可配置物理不可克隆函数电路及其响应产生方法与流程

本发明涉及物理不可克隆函数领域，尤其是一种可配置物理不可克隆函数电路及其响应产生机制。

背景技术：

物理不可克隆函数是一种很有前景的加密技术。它可以将每个芯片内部由于集成电路制造过程中工艺偏差而引入的随机差异提取出来，并转化成相应的比特序列，以此作为芯片的“数字指纹”并唯一的识别该芯片。

基于环形振荡器的物理不可克隆函数是近年来提出一种新型的电路结构，它通过比较不同的环形振荡器之间振荡频率的差异来实现响应输出。为了增加响应序列的随机性，每个环形振荡器的结构必须做到结构完全相同且位置高度对称。每个环形振荡器后端接入计数器来统计一定时间内的计数值，再利用比较器比较计数值的大小来获得比特输出。当环形振荡器I的振荡频率高于环形振荡器II的振荡频率时，输出信号为高电平，反之为低电平。基于环形振荡器的物理不可克隆函数电路结构是一种最常见的类型，具有良好的唯一性与可靠性。但是由于其在产生相同位数的比特序列的情况下资源消耗量远远大于其他电路结构，限制了该电路结构在应用上的发展。从目前最新的研究进展来看，成本问题依然是该研究领域急需解决的问题。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种可配置物理不可克隆函数电路及其响应产生机制，能够在资源消耗较小的情况下产生足够多的激励响应对。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：

可配置物理不可克隆函数电路，包括至少一个可配置的比特序列产生器；可配置的比特序列产生器包括第一、第二选择器、m个结构相同的可配置的环形振荡器、第一计数器、第二计数器、第一寄存器、第二寄存器和比较器；其中，

可配置的环形振荡器包括由n个二输入异或门依次串联形成的串联支路和一个二输入与门；每个异或门的两个输入端中，一个输入端与前一个异或门的输出端相连，另一输入端为配置信号的输入端，当二输入异或门的一个输入端输入高电平，另一个输入端输入低电平时，所述二输入异或门表征为一个反向器；当二输入异或门的两个输入端输入电平相同时，所述二输入异或门表征为一个延时器；串联支路与二输入与门形成一个串行环路，串行环路中，串联支路最前端异或门的一个输入端与二输入与门的输出端相连，串联支路最末端异或门的输出端与二输入与门的一个输入端相连，二输入与门的另一个输入端为使能信号输入端；

第一、第二选择器均为m选1选择器，第一、第二选择器的选择输入端分别与m个环形振荡器的输出端相连；第一选择器的输出端与第一计数器相连，第二选择器的输出端与第二计数器相连；第一计数器的输出端通过第一寄存器与比较器的第一输入端相连，第二计数器的输出端通过第二寄存器与比较器的第二输入端相连；比较器的输出端即为所述可配置的比特序列产生器的输出端。

进一步的，所述可配置物理不可克隆函数电路还包括配置信号产生模块、控制模块和定时器模块；其中，

配置信号产生模块产生一组能使环形振荡器有效振荡的配置信号，并将配置信号输入到各可配置的环形振荡器；其中，

控制模块用于产生使能信号，并将使能信号输入各可配置的环形振荡器中的二输入与门的使能信号输入端；

定时器模块用于产生定时控制信号，并分别发送至第一、第二计数器的使能端，控制第一、第二计数器的计数时间。

本发明还提出一种利用上述可配置物理不可克隆函数电路产生激励响应的响应产生方法，该方法中，所述可配置物理不可克隆函数电路对于任意一组激励信号产生一位相应码，每一位响应码产生的步骤为：

(1)定义一组激励信号为C1，C1＝{S1，S2，...Sn，T1，T2，...Tm}，将{S1，S2，...Sn}作为配置信号输入各可配置的环形振荡器，每个激励信号对应一个二输入异或门的配置信号输入端；可配置的环形振荡器分别根据接收到的配置信号产生具有唯一频率的振荡信号；设第j个可配置的环形振荡器产生的正当信号为f_j，j∈[1，2，…，m]；

(2)将{T1，T2，...Tm}作为选择信号输入第一、第二数据选择器中；第一、第二选择器分别选出一个可配置的环形振荡器x、y，并将两个环形振荡器的振荡信号f_x、f_y分别输送给第一、第二计数器；x，y∈[1，2，…，m]，且x≠y；

(3)第一、第二计数器对选出的可配置的环形振荡器产生的振荡信号f_x、f_y的振荡次数进行计数，并将计数结果F_x和F_y分别存储到第一寄存器和第二寄存器中；

(4)比较器对第一寄存器中存储的f_x振荡信号的振荡次数F_x和第二寄存器中存储的振荡信号f_y的荡次数F_y进行比较，并输出比较结果；若F_x＞F_y，输出R＝0；若f_x＜F_y，输出R＝1。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、由于配置信号的多样性使得本结构能够在产生相同比特序列的条件下使用更少的资源，从而大大降低了单位成本。

