物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）作为一种独特地“数字指纹”,能够按需生成密钥,且生成的密钥不需要存储在NVM中,同时PUF还具有轻量级、高安全和不可克隆等良好特性,能够为信息安全提供物理层面的保护。本文主要针对环形振荡器物理不可克隆函数（RO PUF,Ring Oscillator PUF）可靠性低、生成的响应序列随机性不够高而导致其实用性较低的问题展开研究,旨在更好地提升RO PUF的实用性。首先,针对现有RO PUF结构可靠性低的不足,基于电路延迟特性提出了一种多路径低消耗的可配置RO PUF（Multipath Low Consumption RO PUF,MLC-RO PUF）结构,并在Xilinx Spartan 3E系列FPGA上完成了该结构设计,通过与传统RO PUF、M-RO PUF、D-RO PUF、C-RO PUF四种结构的对比分析,MLC-RO PUF结构在可靠性和硬件资源消耗方面都具有一定优势。相比其它类型的RO PUF,MLC-RO PUF受电压与温度的变化影响较小,具有较高的可靠性;在资源消耗上,MLC-RO PUF能以较少硬件资源产生更多的可配置数。然后,针对RO PUF响应随机性不够高的不足,一方面,在静态环境下,对频率去规律化方法进行改进,以较少的频率过滤次数得到更随机的频率分布;另一方面,在动态环境下,提出了一种RO频率置换算法,相比类斜率补偿算法与频率偏移算法,本文提出的方法具有更高的稳定性,较好的保障了RO PUF响应随机性。最后,本文从RO PUF的实际应用出发,对基于MLC-RO PUF的密钥生成方案进行了总体设计与仿真,证明了本文方案具有可行性,同时从密钥生成的硬件资源消耗和耗时两方面进行评估,与M-RO PUF和D-RO PUF方案相比,MLC-RO PUF能够在满足资源受限设备的设计要求下,以较低的耗时完成密钥生成,具有较高的实用性优势。