高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)接收端的研究與設(shè)計(jì)

蔣特林，陽(yáng)玉才

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

高清視頻信號(hào)是一種典型的可以從一個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)紻VIHDMI接口的信號(hào)。這些接口能保證傳遞的視頻圖像保持原本的質(zhì)量，因此可以獲得更多的終端用戶，但對(duì)于企業(yè)來說，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)更多沒有經(jīng)過授權(quán)和非法復(fù)制傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)的知識(shí)版權(quán)保護(hù)技術(shù)僅僅能夠保護(hù)已經(jīng)存儲(chǔ)在某種介質(zhì)上的數(shù)據(jù)，但是高清視頻信號(hào)仍然能夠通過DVIHDMI之類的數(shù)字接口進(jìn)行傳輸[1]，為了解決這個(gè)問題，HDCP就應(yīng)運(yùn)而生[2]。HDCP是一個(gè)基于數(shù)據(jù)加密和授權(quán)驗(yàn)證的內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)。圖1描述了HDCP在數(shù)字視頻信號(hào)的發(fā)射端和接收端系統(tǒng)中的角色。

圖1 視頻傳輸系統(tǒng)中的HDCP[3]

為解決速度和功耗的問題，使用最小差分信號(hào)傳輸(Transition Minimized Differential Signaling，TMDS)來傳輸信號(hào)[2]。在DVI和HDMI里都有一個(gè)為控制在發(fā)送端與接收端信息交換的通道，這個(gè)通道類似于顯示器數(shù)據(jù)通道(Display Data Channel，DDC)。

1 HDCP接收端的結(jié)構(gòu)

圖2描述了HDCP接收端的基本結(jié)構(gòu)。HDCP接收端有2個(gè)通信模塊:HDCP發(fā)送端位于HDMIDVI接收端芯片的外部;而接收端位于HDMIDVI接收端芯片的內(nèi)部。

HDCP發(fā)送端通過I2C總線發(fā)送授權(quán)認(rèn)證信號(hào)給接收端。HDMI接收端接口通過HDCP控制寄存器的更新來發(fā)出操作指令，從而控制HDCP接收端的狀態(tài)，以及提供必要的信息HDCP接收端知道工作在視頻傳輸?shù)碾A段，從HDMI接口接收到解密信息并發(fā)送回去。

HDCP接收端由4個(gè)模塊組成:I2C從機(jī)接口，控制寄存器，HDCP控制器以及數(shù)據(jù)加密機(jī)。應(yīng)該注意圖2描述的是HDCP接收端的工作環(huán)境，不能把它理解成HDCP發(fā)送端和HDMI接收端輸入或輸出信號(hào)的最終傳輸示意圖。文中的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)能夠支持DVI和HDMI的HDCP接收端。

圖2 HDCP接收端的結(jié)構(gòu)

當(dāng)打包數(shù)據(jù)或視頻數(shù)據(jù)是邏輯高電平時(shí)，數(shù)據(jù)從HDMI輸入到HDCP接收端的解密才有效。數(shù)據(jù)的輸入與輸出必須在2個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。HDMI只有在這個(gè)時(shí)間內(nèi)才能夠接收到數(shù)據(jù)。圖3描述了數(shù)據(jù)輸入與輸出之間的時(shí)序關(guān)系。

圖3 數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序圖

2 子模塊的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)加密模塊

數(shù)據(jù)加密是為了將數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行加密，防止不合法的傳輸和復(fù)制，它是內(nèi)容保護(hù)的核心邏輯模塊。HDCP加密好的數(shù)據(jù)是由HDCP加密機(jī)產(chǎn)生的24位偽隨機(jī)數(shù)據(jù)流與HDCP保護(hù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)按逐位異或的結(jié)果。HDCP加密是一種能同時(shí)為身份授權(quán)認(rèn)證和高速傳輸非壓縮視頻數(shù)據(jù)的特殊加密設(shè)計(jì)[4]。

數(shù)據(jù)加密模塊采用流加密方法實(shí)現(xiàn)，流加密的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由3部分組成[3]:

(1)線性反饋移位寄存器(Linear Feedback Shift Register，LFSR)模塊。包括4個(gè)不同長(zhǎng)度的線性反饋移位寄存器和一個(gè)混疊網(wǎng)絡(luò)。

