随着物联网（Internet of Things,IoT）技术的快速发展,确保用户隐私信息不被泄露成为关键问题。传统的软件保护方法难以满足IoT设备芯片的轻量化和低功耗需求。本论文从设备芯片供应和数据安全角度出发,研究物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）和真随机数发生器（True Random Number Generator,TRNG）,以增强IoT设备安全性。首先以通孔PUF（contact PUF）为例,论文提出了一种更高效的通孔PUF后处理方法SXOR。SXOR可以减少后处理电路的开销面积,对实现物联网设备安全模块的轻量化具有实用价值。在所提出的后处理电路仅占XOR面积50.6%的情况下,SXOR和XOR的后处理效果基本相同。所提出的后处理方法得到的PUF输出比特序列的平均汉明重量为0.499735,基于异或的后处理方法得到的汉明重量为0.499999。此外,本文还通过全定制数字单元的设计方法结合电路仿真的结果,成功设计实现了用于自动布局布线的通孔PUF定制单元。针对物联网设备中固件保护的问题,论文设计了集成PUF的轻量级固件保护芯片,该芯片使用通孔PUF作为PUF模块的实现方案,并采用SXOR作为PUF后处理方法。芯片具有身份认证及数据加解密功能,其中身份认证主要通过PUF实现,数据加解密的密钥产生也有PUF参与。按照标准数字IC设计流程对芯片进行实现,采用65 nm工艺,对芯片的RTL（Register Transfer Level Design）代码设计仿真,再进行逻辑综合,功耗时序分析,最后进行后端的布局布线物理实现,芯片面积为0.288 mm~2,功耗在10 mW左右,core面积仅为0.235 mm~2。在FPGA（Field Programmable Gate Array）上设计实现了高可移植性且轻量的基于自定时环的真随机数发生器,由16个5输入LUT搭建的两个8阶自定时环（Self-timed Ring,STR）后处理模块为8个2输入LUT的吞吐率为8 Mbps,后处理模块为4个4输入LUT的吞吐率为10 Mbps。对相干采样方法进行了加入高斯抖动的仿真,发现了首级采样触发器的输入时钟信号抖动在随机性产生中占主导地位。再通过提出的两种理论分析方法,严格证明了相干采样的输出遵循均匀分布。并且通过不同布局布线的约束证明了其对布局布线要求较低,有高可移植性。