補充: FPGA產(chǎn)生基于LFSR的偽隨機數(shù)

大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時間了，上一篇《薦讀：基于FPGA 的CRC校驗碼生成器》文中，提到了“要實現(xiàn)這一過程，仍然需要LFSR電路，參看《FPGA產(chǎn)生基于LFSR的偽隨機數(shù)》中關(guān)于該電路特性的介紹”，在這補一篇《FPGA產(chǎn)生基于LFSR的偽隨機數(shù)》，歡迎大家交流學(xué)習(xí)。

1.概念
通過一定的算法對事先選定的隨機種子(seed)做一定的運算可以得到一組人工生成的周期序列，在這組序列中以相同的概率選取其中一個數(shù)字，該數(shù)字稱作偽隨機數(shù)，由于所選數(shù)字并不具有完全的隨機性，但是從實用的角度而言，其隨機程度已足夠了。這里的“偽”的含義是，由于該隨機數(shù)是按照一定算法模擬產(chǎn)生的，其結(jié)果是確定的，是可見的，因此并不是真正的隨機數(shù)。偽隨機數(shù)的選擇是從隨機種子開始的，所以為了保證每次得到的偽隨機數(shù)都足夠地“隨機”，隨機種子的選擇就顯得非常重要，如果隨機種子一樣，那么同一個隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)也會一樣。

2.由LFSR引出的產(chǎn)生方法
產(chǎn)生偽隨機數(shù)的方法最常見的是利用一種線性反饋移位寄存器(LFSR),它是由n個D觸發(fā)器和若干個異或門組成的，如下圖：



其中，gn為反饋系數(shù)，取值只能為0或1，取為0時表明不存在該反饋之路，取為1時表明存在該反饋之路；n個D觸發(fā)器最多可以提供2^n-1個狀態(tài)(不包括全0的狀態(tài))，為了保證這些狀態(tài)沒有重復(fù)，gn的選擇必須滿足一定的條件。下面以n=3，g0=1，g1=1,g2=0,g3=1為例，說明LFSR的特性，具有該參數(shù)的LFSR結(jié)構(gòu)如下圖：


假設(shè)在開始時，D2D1D0=111(seed)，那么，當(dāng)時鐘到來時，有：

D2=D1_OUT=1；

D1=D0_OUT^D2_OUT=0；

D0=D2_OUT=1；

即D2D1D0=101；同理，又一個時鐘到來時，可得D2D1D0=001. ………………

畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：



從圖可以看出，正好有2^3-1=7個狀態(tài)，不包括全0；

如果你理解了上圖，至少可以得到三條結(jié)論：

1)初始狀態(tài)是由SEED提供的；

2)當(dāng)反饋系數(shù)不同時，得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖也不同；必須保證gn===1,否則哪來的反饋？

3)D觸發(fā)器的個數(shù)越多，產(chǎn)生的狀態(tài)就越多，也就越“隨機”；


3.verilog實現(xiàn)

基于以上原理，下面用verilog產(chǎn)生一個n=8，反饋系數(shù)為g0g1g2g3g4g5g6g7g8=101110001的偽隨機數(shù)發(fā)生器，它共有2^8=255個狀態(tài)，該LFSR的結(jié)構(gòu)如下：


verilog源代碼如下：



仿真波形：


以1111 1111為種子，load信號置位后，開始在255個狀態(tài)中循環(huán)，可將輸出值255、143、111……作為偽隨機數(shù)。

這篇補充就說到這里，各位，加油。