RFID标签芯片真随机数产生器转让专利
申请号 : CN201110103750.8
文献号 : CN102184087B
文献日 : 2014-01-15
发明人 : 王德明 , 胡建国 , 丁颜玉 , 张俊 , 陈宇 , 谭洪舟
申请人 : 广州中大微电子有限公司 , 中山大学
摘要 :
本发明公开了一种通用性高、功耗和面积较小，并且能够通过各种随机数性能测试的RFID标签芯片真随机数产生器，它包括高频环形振荡器、采样器、控制器、计数器、种子寄存器和元细胞自动机，所述高频环形振荡器在控制器的控制下产生高频信号，所述高频环形振荡器输出的高频信号经过采样器采样得到种子值，并在计数器的控制下，将所述种子值保存在种子寄存器中，种子寄存器再与元细胞自动机相连接，经过元细胞自动机处理后得到真随机数。所述种子寄存器为32位寄存器，所述元细胞自动机为37级元细胞自动机移位寄存器，所述计数器为32比特的计数器，所述高频环形振荡器为具有RC延迟的高频环形振荡器。
权利要求 :
1.一种RFID标签芯片真随机数产生器，其特征在于，它包括高频环形振荡器、采样器、控制器、计数器、种子寄存器和元细胞自动机，所述高频环形振荡器在控制器的控制下产生高频信号，所述高频环形振荡器输出的高频信号经过采样器采样得到种子值，并在计数器的控制下，将所述种子值保存在种子寄存器中，种子寄存器再与元细胞自动机相连接，经过元细胞自动机处理后得到真随机数，所述高频环形振荡器为具有RC延迟的高频环形振荡器，它包括反相器I1～I3、与非门U1、或非门X0～X4、延迟电容C1～C10和CMOS开关管M1～M10，每个延迟电容与一个控制其接入或断开的开关管组成一个延迟控制电路，延迟电容C1～C5和CMOS开关管M1～M5形成第一级延迟控制电路，延迟电容C6～C10和CMOS开关管M6～M10形成第二级延迟控制电路，二输入的与非门U1形成第三级延迟控制电路，三级延迟控制电路通过反相器I1～I3连接，或非门X0～X4连接元细胞自动机形成
5路反馈。
2.根据权利要求1所述的RFID标签芯片真随机数产生器，其特征在于，所述种子寄存器为32位寄存器，所述元细胞自动机为37级元细胞自动机移位寄存器，所述计数器为32比特的计数器。
说明书 :
RFID标签芯片真随机数产生器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种真随机数产生器，具体来说，涉及一种通用性高、功耗和面积较小，并且能够通过各种随机数性能测试的RFID标签芯片真随机数产生器。
背景技术
[0002] RFID阅读器和标签芯片在通信过程中，正常的操作一般是经过寻卡、防冲突、选卡、安全认证和交易等流程，安全认证操作的目的是对阅读器和标签芯片进行认证，确保双方通信的合法性，防止伪造的阅读器或者标签芯片参与交易流程。安全级别较高的标签芯片通常采用认证协议、加密算法以及随机数产生器这三者共同保护标签密钥和数据的安全。
[0003] 目前有多种方法可以在RFID标签芯片中实现真随机数，主要有以下几种：直接放大热噪声法、基于混沌的随机数产生方法和SRAM上电随机噪声源提取方法。直接放大热噪声法和基于混沌的随机数产生方法虽然能得到较好的随机统计特性，但硬件实现代价高，主要体现为面积和功耗较大，复杂度高。SRAM上电随机噪声源提取方法需要集成SRAM，通用性不高，并且这种方法随机统计特性较差，难以通过各项随机性能测试。
发明内容
[0004] 针对以上不足，本发明提供了一种通用性高、功耗和面积较小，并且能够通过各种随机数性能测试的RFID标签芯片真随机数产生器，它包括高频环形振荡器、采样器、控制器、计数器、种子寄存器和元细胞自动机，所述高频环形振荡器在控制器的控制下产生高频信号，所述高频环形振荡器输出的高频信号经过采样器采样得到种子值，并在计数器的控制下，将所述种子值保存在种子寄存器中，种子寄存器再与元细胞自动机相连接，经过元细胞自动机处理后得到真随机数。
