利用FPGA的自身特性实现随机数发生器

图2. 3个反相器组成的振荡器外加一个D触发器

ChipScope的观察

首先对管脚以及时钟进行约束，为了通过ChipScope观察随机数的输出序列，还需要添加ICON以及ILA IP core。操作如下，在ISE窗口左侧的source栏中右键选择new source，然后见到New Source Wizard窗口。输入一个名字，然后点击OK。然后在Source窗口中看到生成的cdc source file。接下来就是配置触发信号、观察信号、时钟信号等属性。

图3. New Source Wizard

这里不细说如何配置，具体见参考文献3。

在这里，观察的RNG输出信号同时作为触发信号来配置。配置完后编译实现。然后再Process栏中选择Analyze Design Using ChipScope 同时连接Virtex-II Pro板子并且上电。进入ChipScope　Pro Analyzer界面后点击工具栏中的OPEN Cable/Search JTAG Chain，然后看到JTAG Chain上的三个设备。右键选中FPGA芯片（XC2VP30），选择配置，选中刚才生成的bit文件。配置完成后会出现图5的信号列表。
图5中Trigger Setup是触发配置，Waveform 是波形列表。

图4. JTAG Chain

图5. 信号观察列表

双击 Waveform打开波形观察窗口，因为触发信号就是需要观察的信号，所以这里不用设置触发。在工具栏中点击 ，你就可以观察到随机数的输出波形了，图6。肉眼观察信号比较随机，但是没有定性的测试。
 

随机数的测试

常用的测试随机数的工具有ENT[4]，DIEHARD[5]等。而这些工具需要大量的随机数（最好是10M以上的数据）才可以测试，而用ChipScope最多一次只能才是65536bit的数据，这样的测试肯定是不行的。所以将同样的设计放到了PCIeV4base，这个板子具有PCIe插槽，用的是Virtex-4的FPGA芯片。PC机通过PCIe桥接芯片读取数据，这样很方便得到大量的随机数数据。

具体的原理图，图7。看起来有些麻烦，涉及到了FIFO，Wishbone上添加从设备，以及Linux下PCIe的编程，幸好相关的东西已经有实例和SDK提供，只要做一些修改就可以了。

图7. 随机数发生器作为WISHBONE BUS的从设备的原理图

最后通过软件得到15MB的数据。然后通过ENT工具进行测试，测试的结果如下：

D:\Document\RNG\ent>ent out
Entropy = 7.999890 bits per byte.

Optimum compression would reduce the size
of this 16777212 byte file by 0 percent.

Chi square distribution for 16777212 samples is 2563.57, and randomly
would exceed this value less than 0.01 percent of the times.

Arithmetic mean value of data bytes is 127.5056 (127.5 = random).
Monte Carlo value for Pi is 3.141033445 (error 0.02 percent).
Serial correlation coefficient is -0.000568 (totally uncorrelated = 0.0).

测试的结果分析，得到随机数比较理想。