(2)分組模塊。由2個(gè)結(jié)構(gòu)非常類似的輪函數(shù)B和輪函數(shù)K模塊組成。

(3)輸出功能模塊。由基于異或的組合電路組成，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖里產(chǎn)生一個(gè)24位的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)。

HDCP控制器根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流通方式，分為以下幾種不同加密的操作模式:hdcpBlockCipher，hdcp-SteamCipher，hdcpRekeyCipher，HDCPRngCipher。在HDCP的協(xié)議中對(duì)上述幾種操作模式都有詳細(xì)的介紹。HDCPRngCipher操作模式僅為用在發(fā)送端中，所以在此不需要支持該種操作模式。

圖4 數(shù)據(jù)加密模塊

2.2 HDCP接收端控制器

HDCP控制模塊控制HDCP接收端的所有操作，它通過個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)HDCP接收端的狀態(tài)的控制。

(2)計(jì)算Km值，HDCP接收端把Key存儲(chǔ)到控制器中。

(3)接收端授權(quán)認(rèn)證狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

(4)HDCP加密狀態(tài)的轉(zhuǎn)換:OESS，EESS，兩種加密方式[5]。

圖5描述了授權(quán)認(rèn)證的4個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系。狀態(tài)A0:未授權(quán)認(rèn)證狀態(tài);狀態(tài)A1:計(jì)算;狀態(tài)A2:授權(quán)認(rèn)證完成;狀態(tài)A3:更新Ri'的值。

圖5 授權(quán)認(rèn)證狀態(tài)圖

在Aksv更新信號(hào)獲得確認(rèn)后，HDCP控制器根據(jù)HDCP發(fā)送端的KSV值使用56位二進(jìn)制的加法來計(jì)算Km'值。

在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)進(jìn)行20次56位的加法操作可能會(huì)產(chǎn)生不能接受的延遲。為了解決這個(gè)問題在此提出兩種方法來實(shí)現(xiàn)該操作。方法一:采用流水線結(jié)構(gòu)，在每個(gè)周期里完成一次56位的加法操作，然后在20個(gè)周期里完成Km'的最終計(jì)算;方法二:使用節(jié)約加法器來壓縮從2～20的算子，然后執(zhí)行最終的加法操作。方法二比方法一具有更高的可執(zhí)行性，但是需要占用更多的資源;方法一相對(duì)能節(jié)約更多的資源但是延時(shí)大。

根據(jù)HDCP協(xié)議的要求 H DCP接收端必須在100 ms內(nèi)完成 Km'、Ks'、M0'、R0'值的計(jì)算并把有效的R0'值傳給HDCP的發(fā)送端，該過程是在HDCP發(fā)送端的讀操作到HDCP發(fā)送端完成把Aksv寫到視頻接收端的操作之后進(jìn)行，這就意味著延遲在這不是問題，所以在此選擇方法一來進(jìn)行計(jì)算Km'值。

接收端授權(quán)狀態(tài)機(jī)是控制器模塊的核心部分。其他所有的狀態(tài)機(jī)操作指令都是由這個(gè)狀態(tài)機(jī)發(fā)出的。授權(quán)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是以Aksv完成接收為標(biāo)志，當(dāng)HDCP發(fā)送端完成把Aksv寫到HDCP接收端寄存器0x14位置時(shí)，控制寄存器模塊將產(chǎn)生這個(gè)標(biāo)志信號(hào)。

2.3 控制器寄存器

當(dāng)HDCP接收端是第一連接器件時(shí)，控制寄存器根據(jù)HDCP協(xié)議中定義的，除了0x20～0x30，0x43地址位，這些是HDCP中繼器的控制寄存器;當(dāng)HDCP接收端是第二連接器件時(shí)，僅僅是控制寄存器的子集才允許進(jìn)入的。I2C接口子模塊會(huì)發(fā)出一個(gè)從HDMI接收端接口連接到第一還是第二的指示信號(hào)。

