真随机数发生器为各种芯片的加密操作提供所需的不可预测数据,随机数的随机性直接影响到加密算法的安全性和抗攻击性。因此,随机数发生器的稳定性、鲁棒性和随机性就十分重要。真随机数发生器由熵产生、熵提取及后处理电路组成,设计核心是实现一个高可靠的熵源和精确的熵提取电路。根据设计的要求,本文在研究各种高可靠熵源的基础上,提出了一种基于自定时振荡环的真随机数发生器设计方法。自定时振荡环具有较好的稳定性,而且可以通过设置初始状态来控制振荡模式和振荡频率,提高了振荡环输出可靠熵的速度。针对提出的熵源结构,本文还提出了高精度采样熵提取模块,提高了单位熵的提取效率,并保证了提取的可靠性。本文提出的基于自定时振荡环的真随机数发生器,在Xilinx Virtex-5 FPGA芯片上进行了设计和验证。其中,自定时振荡环的密勒单元使用板上LUT实现,采样模块使用CARRY4级联的快速延迟链实现。设计中,对电路进行手动的布局布线和优化,以减少线上延时对电路的干扰。电路产生的随机数使用UART串口输出,并通过了NIST随机数测试,达到了150Mbps的输出速率。为了使本文提出的真随机数发生器能够集成到SoC系统中,本文为真随机数发生器增加接口和硬件模块,并且在ARM TrustZone环境中仿真和验证。结果表明,本文提出的随机数发生电路具有可靠的结果和较高的输出速度,适合在SoC系统中进行应用。