动态配置模块 - 动态可配置多输出RO PUF设计研究

表1列出了不同输出位数多输出RO和传统RO的芯片资源占用情况。第二列表示不同输出位数下，一对多输出ROs用以产生不同的输出位的LAB占用数量。第三列表示传统RO产生相对应的输出位数所占用的LAB数量。可以看出，多输出RO占用的芯片资源更少。例如，128位输出需要65个两位输出ROs，占65个LAB，也可以由33个四位输出ROs产生，占99个LAB， 但如果使用传统的RO结构，则需要129年ROs，占129个LAB，所占的LAB数量是最多的。可以看出，多输出RO在芯片资源利用率上具有很大的优势。

2 动态配置过程模块

动态可配置多路输出RO PUF的总体结构如图5所示。N个两位输出的一对环形振荡器（ROs）通过比较相邻ROs的频率生成2(N-1)个输出位。传感器由五级环形振荡器构成，振荡频率与环境温度和电源电压成线性关系[6]。传感器主要用于检测芯片工作情况。为了可以根据环境情况动态调整相邻振荡器的结构，从而确保相邻的ROs保持一个相对较大的频率差，当环境温度和工作电压超过预先设定的阈值时，FSM控制器[7]启动动态配置过程从而计算出在当前环境下的“最优配置向量”。因此，环境对输出位的影响将降低，从而动态可配置多输出RO PUF鲁棒性得到提高。

“最优配置向量”不是简单的产生最大的频率差的向量。相反，它是由ROs的频率差的分布来决定。对不同配置向量下所有的ROs的正频率差进行求和。如果上一个ROs的正频率差大于下一个ROs的正频率差，表明上下两对ROs的频率差为正，选择可使正频率差最大的配置向量作为“最优配置向量”。相反，如果上一个ROs的正频率差小于下一个ROs的正频率差，选择一个对应的负频率差最大的配置向量作为“最优配置向量”，从而可以扩大上下频率差的绝对值，进而提高比较精度。

3 实验结果

对10个Xilinx Spartan XC3S1000 FPGA进行数据提取，数据通过快速单一链接（Fast Simple Link）接口传输到MicroBlaze中进行处理。每个FPGA通过65个ROs产生128位的输出。每个输出测量50次。分别对传统RO PUF、可配置RO PUF和动态可配置多输出RO PUF进行数据分析。

RO PUF的平均片间汉明距离比例[8]可以表征同一类型PUF电路与其他个体的区分度。其计算方式如式(1)。

其中hij表示第i和第j个PUF电路产生的位输出相应，k是FPGA的个数。提取数据后计算可得不同RO PUF的平均片间汉明距离比例如表2所示。

对比以上3种RO PUF对总的位数输出相应的平均片间汉明距离比例结果可以看出，3种RO PUF的平均片间汉明距离比例都接近理想的50%,动态可配置多输出RO PUF片间汉明距离比例最高。但3种RO PUF都表现出良好的唯一性。因此，3种RO PUF的输出都可以作为每个芯片ID。

片内汉明距离可以描述PUF系统的鲁棒性和可靠性，其计算如式（2）所示。

其中，M为不同工作环境的个数，hri表示在理想工作条件(25 ℃，1.2 V)下和第i种工作情况对比条件下的n位输出响应。由于鲁棒性和可靠性主要受环境温度和电源电压的影响。让所使用的Xilinx FPGA分别工作在固定工作环境下和变化的工作环境下进行参数提取，分别对其片内汉明距离进行检测。

(1)固定环境温度和电源电压情况下

在30 ℃，1.2 V接近理想工作环境下进行参数提取，不同RO PUF结构的平均片内汉明距离如表3所示。

在接近FPGA标准工作条件下，测试误差和片内噪声是影响其鲁棒性的主要因素[9]。由表可以看出，可配置RO PUF可以将该RO PUF对误差和噪声影响降至几乎0。

(2)变化的环境温度和电源电压情况下

现实条件下，芯片的工作环境温度和电源电压总是在不断的变化之中。因此，降低环境温度和电源电压对芯片ID提取的影响意义重大。表4列出环境温度从-30 ℃变化到+70 ℃，电压1.15 V变化到1.25 V时，3种RO PUF的平均片内汉明距离比例变化情况。虽然在温度变化时，动态可配置RO PUF在ID提取上没有很大优势，但是电源电压改变时,可配置多输出RO PUF在位翻转率最低，可更加精确地提取芯片ID。

4 结论

本文结合针对传统RO PUF和可配置RO PUF输出位数不足，占用芯片资源过多的现实情况，在可配置RO PUF的基础上改进，提出了动态可配置多输出RO PUF，在提高输出位数和节约芯片资源的同时，还提高了系统的唯一性和鲁棒性，进而可提高提取芯片ID的精度。对应用RO PUF进行芯片知识产权（IP核）保护意义重大。