FPGA真随机数生成器设计：低资源、高可移植性

"霍文捷、刘政林等人在2009年发表的文章中，提出了一种基于FPGA的真随机数生成器（TRNG）设计，旨在解决传统TRNG资源消耗大、可移植性差的问题。他们利用数字电路中的时钟抖动和相位漂移作为随机性来源，通过多组反相器振荡环路产生随机源，并结合线性反馈移位寄存器（LFSR）进行后处理。在Xilinx Spartan3 FPGA平台上进行了实验，验证了设计的有效性和随机序列的安全可靠性。该设计仅使用普通逻辑单元，易于在集成电路设计中快速移植，从而缩短开发周期。" 本文详细介绍了基于FPGA的真随机数生成器设计方法。真随机数生成器是密码学领域的重要组成部分，因为它们生成的随机数对于加密算法的强度至关重要。传统的TRNG往往面临资源占用过多和移植困难的问题。为了解决这些问题，作者提出了一种创新的TRNG设计方案。 首先，设计的核心是利用数字电路的固有特性——时钟抖动和相位漂移。时钟抖动是指时钟信号在理想周期内的微小偏离，而相位漂移则是在连续周期间发生的相位变化。这些自然出现的不规则性可以作为随机性的基础。 其次，设计采用了多组反相器振荡环路作为随机源。反相器振荡环路能够在不同条件下产生不可预测的振荡，这些振荡的随机性被提取出来作为随机数的种子。通过增加振荡环的数目，可以进一步提高随机数的复杂性和不确定性。 接着，线性反馈移位寄存器（LFSR）被用作后处理模块。LFSR能够通过一系列预先定义的线性组合来扰动和扩展原始随机源，生成更长且统计上独立的随机序列。LFSR的配置和反馈函数的选择对最终随机序列的质量有直接影响。 在实验部分，研究人员在Xilinx Spartan3 FPGA平台上进行了测试，探讨了振荡环数量、采样频率等关键设计参数如何影响TRNG的输出随机特性。实验结果证实，基于多组振荡环结构的TRNG能够生成符合安全标准的随机序列，表明设计的有效性。 最后，由于该TRNG设计仅依赖于基本的逻辑单元，它具有很好的可移植性，可以直接应用于集成电路设计流程，减少了从概念到实现的时间。这对于高速发展的密码学和信息安全领域来说，无疑是一个重要的进步，因为它降低了开发和部署随机数生成器的复杂度。 这项工作提供了一种高效、可移植的TRNG设计方案，不仅提高了随机数生成的效率，还降低了设计成本，对于密码学、安全通信以及相关领域的研究具有重要价值。