FCSR原理及其VHDL語言的實(shí)現(xiàn)

摘　要：偽隨機(jī)序列發(fā)生器是序列密碼設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，F(xiàn)CSR是其中一類重要思想。本文介紹了FCSR的特性和產(chǎn)生方法，并用VHDL語言予以實(shí)現(xiàn)，給出FCSR序列的主程序和仿真波形，最后指出需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：進(jìn)位移位寄存器;l-序列;VHDL;FCSR序列

偽隨機(jī)信號(hào)在雷達(dá)、遙控、遙測、通信加密和無線電測量系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其產(chǎn)生方法有多種途徑。進(jìn)位反饋移位寄存器(feedbackwithcarryshiftregiste，F(xiàn)CSR)由Klapper和Goresky于1993年提出，是一類較新穎的方法，其理論實(shí)質(zhì)類似于數(shù)學(xué)上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的模2同余法。經(jīng)過一系列理論分析后普遍認(rèn)為在序列密碼的分析和設(shè)計(jì)中具有一定價(jià)值。

本文簡要介紹了FCSR的基本原理和特性，重點(diǎn)討論基于硬件描述語言VHDL的可變長FCSR的設(shè)計(jì)。VHDL可編程邏輯器件CPLD/FPGA結(jié)合使用，可以方便、靈活地實(shí)現(xiàn)此類偽隨機(jī)序列發(fā)生器。

1FCSR產(chǎn)生原理和序列特性

某時(shí)刻一個(gè)r級(非退化)FCSR如圖1所示。其中ai∈GF(2)， (i=n-1，n-2，…，n -r)，mn-1∈Z，qi∈GF(2)，(i=1，2，…，r-1)，qr=1，∑為一般的整數(shù)加法。工作過程如下：

(1)計(jì)算整數(shù)和：

(2)移位寄存器右移一位，輸出an-r。

(3) an=σn(mod 2)反饋入移位寄存器。

(4) mn=[σn/2]反饋入進(jìn)位寄存器。

記q0= -1，F(xiàn)CSR的一個(gè)狀態(tài)為(mn-1;an-1，…，

為FCSR的連接數(shù)。

FCSR能返回到自身的狀態(tài)稱為周期狀態(tài)。以q為連接數(shù)的FCSR的周期狀態(tài)個(gè)數(shù)為q+1，其中平凡的周期狀態(tài)(0;0，…，0)和(w-1;1，…，1)在狀態(tài)圖中形成2個(gè)長為1的圈，非平凡周期狀態(tài)的個(gè)數(shù)為q-1，其余狀態(tài)都是非周期的。其中w=wt(q+1)為q+1的漢明重量，指qi(i=0，1，…，r)中qi≠0的個(gè)數(shù)。

以q為連接數(shù)的FCSR相應(yīng)的有理數(shù)為p/q。其中，

且q為奇數(shù)。如果p和q互素，那么a有周期T=ordq(2)。特殊的，如果T=Φ(q)(φ為歐拉函數(shù))，即2為模q的本原根，那么該序列達(dá)到他的最大周期。由歐拉函數(shù)的性質(zhì)可知，此時(shí)Φ(q)=q-1。稱其為連接數(shù)為q的最大周期FCSR序列，或l序列。

由于在FCSR中，初始狀態(tài)、移位寄存器級數(shù)、抽頭數(shù)目、抽頭位置的變化都會(huì)產(chǎn)生不同的序列，因此可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)可變的FCSR發(fā)生器來生成周期更長的偽隨機(jī)序列。

2FCSR序列發(fā)生器的VHDL實(shí)現(xiàn)

以n=10為例來設(shè)計(jì)參數(shù)可變的FCSR序列發(fā)生器。

2.1功能描述及外部引腳

由圖1可知，進(jìn)位反饋移位寄存器由加法器、進(jìn)位寄存器和一組(n級)D觸發(fā)器組成。加法器實(shí)現(xiàn)FCSR的反饋運(yùn)算;進(jìn)位寄存器保存前一時(shí)刻運(yùn)算結(jié)果除2后的狀態(tài)mn-1，并為下一運(yùn)算提供輸入;n級D觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器，在時(shí)鐘控制下實(shí)現(xiàn)右移，依次輸出其內(nèi)部狀態(tài)。同時(shí)某些觸發(fā)器的輸出反饋回來，與進(jìn)位寄存器的輸出進(jìn)行運(yùn)算，和模2反饋至寄存器輸入端，和除2反饋至進(jìn)位寄存器。

式(1)中qi∈GF(2) ，(i=1，2，…，r-1)在實(shí)際電路中為抽頭的連接狀態(tài)，決定哪一級輸出反饋至加法器，qi=0表示斷開，qi=1表示連接。

FCSR序列發(fā)生器的外部引腳定義如圖2所示。

其中，CLK為時(shí)鐘信號(hào);RESET為置數(shù)信號(hào);PRN為初態(tài)置數(shù)端;SEL為抽頭置數(shù)端;Q為輸出端。該FCSR序列發(fā)生器的特點(diǎn)在于可以通過設(shè)定SEL[9…0]的值來改變抽頭數(shù)、抽頭位置和發(fā)生器的有效級數(shù)n(1~10級);當(dāng)RESET為低電平時(shí)，通過設(shè)定PR N[9…0]的值改變FCSR的初態(tài)，從而可以改變輸出序列周期，分析各種狀態(tài)下輸出 序列的變化。