所有的寄存器只有一個(gè)能進(jìn)行寫操作的源信號(hào)。源信號(hào)可能來自3個(gè)地方:HDCP發(fā)送端，HDMI接口以及HDCP接收端。HDCP發(fā)送端能夠往寄存器中的0x10地址中寫入Aksv，0x15地址中寫入Ainfo，0x18地址中寫入An;HDCP接收端能夠往寄存器中的0x08地址中寫入Ri，在0x0A地址中寫入pj;HDMI能夠往寄存器中的0x00地址中寫入Bksv，0x40地址中寫入Bcpas，0x41地址中寫入Bstatus。寫操作的時(shí)鐘信號(hào)不是系統(tǒng)時(shí)鐘而是像素時(shí)鐘。當(dāng)最后一位Aksv寫入到寄存器的時(shí)候Aksv，Ainfo寄存器復(fù)位到零，用復(fù)寫寄存器機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

2.4 I2 C從機(jī)接口

Philips開始開發(fā)總線用來在器件內(nèi)部和電視設(shè)備進(jìn)行通信[6]。HDCP里面定義 I2C作為控制通道接口。有3種操作模式:讀(read)、寫(write)和短讀(short read)。讀與短讀之間的區(qū)別是看讀取數(shù)據(jù)過程是在Start(S)還是Repeated Start(RS)條件下初始化的。在短讀模式中，在實(shí)際的讀操作前不需要寫入寄存器的偏移地址。

在此HDCP接收端里面必須有一個(gè)能夠支持I2C總線的邏輯器件。I2C與第一連接器件的8位的二進(jìn)制的地址是0111 010x;或者是16進(jìn)制的0x74作為I2C地址，讀寫位置零。與第二連接器件的地址是0x76。I2C從機(jī)接口邏輯在決定與控制寄存器的哪部分連接根據(jù)HDCP發(fā)送端指示的從機(jī)地址來確定。這個(gè)子模塊需注意以下幾點(diǎn):

(1)僅有4個(gè)寄存器支持該寫操作即Aksv、Ainfo、An、dbg。

(2)必須有一個(gè)寫操作先于Aksv到來。

(3)第一連接器件、第二連接器件與HDCP連接的端口不一樣。

(4)地址自動(dòng)增加必須由I2C接口實(shí)現(xiàn)。

(5)ksv FIFO讀操作行為地址的增加不同于其他地址增加方法。

(6)授權(quán)觸發(fā)條件:寄存器更新Aksv、Ainfo、An值，最后寫入到寄存器中的0x14地址中用以觸發(fā)HDCP接收端的授權(quán)認(rèn)證序列。

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一直在尋求一種速度更快，面積更小的電路，以在提高可執(zhí)行性的同時(shí)能減少成本。目前物理層的設(shè)計(jì)是解決這一問題的重要手段。用全定制設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)I2C從機(jī)接口可以達(dá)到減少芯片的面積和功耗。所有的邏輯門和時(shí)序元素，如鎖存器、D觸發(fā)器是使用靜態(tài)的方式來提高電路的可靠性。最常見的方式就是使用主從結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器設(shè)計(jì)I2C從機(jī)接口。

3 結(jié)束語(yǔ)

討論了HDCP接收端的結(jié)構(gòu)，分析了具體的實(shí)現(xiàn)方法。其中包括I2C從機(jī)接口、控制寄存器、接收端控制器、加密機(jī)等子模塊的設(shè)計(jì)。此HDCP接收端根據(jù)HDCP協(xié)議設(shè)計(jì)，符合HDCP協(xié)議的要求。

[1]EUGENE T L，AHMET M E，REGINALD L L，et al.Advance in digital video content protection[J].Proceeding of the IEEE，2005，93(1):171-183.

[2]Silicon Image Inc.High-Bandwidth Digital Content Protection White Paper[M].USA:Silicon Image Inc，2002.

[3]Microsoft Word.HDCP Specification Rev1_4.8[M].USA:Microsoft Word，2009.

[4]宋亞平，周玉潔.基于HDCP協(xié)議的流加密IP設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2007，40(11):314-315，318.

[5]Microsoft Word.HDCP Specification Rev1_1.9[M].USA:Microsoft Word，2003.

[6]KALINSKY D，KALINSKY R.Introduction to I2C[J].Embedded Systems Programming，2001，14(8):1101-1105.