变频环形振荡器PUF电路及其控制方法技术

变频环形振荡器PUF电路，涉及集成电路，本发明专利技术包括下述部分：一个选择信号控制寄存器，n个振荡器，n为大于4的自然数，每个振荡器的控制端与选择信号控制器连接；第一多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第一多路选择器；第二多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第二多路选择器；与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，一个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，其输出端连接选择信号寄存器。本发明专利技术所设计的变频环形震荡器PUF的安全性优于传统的环形振荡器PUF，可以用于对安全性要求较高的场景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路技术。
技术介绍
随着信息技术的飞速发展，各式各样的电子设备也快速地渗透到社会发展的各个领域。在信息技术推动社会发展的同时，随之也出现了各式各样的问题，特别是信息安全问题受到越来越多人的关注。除人们所熟知的软件层面的信息泄漏、盗号、盗版外，作为软件赖以运行的根本基础——计算硬件也面临着同样的问题，如在集成电路中植入木马，对芯片进行伪造或者通过逆向工程进行破解等。这些问题给半导体产业及相关的计算机、汽车电子、航空电子、消费电子等IT行业带来了巨大的损失。例如，服务器中包含的恶意硬件木马，射频识别标签和智能设备的伪造和复制，飞机因使用伪造芯片而坠毁等信息安全事件已经引起了社会各界的广泛关注。因此，如何实现对电子设备的有效认证以及机密信息和安全信息的有效保护将是信息时代亟待完善解决的一个关键技术问题，同时也是一个严峻的社会问题。物理不可克隆函数(PhysicalUnclonableFunction，PUF)是一种新兴的加密组件，它能够提取集成电路内门电路或连接线(导线)间由于制造工艺的不一致性而引入的随机差异，并利用这些随机差异以一定规则生成加密(响应)信号。当设备上电的时候，PUF的响应信号就可以自动生成，当设备断电时响应信号自动湮灭。因而，如果将PUF的响应信号作为加密密钥，此密钥无须使用存储器存储，从而改善了密钥存储的安全性。此外，PUF还具有原理结构简单，功耗低，物理不可克隆，不可预测等特点，在信息安全领域具有不可估量的研究价值和广阔的应用前景。当前比较常用的PUF技术是基于硅延时特性的环形振荡器(RingOscillator，RO)PUF，简称ROPUF，如图1所示。ROPUF实现原理是通过比较数字振荡电路(RO)之间在制造过程中引入的随机差异来实现的，且这种随机差异是通过RO之间振荡频率的差异表现出来的。比较经典的ROPUF是由Suh和Devadas[1]提出的一种基于比较的ROPUF结构。如图1所示，ROPUF由四个部分构成，包括一个RO阵列、两个L选1选择器、两个计数器和一个比较器。RO阵列由一定数量的RO构成，且每一个RO的电路结构完全相同。RO通常是一个由反相器链构成振荡环路，反相器链中包含奇数个反相器。输入的激励信号通过选择器从RO矩阵中选择一对RO连接到计数器。其中，计数器用于统计RO在一定时间间隔内的振荡次数。当计数结束后，两个计数器将各自统计的振荡次数分别输入到比较器，最后由比较器生成随机的响应比特，“0”或“1”。ROPUF属于延时类PUF。这种ROPUF的结构简单，在FPGA和ASIC中都比较容易实现，但这种PUF也有其缺点：由于在工作时振荡器的频率均处于不变的状态，即同一个振荡器总是以同一个频率在振荡，这就给攻击者可乘之机：攻击者通过输入大量的激励得到相应的响应，通过激励响应关系很容易得出每个振荡器频率之间的相对关系。目前公认的最合理的一种攻击方式是通过数学建模的方法，它指的是按照一定的规则对PUF施加激励，然后测量相应的响应，收集足够多的数据之后分析两者的关系，建立一个精确的数学模型从而破解。综上所述，传统ROPUF的安全性不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种可以通过配置改变振荡器的频率的变频环形振荡器PUF电路。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，变频环形振荡器PUF电路，其特征在于，包括下述部分：一个选择信号控制寄存器，n个振荡器，n为大于4的自然数；第一多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第一多路选择器；第二多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第二多路选择器；与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，一个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，其输出端连接选择信号寄存器；所述振荡器包括至少两个反相器和n个可控延时模块，反相器和可控延时模块串联设置，形成一个串联子电路，串联子电路的输出端连接一个与非门的输入端，与非门的另一个输入端为振荡器的激励端，与非门的输出端连接串联子电路的输入端；可控延时模块由一个选择器和至少两个串联的反相器构成，可控延时模块的输入端连接选择器的一个输入端，还通过串联的反相器连接选择器的第二个输入端，选择器的输出端为可控延时模块的输出端，选择器的控制端为可控延时模块的控制端。