近些年来,随着集成电路技术的高速发展和指纹识别技术的广泛应用,物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)的概念应运而生。凭借高安全、轻量级和低功耗等良好特性,已经逐渐发展为硬件安全领域的一项重要技术。本文在深入研究物理不可克隆函数的原理和国内外研究现状的基础之上,结合目前嵌入式系统中一些比较常见的安全问题:IP(Intellectual Property)盗窃、反向设计攻击和一系列针对密钥的攻击等,提出了PUF辅助安全设计机制,对嵌入式系统的硬件和软件进行保护。本文的主要研究工作如下:首先介绍PUF的基本概念和特点,结合当前的研究现状,对不同的PUF进行对比,并且分析针对PUF的一些常见攻击。上述的研究对于PUF在嵌入式系统中的应用具有指导意义。其次,针对集成电路中硬件IP核的安全问题展开研究,提出基于PUF的硬件IP核混淆保护技术。通过三种不同的门级混淆方法,对原电路的功能和结构进行隐藏。这种方法可以在IP核的生产制造等各个环节进行保护,同时削弱反向设计的攻击。再次,研究基于指令级PUF的安全嵌入式系统设计方法。结合指令级PUF,探索硬件和软件相互认证的机制,对硬件和软件同时进行加密保护。该机制可以增强嵌入式系统中软件和硬件的可信度。然后,考虑到目前大多数PUF存在可靠性差的问题,实现新型数字PUF。通过研究FPGA(Field Programmable Gate Array)中LUT(Look-Up Table)的特点,建立基于LUT网络的PUF模型,并在嵌入式系统中进行测试验证。数字PUF可以在温度、电压等环境变化的情况下,仍然输出稳定的数据,具有良好的稳定性和可靠性。最后,使用基于SRAM的PUF,实现高安全、高吞吐量的硬件真随机数发生器。分析SRAM内部未初始化的噪音特点,研究提取真随机数种子的方法,结合数字PUF,产生大量的随机数。这种随机数发生器适合在需要大量密钥的环境下使用,如传感器网络等。本论文通过使用PUF对嵌入式系统中的硬件IP、软件IP以及随机数发生器进行安全设计与实现,测试结果表明,PUF可以提高嵌入式系统的安全性,并且对系统的功耗、成本和性能影响很小。本论文的研究成果在嵌入式安全领域具有重要的学术和应用价值。