專利名稱：一種高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。特別地，涉及一種用于生成密碼算法的密鑰、銀行客戶的初始密碼和自動(dòng)寄存機(jī)的密碼的高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。
背景技術(shù)：
隨機(jī)數(shù)分為偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)兩種。偽隨機(jī)數(shù)是有一定規(guī)律可循的，周期長度為有限長的隨機(jī)數(shù)，因此偽隨機(jī)數(shù)是可預(yù)測的。真隨機(jī)數(shù)一般是由模擬電路構(gòu)成的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，由于在電路中引入了噪聲，真隨機(jī)數(shù)沒有規(guī)律可循，是完全不可預(yù)測的。
由于現(xiàn)有大部分的加密算法是公開的，信息安全的保證就依賴于對密鑰的保護(hù)，而產(chǎn)生密鑰一般都需要用到隨機(jī)數(shù)。于是，用于產(chǎn)生密鑰的隨機(jī)數(shù)就成了保證信息安全的關(guān)鍵，而只有完全不可預(yù)測的真隨機(jī)數(shù)才能真正保證信息的安全。
國內(nèi)已開發(fā)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，有的是用數(shù)字電路設(shè)計(jì)的偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器；而用模擬電路設(shè)計(jì)的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器往往速度比較慢，而且產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)質(zhì)量也不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1.真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生速度相當(dāng)快可產(chǎn)生速率高達(dá)20Mbps的真隨機(jī)數(shù)。
2.真隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量非常高；本隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是一種對噪聲非常敏感的電路，而且在電路中引入了噪聲；因此不僅所產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)是完全不可預(yù)測的，而且在均勻性，相關(guān)性等質(zhì)量指標(biāo)上都很好。
3.防飽和特性一旦真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器進(jìn)入飽和，那么它所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)將不再不可預(yù)測了。在本發(fā)明中的比較器能夠?qū)斎脒M(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)電路進(jìn)入飽和以后，就會(huì)輸出相應(yīng)的控制電平，調(diào)整電路的工作狀態(tài)，使電路重新進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。
4.整個(gè)電路的功耗和面積都非常小。


圖1是本發(fā)明高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的模擬電路的電路圖；圖3是本發(fā)明高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的數(shù)字電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明的高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器分為模擬電路部分和數(shù)字電路部分。模擬電路的主要作用是每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一位隨機(jī)數(shù)，同時(shí)具有防飽和功能；數(shù)字電路的主要作用是對模擬部分輸出的隨機(jī)數(shù)做后處理，使得輸出的隨機(jī)數(shù)具有更好的統(tǒng)計(jì)特性。
本發(fā)明的高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的模擬電路如圖2所示，它可分成運(yùn)算電路、采樣保持電路和防飽和電路三大部分；其中，運(yùn)算電路包括比較器U1，運(yùn)算放大器U2，產(chǎn)生兩個(gè)參考電壓源V2+、V2-的控制器U4，四個(gè)電容C1～C4，十二個(gè)開關(guān)K1～K12。采樣保持電路包括運(yùn)算放大器U3，兩個(gè)電容C5、C6和五個(gè)開關(guān)K15～K18和K34。防飽和電路由運(yùn)算放大器U5，比較器U6，四個(gè)電容C7～C10和十五個(gè)開關(guān)K19～K33組成。運(yùn)算電路和防飽和電路的輸入V1+、V1-由采樣保持電路的輸出V3+、V3-提供，比較器U1的輸入V1+接V3+、Y1-接V3-，它的正向輸入電壓V1+通過開關(guān)K1、K2分別與電容C1、C2相連，而C1、C2與運(yùn)算放大器U2的正極相連；它的負(fù)向輸入電壓V1-分別通過開關(guān)K7、K8與電容C3、C4相連，而C3、C4與運(yùn)算放大器U2的負(fù)極相連。比較器U1的正向輸出電壓控制開關(guān)K3、K6、K20和K24的開和關(guān)；負(fù)向輸出電壓控制開關(guān)K4、K5、K22和K23的開和關(guān)?？刂破鞯恼蜉敵鲭妷篤2+通過開關(guān)K3、K6、K20和K24分別與電容C2、C3、C8和C9相連，而它的另一個(gè)輸出電壓V2-通過開關(guān)K4、K5、K22和K23也分別與電容C2、C3、C8和C9相連。K5、K6通過C3與運(yùn)算放大器U2的負(fù)極相連。K3、K4通過C2與運(yùn)算放大器U2的正極相連。比較器U1輸出一位隨機(jī)數(shù)。運(yùn)算電路根據(jù)輸入計(jì)算出結(jié)果，并通過開關(guān)K13、K14把結(jié)果傳送給采樣保持電路。