进一步的，可控延时模块由一个两路选择器和两个串联的反相器构成。本专利技术在传统环形振荡器PUF上做了较大改进，主要包括3方面：第一，把固定频率环形振荡器改进成可配置频率的环形振荡器，由于环形振荡器的频率不再固定，使得攻击者很难通过数学建模的方法找到输入输出响应对的规律，难以建立其相应的数学模型，从而大大提升PUF的安全性。第二，环形振荡器的选择信号由响应信息控制，由于响应信息因芯片的不同而差别很大，所以使环形震荡器的震荡频率的产生逻辑变得更加复杂，加大了攻击者建立输入输出响应数学模型的难度，提升了PUF的安全性。第三，本专利技术中设计了一个迭代次数寄存器，控制PUF最终产生响应信息需要进行多少轮迭代，进行的迭代越多，攻击者建立输入输出响应数学模型的难度就越大，所以，选取一个合适的迭代次数，可以使得攻击者不可能建立正确的数学模型，进而提升PUF的安全性。本专利技术所设计的变频环形震荡器PUF的安全性优于传统的环形振荡器PUF，可以用于对安全性要求较高的场景。附图说明图1为现有技术的ROPUF基本结构示意图。图2为现有技术的环形振荡器电路图。图3为本专利技术提出的环形振荡器原理图。图4为可控延时模块结构图。图5为本专利技术的变频环形振荡器PUF电路图。具体实施方式普通的环形振荡器的电路如图2所示。环形振荡器中反相器的个数决定震荡频率，反相器个数越多，震荡频率越低，反相器个数越少，震荡频率越高。对于普通环形振荡器，其反相器个数是固定的，所以其震荡频率也是固定的，这导致了PUF的安全性不高，本专利技术基于普通环形振荡器，专利技术一种变频环形震荡器，该振荡器的原理图如图3所示，本专利技术设计的振荡器命名为CRO(ConfigurableRingOscillator)。在RO中，假如RO中反相器个数比较少时，RO的振荡频率会比较高，计数器难以正确统计RO的振荡器次数，从而导致ROPUF的稳定性比较差。所以，本专利技术设计的环形振荡器环上至少有8个反相器，保证计数器计数的稳定性。Model模块如图4所示，包含两个反相器和一个2选1多路选择器，本模块有3个引脚，in、out、sel，其中sel引脚控制该模块等效成两个反相器，还是等效成一根导线。这里共需要n个选择信号：sel1～seln，通过这些选择信号的组合，来控制环形振荡器上反相器的个数，从而达到控制输出信号震荡频率的目的。本专利技术的变频环形振荡器PUF电路包括下述部分：一个选择信号控制寄存器，n个振荡器，n为大于4的自然数，每个振荡器的控制端与选择信号控制器连接；第一多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第一多路选择器；第二多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第二多路选择器；与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，一个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，其输出端连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
变频环形振荡器PUF电路，其特征在于，包括下述部分：一个选择信号控制寄存器，n个振荡器，n为大于4的自然数，每个振荡器的控制端与选择信号控制器连接；第一多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第一多路选择器；第二多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第二多路选择器；与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，一个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，其输出端连接选择信号寄存器；所述振荡器包括至少两个反相器和n个可控延时模块，反相器和可控延时模块串联设置，形成一个串联子电路，串联子电路的输出端连接一个与非门的输入端，与非门的另一个输入端为振荡器的激励端，与非门的输出端连接串联子电路的输入端；可控延时模块由一个选择器和至少两个串联的反相器构成，可控延时模块的输入端连接选择器的一个输入端，还通过串联的反相器连接选择器的第二个输入端，选择器的输出端为可控延时模块的输出端，选择器的控制端为可控延时模块的控制端。

【技术特征摘要】
1.变频环形振荡器PUF电路，其特征在于，包括下述部分：一个选择信号控制寄存器，n个振荡器，n为大于4的自然数，每个振荡器的控制端与选择信号控制器连接；第一多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第一多路选择器；第二多路选择器，每个振荡器的输出端都连接到第二多路选择器；与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，一个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，其输出端连接选择信号寄存器；所述振荡器包括至少两个反相器和n个可控延时模...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢小东，任子木，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51