2、与传统的环形振荡器电路结构相比，本发明二输入异或门替代了反相器，大大提高了设计的灵活性，能够产生更多的激励响应对。

3、具有较好的唯一性与可靠性，适用于低功耗、低成本的应用。

附图说明

图1为基于二输入异或门的环形振荡器物理不可克隆函数电路结构；

图2为二输入异或门配置的环形振荡器单元的原理图；

图3为本发明的配置过程与响应产生机制图。

具体实施方式

本发明采用二输入异或门替代传统环形振荡器中的反相器，利用二输入异或门配置的环形振荡器振荡频率间的随机性差异来产生激励响应对。下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。实施例中，所述异或门为二输入异或门。

图1为本实施例中二输入异或门的环形振荡器物理不可克隆函数电路结构示意图，采用二输入异或门替代传统环形振荡器中的反相器，通过调整配置信号来获得多种可能的振荡频率。每一个环形振荡器的振荡频率之间互有差别，通过提取环形振荡器振荡频率间的微小差异来产生随机的响应值。

n个二输入异或门和一个二输入与门构成一个可配置的环形振荡器，如图2所示，n个二输入异或门依次串联形成串联支路；每个异或门的两个输入端中，一个输入端与前一个异或门的输出端相连，另一输入端为配置信号的输入端，当二输入异或门的一个输入端输入高电平，另一个输入端输入低电平时，所述二输入异或门表征为一个反向器；当二输入异或门的两个输入端输入电平相同时，所述二输入异或门表征为一个延时器；串联支路与二输入与门形成一个串行环路，串行环路中，串联支路最前端异或门的一个输入端与二输入与门的输出端相连，串联支路最末端异或门的输出端与二输入与门的一个输入端相连，二输入与门的另一个输入端为使能信号输入端。配置信号决定了参与形成环形振荡器的二输入异或门的个数。每个异或门环路被输入同样的配置信号构成相同的环形振荡器来进行振荡频率的比较。

本实施例所述的二输入异或门的环形振荡器物理不可克隆函数电路响应产生的原理如图3所示，包括配置信号产生模块、控制模块和定时器模块；其中，

配置信号产生模块产生一组有效振荡的配置信号，并将配置信号输入到各可配置的环形振荡器；

控制模块用于产生使能信号，并将使能信号输入各可配置的环形振荡器中的二输入与门的使能信号输入端；

定时器模块用于产生定时控制信号，并分别发送至第一、第二计数器的使能端，来控制第一、第二计数器的计数时间。

由于环形振荡器中反相器个数必须为奇数个才能产生振荡信号，在本实施例所述的可配置的物理不可克隆函数电路中：当配置信号中有奇数个‘1’时，可配置环形振荡器开始振荡，整个系统进入正常工作状态；当配置信号中有偶数个‘1’时，可配置环形振荡器并未起振，此时的响应值为电路中受噪声干扰无法稳定的输出，整个系统无法进入正常工作状态。故可配置的物理不可克隆函数电路正常启用的约束条件是需要奇数个‘1’存在于配置信号中。

本实施例所述的可配置的物理不可克隆函数电路根据激励信号产生相应响应函数的步骤为：

定义一组激励信号为C1，C1＝{S1，S2，...Sn，T1，T2，...Tm}。将{S1，S2，...Sn}作为配置信号输入到各可配置的环形振荡器，其中，配置信号s_i，i∈[1，2，…，n]对应可配置的环形振荡器第i个二输入异或门的配置信号输入端；可配置的环形振荡器根据接收到的配置信号产生具有唯一频率的振荡信号，设第j个可配置的环形振荡器产生的正当信号为f_j，j∈[1，2，…，m]；

当配置信号中‘1’的个数为奇数时，环形振荡器开始振荡，此时第一、第二计数器和定时器开始工作，包括步骤：

将{T1，T2，...Tm}作为选择信号输入第一、第二数据选择器中；第一、第二选择器分别选出一个可配置的环形振荡器x、y，并将两个环形振荡器的振荡信号f_x、f_y分别输送给第一、第二计数器，x，y∈[1，2，…，m]，且x≠y。

第一、第二计数器对选出的可配置的环形振荡器产生的振荡信号f_x、f_y的振荡次数进行计数，并将计数结果F_x和F_y，分别存储到第一寄存器和第二寄存器中；

比较器对第一寄存器中存储的f_x振荡信号的振荡次数F_x和第二寄存器中存储的振荡信号f_y的荡次数F_y进行比较，并输出比较结果；若F_x＞F_y，输出R＝0；若F_x＜F_y，输出R＝1。

由于配置方法的多样性使得设计的灵活性大大提高，不同的配置信号将产生完全不同的结果。例如，当图2所示的可配置环形振荡器中n＝3时，共有{0，0，1}，{0，1，0}，{1，0，0}，{1，1，1}四种不同的配置方式，对于同一个可配置的环形振荡器来说，每种配置方式所得到的振荡频率是各不相同的。这样就可以通过调整配置信号使得在不增加硬件电路资源的条件下产生更多的响应比特序列，从而大大降低了单位成本。

唯一性与可靠性是检验物理不可克隆函数电路结构性能的标准，通常以片间汉明距离和片内汉明距离作为唯一性与可靠性的计算依据。为了对本发明的性能进行验证，我们在专用集成电路和可编程逻辑器件双平台上进行了测试。得到唯一性趋近50％，可靠性趋近于0％，非常接近理想情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。