利用FPGA的自身特性實現(xiàn)隨機數(shù)發(fā)生器

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

基本的原理

隨機數(shù)在計算機科學中的密碼學中有著重要的用途，常常被用作密鑰的來源。隨機數(shù)包括偽隨機數(shù)以及真隨機數(shù)。偽隨機數(shù)是通過一定的算法計算得出，具有類似于隨機數(shù)的統(tǒng)計特征，這樣的發(fā)生器稱為偽隨機數(shù)發(fā)生器。而真隨機數(shù)是通過物理現(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],這樣的隨機數(shù)發(fā)生器叫做物理隨機數(shù)發(fā)生器，也叫做真隨機數(shù)發(fā)生器（TRNG：Ture Random Number Generator）。

基于FPGA的隨機數(shù)發(fā)生器基本原理是利用奇數(shù)個反相器組成振蕩器作為隨機數(shù)發(fā)生器的噪聲源，因為由于FPGA自身的特性--信號傳輸存在抖動，所以多個反相器組成振蕩器輸出也不是很穩(wěn)定的時鐘信號，每個振蕩器輸出不是相同的，這樣成為了理想的噪聲源，見圖1。振蕩器輸出通過D觸發(fā)器進行采樣輸出，采樣頻率是fs，然后多個采樣輸出結果經(jīng)過異或門之后再通過一個D觸發(fā)器進行采樣，采樣頻率還是fs。這樣簡單的隨機數(shù)發(fā)生器就完成了。

圖1.隨機數(shù)發(fā)生器原理圖[1]