如何在FPGA中实现随机数发生器

分享如何在Xilinx Breadboardable Spartan-7 FPGA, CMOD S7中实现4位伪随机数发生器（PRNGs）。

现场可编程门阵列（FPGA）是一种高度可配置的集成电路，它使开发者能够测试和重写程序以执行各种功能。它在原型设计、测试数字电路和实现生产中的定制数字系统方面很受欢迎。

 

该领域涉及但不限于：

数字信号处理

-实现滤波器、变换和信号发生器

-示例应用：音频、视频处理、通信系统和雷达处理。

机器学习（ML）和人工智能（AI）

-实现定制的ML和AI算法，如CNN

-示例应用：计算机视觉、自然语言处理和语音识别

通信系统和数据存储中的加密安全

-实现加密算法，如AES、DES和RSA

-示例应用：安全通信系统和数据存储

工业控制系统

-在各种工业中实现定制的控制系统：机器人、自动化和过程控制

-示例应用：自主车辆控制系统和智能电网控制系统

航空航天和国防

-实现定制的数字系统，具有高性能、低功耗和抗辐射能力

-示例应用：雷达处理和制导系统

 

1、 问题陈述

虽然随机性是安全网络物理系统（CPS）的一个重要组成部分，但如何在FPGA中实现随机数发生器呢？

今天分享一下关于如何在Xilinx Breadboardable Spartan-7 FPGA, CMOD S7中实现4位伪随机数发生器（PRNGs）。

请注意，PRNGs与真随机数发生器不同。PRNGs可能在输出中存在偏差或模式，因此应结合其他安全措施使用，如安全的密钥管理实践和强大的加密算法，以保护目标系统。

CMOD S7的近景

下面是用Verilog语言编写的程序，使用了Vivado软件。在这个程序中，主要有3个主要功能：

这个程序使用计数器来确定1秒的间隔

这个程序在反馈中进行LFSR操作，并计算4位lfsr_reg

这个程序以二进制格式输出随机数，用LED灯显示，范围从0 ~ 15。下图显示为1011，即十进制的11。

随机数的一个输出。二进制的1011是十进制的11

4位二进制数转换为十进制。

下面是用Verilog语言实现4位LFSR的源代码。

我们定义了一个名为“DELAY”的常量，其十进制值为12000000，以匹配默认时钟运行在12 MHz

clog2(12000000)=24

 

// 因为默认时钟运行在12 MHz 
`define DELAY 1_200_000_0 // 1秒

module lfsr(
    input clk,
    output reg [3:0] LED
);

reg [3:0] lfsr_reg;
reg [$clog2(`DELAY) - 1:0] counter = 0;

wire feedback;

assign feedback = ~(lfsr_reg[3] ^ lfsr_reg[2]);
  
always @(posedge clk) 
begin
    if ( counter == `DELAY - 1 ) 
    begin
        counter <= 0; // 复位计数器
        lfsr_reg <= {lfsr_reg[2:0], feedback}; // 更新LFSR // 反馈位在第3和第2位，向左移位
        LED = lfsr_reg;
    end 
    else
        counter <= counter + 1; // 增加计数器
        
end

 

Cmod-S7–25-Master.xdc的示例内容，其中定义了设计约束，如引脚分配、时钟约束和I/O时序参数，这些参数在实现阶段使用。

 

## This file is a general .xdc for the Cmod S7-25 Rev. B
## To use it in a project:
## - uncomment the lines corresponding to used pins
## - rename the used ports (in each line, after get_ports) according to the top level signal names in the project

## 12 MHz System Clock
set_property -dict { PACKAGE_PIN M9    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk }]; #IO_L13P_T2_MRCC_14 Sch=gclk
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 83.33 -waveform {0 41.66} [get_ports { clk }];

## 4 LEDs
set_property -dict { PACKAGE_PIN E2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[0] }]; #IO_L8P_T1_34 Sch=led[1]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[1] }]; #IO_L16P_T2_34 Sch=led[2]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[2] }]; #IO_L16N_T2_34 Sch=led[3]
set_property -dict { PACKAGE_PIN E1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[3] }]; #IO_L8N_T1_34 Sch=led[4]

set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]
set_property CFGBVS VCCO [current_design]

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 33 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]

 

2、演示

3 、结论

从综合报告中可以看出，这个程序只占用了FPGA中0.05%的LUT滑块。我们可以在这个CMOD S7中实现更多有趣的功能，充分利用资源。 

来源：   本文转载自Java学研大本营公众号