随机数无处不在。随机现象存在在人们生活的各个角落。在信息学领域,随机数最为重要和广泛的应用是用来生成密码算法的密钥,无论是对称公钥密码算法中的AES算法,DES算法,非对称公钥密码算法中的RSA算法,ECC算法等。都需要一个绝对安全无法被猜中的密钥来保证密码算法体系的绝对安全。作为最近最为火热的技术,随着比特币的兴起与广泛使用,与之相关的区块链技术更是将远程加密通信的安全性,终端信息存储的安全性要求提到了一个新的高度,因此作为产生随机数的载体——随机数发生器的设计成为了近年来密码学领域研究的热点。本文系统总结了可以应用在终端设备上的,在集成电路上实现的真随机数发生器的设计方法,真随机数发生器的后处理方法,目前被广泛使用的针对安全芯片的随机数发生器的检测标准,以及随机数发生器模块的在线测试设计;针对随机数发生器在工业界设计中存在的一些难点,提出了相应的设计改进措施以及新的随机数发生器设计方法。具体表现为为了提高设计效率,对基于振荡采样真随机数发生器进行数学建模,并分析关键参数对随机数发生器输出序列随机性的影响。为了减弱高频振荡器占空比的偏差对随机性的影响,应用分频器实现了改进版的设计方案。同时,为了满足检测机构对于随机数发生器多熵源的要求,设计了一种新的基于混沌电路采样的随机数发生器的设计方法,该设计方法同样经过软件与硬件仿真,在测试芯片上成功验证,作为与基于振荡采样随机源配合使用的熵源。为了解决在输出随机序列测试过程中发现的串行测试通过率低的问题,作者设计了一种新的随机数发生器后处理方法——动态平衡算法(DEA).来解决输出序列统计性差的问题。最后,作者实现了几种随机数发生器在线测试的方法,进一步增强了随机数发生器设计的鲁棒性。应用本文使用方法设计的真随机数发生器的测试芯片已经通过国际权威测试结构NIST FIPS140-2的认证。本文主要的创新点如下:·提出一种新的基于环形振荡器采样的真随机数发生器的数学建模方法。指出关键参数对输出序列的影响,并针对占空比的影响设计基于分频器的改进方法。该设计通过软件硬件仿真测试后,在测试芯片上成功验证。·提出一种新的基于三维双螺旋的混沌真随机数发生器的设计方法。该方法具有输出序列随机性好,易于集成电路实现等优点。是一种新的混沌电路真随机数发生器设计方式。该设计通过软件硬件仿真测试后,在测试芯片上成功验证。·提出一种新的真随机数发生器的后处理算法——动态平衡算法,该算法解决传统的线性反馈移位寄存器作为真随机数发生器的后处理方法无法解决的串行测试通过率低的问题。该算法实现简单,已集成到实际电路的C算法库中,在测试芯片上成功验证。