优化多输出LFSR结构的硬件伪随机数生成器

"多输出LFSR结构均匀分布伪随机数生成器的硬件设计优化 (2010年)，国防科学技术大学计算机学院PDL重点实验室，Xilinx Vertex 4 FPGA" 本文详细探讨了如何通过硬件优化设计来提升多输出线性反馈移位寄存器（Linear Feedback Shift Register, LFSR）结构的均匀分布伪随机数生成器（Uniform Random Number Generator, URNG）的性能。LFSR是一种常见的伪随机数生成器，通常用于各种计算和通信应用。在LFSR的基础上，通过增加输出位数，可以设计出多输出LFSR，从而提高生成随机数的速度和效率。 作者首先通过公式推导，建立了硬件实现伪随机数生成器所需的资源量与输出位数和生成的随机数周期之间的关系。这个理论分析揭示了多输出LFSR在硬件资源利用率上的优势。多输出结构允许生成多个独立的随机数流，同时减少硬件资源的浪费。 接下来，作者分析了变换矩阵A的结构和反馈系数（Tap值）的影响，提出了优化策略以提高这类随机数生成器的工作速度。通过精心选择变换矩阵和反馈系数，可以使得LFSR的更新更快，从而提高随机数生成的速率。 在实际应用中，研究人员在Xilinx Vertex 4 FPGA上进行了大量实验，验证了理论分析的正确性。FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其可编程性和高速计算能力，常被用于加速计算密集型任务，包括随机数生成。实验结果显示，优化后的多输出LFSR结构能够在保证随机数质量的同时，有效利用硬件资源，提高生成速度。 文章指出，均匀分布随机数生成器是许多复杂算法的基础，特别是在模拟和加密等领域。随着FPGA在并行计算和加速应用中的日益普及，URNG的硬件实现问题变得越来越重要。多输出LFSR结构的优化设计对于提高计算效率、满足高性能计算需求具有重要意义。 关键词：伪随机数，LFSR，均匀分布伪随机数生成器，FPGA计算加速 这篇文章的贡献在于提供了一种理论与实践相结合的方法，以优化多输出LFSR结构的URNG，对于FPGA上的高速随机数生成有直接的指导价值，并为后续的相关研究奠定了基础。