[0005] 所述种子寄存器为32位寄存器，所述元细胞自动机为37级元细胞自动机移位寄存器，所述计数器为32比特的计数器。
[0006] 所述高频环形振荡器为具有RC延迟的高频环形振荡器，它包括反相器I1~I3、与非门U1、或非门X0~X4、延迟电容C1~C10和CMOS开关管M1~M10，每个延迟电容与一个控制其接入或断开的开关管组成一个延迟控制电路，延迟电容C1~C5和CMOS开关管M1~M5形成第一级延迟控制电路，延迟电容C6~C10和CMOS开关管M6~M10形成第二级延迟控制电路，二输入的与非门U1形成第三级延迟控制电路，三级延迟控制电路通过反相器I1~I3连接，或非门X0~X4连接元细胞自动机形成5路反馈。
[0007] 本发明的RFID标签芯片真随机数产生器利用一个具有RC延迟的高频环形振荡器产生高频信号，该高频信号由环形振荡电路自激振荡产生，不需要外界激励，信号同时也受外界噪声影响，频率会有偏移，为了使得高频信号频率在一定范围内不断变化，本发明在环形振荡器上加入延时电容，这些电容的接入受移位寄存器的输出控制，不断改变振荡频率。另外，振荡器采样方法具有很强的通用性，普遍适合各种电路需要，其面积和功耗较小且同时容易通过各项随机性能测试，因而得到了广泛应用。
附图说明
[0008] 图1为本发明RFID标签芯片真随机数产生器的功能框架图；
[0009] 图2为本发明高频环形振荡器实现原理图。
具体实施方式
[0010] 下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
[0011] 如图1所示，本发明的RFID标签芯片真随机数产生器包括高频环形振荡器1、采样器2、控制器3、计数器4、种子寄存器5和元细胞自动机6，所述高频环形振荡器1在控制器3的控制下产生高频信号，所述高频环形振荡器1输出的高频信号经过采样器2采样得到种子值，并在计数器4的控制下，将所述种子值保存在种子寄存器5中，种子寄存器5再与元细胞自动机6相连接，经过元细胞自动机处理6后得到真随机数。其中，所述种子寄存器为
532位寄存器，所述元细胞自动机6为37级元细胞自动机移位寄存器，所述计数器4为32比特的计数器。
532位寄存器，所述元细胞自动机6为37级元细胞自动机移位寄存器，所述计数器4为32比特的计数器。
[0012] 如图2所示，所述高频环形振荡器1为具有RC延迟的高频环形振荡器，它包括反相器I1~I3、与非门U1、或非门X0~X4、延迟电容C1~C10和CMOS开关管M1~M10，每个延迟电容与一个控制其接入或断开的开关管组成一个延迟控制电路，延迟电容C1~C5和CMOS开关管M1~M5形成第一级延迟控制电路，延迟电容C6~C10和CMOS开关管M6~M10形成第二级延迟控制电路，二输入的与非门U1形成第三级延迟控制电路，三级延迟控制电路通过反相器I1~I3连接，或非门X0~X4连接元细胞自动机形成五路反馈。其中，与非门U1的其中一个输入为控制延迟电路的使能信号，另一个输入则为高频环形振荡器的环路，五路反馈为来自37级元细胞自动机移位寄存器的其中五个输出，这五路反馈通过五个或非门控制着第一级和第二级的五个电容的接入，已达到控制频率的目的；高频环形振荡器振荡1输出的频率是不断变化的，其频率的变化受五路反馈控制，振荡输出经过采样后输入到37级元细胞自动机移位寄存器中，其中的32位移位输出即为最终的32位真随机数输出。
[0013] 所述的高频环形振荡器1的信号“enable”为来自控制器3的输出使能信号，当enable为高电平时，U1相当于一个反相器，此时的电路相当于由三个反相器串联起来的环形振荡器，在反相器的输出端增加延迟电容，可以将电路振荡频率降低，电路开始工作；enable为低电平时，电路关闭，高频环形振荡器1停振，不再输出高频信号输出。
