物理防克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)是物理安全领域的一种热门技术。凭借防克隆攻击、防篡改以及轻量级等良好的特性,使其在系统认证及密钥生成等安全方面具有广泛的应用前景。随着研究的深入,物理防克隆函数的实现方式越来越多样化,基于时延的物理防克隆函数是其中一种比较成熟的方案,其原理简单、实现方式多样并展现出了良好的物理防克隆特性。本文设计并实现了基于FPGA的微处理器PUF方案,借鉴微处理器指令执行原理提取FPGA阵列上的随机时延作为该物理实体的标签,经过在Spartan6 FPGA平台上测试验证,基本可以满足物理防克隆函数的特性和要求。本文首先介绍了物理防克隆函数的相关定义和属性,分析了基于时延的物理防克隆函数的基本原理,比较和分析了不同实现方式的性能。然后分析了微处理器PUF的基本原理、设计方案并在S3C2440微处理器上进行了验证性测试,测试结果表明该PUF的实现方案具有可行性。接着给出了基于FPGA的微处理器PUF的系统实现方案,包括软硬件平台的介绍、系统结构分析、功能模块设计与仿真,并对该系统方案进行了测试,针对测试结果分析本文所设计的PUF实现方案的相关属性。同时,本文将设计实现的物理防克隆函数电路应用于认证和密钥流生成器中,阐述了认证和密钥流生成器的实现原理,并分析了本文所设计的物理防克隆函数应用于认证和密钥流生成器的方式,最后分析了应用于认证后的效果以及生成的密钥序列的性能,测试结果表明可以有效的实现认证,生成的密钥流序列随机性良好。