K13、K14分別通過電容C5、C6連到運(yùn)算放大器U3的正向輸入節(jié)點(diǎn)和負(fù)向輸入節(jié)點(diǎn)，以及通過開關(guān)K15、K18連到運(yùn)算放大器U3的負(fù)向輸出節(jié)點(diǎn)和正向輸出節(jié)點(diǎn)。運(yùn)算放大器U3的正向輸入節(jié)點(diǎn)與負(fù)向輸出節(jié)點(diǎn)相連，負(fù)向輸入節(jié)點(diǎn)與正向輸出節(jié)點(diǎn)相連。采樣保持電路對運(yùn)算電路的輸出進(jìn)行采樣和保持，把結(jié)果輸出到運(yùn)算電路和防飽和電路。V1+、V1-通過開關(guān)K19、K21分別通過電容C7、C10連到運(yùn)算放大器U5的正向輸入節(jié)點(diǎn)和負(fù)向輸入節(jié)點(diǎn)，以及開關(guān)K19、K21分別通過開關(guān)K28、K29連到運(yùn)算放大器U5的負(fù)向輸出節(jié)點(diǎn)和正向輸出節(jié)點(diǎn)。電容C8、C9連到運(yùn)算放大器U5的正向輸入節(jié)點(diǎn)和負(fù)向輸入節(jié)點(diǎn)。運(yùn)算放大器U5的負(fù)向輸出通過開關(guān)K30以及正向輸出通過開關(guān)K33與比較器U6的正向輸入節(jié)點(diǎn)相連；而它的正向輸出通過開關(guān)K32以及正向輸出通過開關(guān)K31與比較器U6的負(fù)向輸入節(jié)點(diǎn)相連。比較器U6的正向輸出電壓控制開關(guān)K34的開和關(guān)，從而調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器U3的輸出電壓。
比較器U1通過對輸入電壓的判斷，可以輸出多組邏輯電平，是防止飽和的關(guān)鍵。運(yùn)算放大器是高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，跟電容，開關(guān)一起組成精確的開關(guān)電容電路對輸入進(jìn)行運(yùn)算。
本發(fā)明的高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的數(shù)字電路如圖3所示，它是非可逆的混洗電路。非可逆的混洗電路由一個(gè)43位的寄存器U7和兩個(gè)異或門X1、X2組成，用于對模擬電路輸出的隨機(jī)數(shù)做后處理。43位的寄存器U7由43個(gè)一位寄存器構(gòu)成，數(shù)字電路的時(shí)鐘信號和復(fù)位信號分別連接到每個(gè)寄存器C1端口和R端口，第1到第42個(gè)寄存器的輸入分別由前一個(gè)寄存器輸出提供(即上一個(gè)寄存器的輸出端口Q連到下一個(gè)寄存器的輸入端口D)，第43、6、4、3個(gè)寄存器的輸出求異或所得的結(jié)果，再和模擬電路的輸出求異或，然后把結(jié)果當(dāng)作第43個(gè)寄存器的輸入，第一個(gè)寄存器的輸出當(dāng)作隨機(jī)數(shù)輸出。這樣使輸出的隨機(jī)數(shù)具有更好的統(tǒng)計(jì)特性。
使用時(shí)，可以將本發(fā)明作為SOC芯片的一個(gè)模塊，也可以單獨(dú)作為一塊芯片，插在PCI卡上，將所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)通過PCI總線接口傳往主機(jī)。
本發(fā)明的高速真隨機(jī)發(fā)生器模擬部分首尾相連，模擬部分的電路不需要外加的任何激勵(lì)，上電以后就會(huì)自動(dòng)工作，并且源源不斷的將產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)再通過非可逆的混洗電路處理后，送給外部電路。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，它包括模擬電路和數(shù)字電路；其中，模擬電路包括運(yùn)算電路、采樣保持電路和防飽和電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，所述運(yùn)算電路主要由比較器U1、運(yùn)算放大器U2、產(chǎn)生兩個(gè)參考電壓源V2+和V2-的控制器U4、電容C1～C4和開關(guān)K1～K12組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，所述采樣保持電路主要由運(yùn)算放大器U3、電容C5～C6和開關(guān)K15～K18組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，所述防飽和電路主要由運(yùn)算放大器U5、比較器U6、電容C7～C10和開關(guān)K19～K33組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，所述模擬電路是一種對噪聲非常敏感的電路，是一個(gè)一級的首尾相連的電路，輸出的隨機(jī)數(shù)可直接連到數(shù)字電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其特征在于，所述數(shù)字電路是非可逆的混洗電路。所述非可逆的混洗電路由一個(gè)43位的寄存器U7和兩個(gè)異或門X1、X2組成，用于對模擬電路輸出的隨機(jī)數(shù)做后處理。所述43位的寄存器U7由43個(gè)一位寄存器構(gòu)成，數(shù)字電路的時(shí)鐘信號和復(fù)位信號分別連接到每個(gè)寄存器C1端口和R端口，第1到第42個(gè)寄存器的輸入分別由前一個(gè)寄存器的輸出提供，第43、6、4、3個(gè)寄存器的輸出求異或所得的結(jié)果，再和模擬電路的輸出求異或，然后把結(jié)果當(dāng)作第43個(gè)寄存器的輸入，第一個(gè)寄存器的輸出當(dāng)作隨機(jī)數(shù)輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器；包括模擬電路和數(shù)字電路，模擬電路由運(yùn)算電路、采樣保持電路、防飽和電路組成；數(shù)字部分是非可逆的混洗電路。該高速真隨機(jī)發(fā)生器可產(chǎn)生速率為20Mbps的高質(zhì)量真隨機(jī)數(shù)。所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)可用于生成密碼算法的密鑰，銀行客戶的初始密碼，自動(dòng)寄存機(jī)的密碼等，而它的真隨機(jī)性是信息安全的重要保證。
文檔編號G06F7/58GK1588304SQ20041005392
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月18日
發(fā)明者嚴(yán)曉浪, 沈海斌, 樓久懷, 胡國興 申請人:浙江大學(xué)