[0014] 所述的高频环形振荡器1的信号q0至q4为来自37级元细胞自动机6的五位反馈输出，这五路反馈信号分别控制M1至M5、M6至M10这些MOS管开关的导通与断开，从而控制C1至C10这些延迟电容的接入与否。
[0015] 所述的高频环形振荡器1的信号“control”为来自控制器3的输出控制信号，控制q0至q4的接入，当control为高电平时，nq0至nq4全为低电平，即M1至M10的栅极为低电平，M1至M10不导通，关断了C1至C10的所有延时电容，这时候振荡频率最快，当control为低电平时，nq0至nq4分别是q0至q4信号取反的结果，此时的M1至M10门电路的开关状态由q0至q4决定，振荡频率则由接入的C1至C10决定。信号q0至q4来自37级元细胞自动机6，在控制器3的作用下输入到高频环形振荡器。
[0016] 所述的采样器2对高频环形振荡器输出信号进行采样，由于高频信号频率较高，在15MHZ至20MHZ的范围内，因此采样器2的时钟信号应该采用较低的频率，必须小于7.5MHZ，这里我们的采样器及其他电路时钟使用2MHZ频率，目的是降低功耗以及采样到较好的随机信号。
[0017] 所述控制器3将产生控制高频环形振荡器的控制信号，如control信号、enable信号和q0~q4信号等。
[0018] 所述计数器4为32比特的计数器，用来控制采样结果保存进32位种子寄存器的相应位置。
[0019] 由于本发明的电路产生的随机数是32比特的，因此所述32位种子寄存器5便用了32比特的寄存器，在计数器的控制下，将每次采样的1比特数据存进相应的种子寄存器里。
[0020] 所述37位元细 胞自动机6为 移位寄存 器，采用元 细胞自动机 的90/150规则，该规则具有不可约多项式，特别适合产生随机数，其多项式为 （i的范围是0到36，表示第i个移位寄存器；t表示当前状态，
t+1表示下一个状态；ai表示第i个移位寄存器的输出是否接入，0表示不接入，1表示接入），其中当 ai=0时表示规则90，当 ai=1时表示规则150。在本发明中，定义一个37位的寄存器CASR_reg [36:0]，CASR_reg [27]采用150规则，即CASR_reg [27]= CASR_reg [26] + CASR_reg [27] + CASR_reg [28]，其余均采用90规则。37位元细胞自动机移位寄存器开始工作的时候，将种子寄存器里面的值赋值进CASR_reg[31:0]，其余的CASR_reg设置为”1010”。这时元细胞自动机便会不断产生37位的移位输出，其中CASR_reg[31:0]的输出将作为最终的32位真随机数，而CASR_reg [36:32]则反馈给高频环形振荡器的q0至q4。
t+1表示下一个状态；ai表示第i个移位寄存器的输出是否接入，0表示不接入，1表示接入），其中当 ai=0时表示规则90，当 ai=1时表示规则150。在本发明中，定义一个37位的寄存器CASR_reg [36:0]，CASR_reg [27]采用150规则，即CASR_reg [27]= CASR_reg [26] + CASR_reg [27] + CASR_reg [28]，其余均采用90规则。37位元细胞自动机移位寄存器开始工作的时候，将种子寄存器里面的值赋值进CASR_reg[31:0]，其余的CASR_reg设置为”1010”。这时元细胞自动机便会不断产生37位的移位输出，其中CASR_reg[31:0]的输出将作为最终的32位真随机数，而CASR_reg [36:32]则反馈给高频环形振荡器的q0至q4。
[0021] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。