無(wú)線技術(shù)的推廣，這種隨機(jī)數(shù)字生成技術(shù)將有很好的前景。另外，由于該技術(shù)采用目前的 MSP430 MCU 架構(gòu)內(nèi)部信號(hào)，具有成本低與安全性高等優(yōu)勢(shì)。