2.2可變參數(shù)部分的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過手動(dòng)或軟件自動(dòng)設(shè)定SEL[9…0]的值來改變抽頭數(shù)、抽頭位置和發(fā)生器的有效級數(shù)3個(gè)參數(shù)，其中改變最高抽頭位置可使有效長度可變。具體電路中，由SEL[9…0]設(shè)定值作為加法器的輸入，輸出結(jié)果進(jìn)行下一步運(yùn)算，因此需要設(shè)計(jì)輸入變量較多、延遲時(shí)間較短的加法器電路。

這里的求和運(yùn)算可以等效為計(jì)算輸入變量中“1”的個(gè)數(shù)。對此有多種實(shí)現(xiàn)方案，如計(jì)數(shù)法、邏輯函數(shù)法、查表法、求和網(wǎng)絡(luò)法等。單純使用一種方法，在輸入變量較多的情況下會(huì)有占用資源太多、延遲時(shí)間太大或表達(dá)式太繁瑣等問題，因此需要綜合使用這些方法。該加法器綜合使用邏輯函數(shù)-求和網(wǎng)絡(luò)法，由1位累加器和3位串行加法器實(shí)現(xiàn)。

由于n=10，則抽頭數(shù)至多為10，可以分2組進(jìn)行求和。因此首先設(shè)計(jì)5輸入、3位輸出的累加器。用卡諾圖簡化后，寫邏輯表達(dá)式如下：

3位串行加法器的設(shè)計(jì)比較簡單，不再贅述，則10輸入變量、3位輸出的加法器電路原理圖如圖3所示。

這里求和網(wǎng)絡(luò)只有1級，不難由此擴(kuò)充成多級。該電路延遲至多為8級邏輯門的延遲時(shí)間，占用資源也較少。

2.3主程序

根據(jù)FCSR序列產(chǎn)生的原理，采用VHDL語言的混合描述方式對該邏輯進(jìn)行硬件描述。主程序l_seq如下：

其中元件例化語句中所引用的元件已經(jīng)作為組件在compONents.vhd用戶包進(jìn)行定義，在主程序中調(diào)用即可。

3時(shí)序仿真

該程序在Lattice公司的ispLEVER軟件環(huán)境下編譯、運(yùn)行和仿真。該FCSR序列發(fā)生器可選級數(shù)為1~10級，周期范圍為1~2 029。經(jīng)分析知，當(dāng)初態(tài)為平凡周期狀態(tài)(0;0，…，0)和(w -1;1，…，1)時(shí)，輸出為全“0”或全“1”。當(dāng)抽頭置數(shù)為“0100000110”，即q9=q3 =q2=1，實(shí)際上是一個(gè)n=9的l序列發(fā)生器;置FCSR初態(tài)為(0,0,0,0;0,0, 0,1,1,0,1,0,1,0)時(shí)，波形如圖3所示，此時(shí)輸出序列的周期T=523。

4需要注意的問題

(1)通過調(diào)整SEL及PRN的值并分析輸出序列變化可知，不是任意整數(shù)作為連接數(shù)都能使F C SR達(dá)到最大周期。在工程應(yīng)用當(dāng)中，l-序列是最希望得到的。因此在使用FCSR時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選用那些可以產(chǎn)生l-序列的特殊的連接數(shù)，如文獻(xiàn)[1]中提供的一些連接數(shù)。

(2)當(dāng)q為非最大周期連接數(shù)時(shí)，某些初態(tài)會(huì)有周期更小的序列輸出。例如當(dāng)q=17時(shí)，ord17(2)=8，即他有最大周期T=8。而實(shí)際上除2個(gè)平凡狀態(tài)外，某些初態(tài)會(huì)導(dǎo)致輸出T=6的周期序列。在密碼設(shè)計(jì)中，由于FCSR的初態(tài)對應(yīng)著初始密鑰，這就意味著基于FCSR發(fā)生器有弱密鑰。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要仔細(xì)選擇。

(3)本例中，由于抽頭數(shù)最大為9，所以4位進(jìn)位寄存器即可滿足要求。實(shí)際上，當(dāng)t >2時(shí)(t為抽頭數(shù))，進(jìn)位寄存器最小應(yīng)為log2t。

(4)當(dāng)加法器采用組合電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，需注意邏輯門延遲影響。在抽頭數(shù)較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整電路的時(shí)鐘頻率。

5結(jié)語

FCSR是一類較新穎的思想，其數(shù)學(xué)特性目前還不太清晰。因此今后可以從理論和技術(shù)實(shí)踐兩方面來分析FCSR的隨機(jī)特性和應(yīng)用特點(diǎn)。本軟件在通過時(shí)序仿真和適配后，配置La tTIce公司的CPLD器件，輸出序列達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。