（微电子学与固体电子学专业论文）hdcp加密机在hdmi中的设计与仿真.pdf

摘要 摘要 h d c p ( h i g h b a n d w i d t hd i g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n ) 技术，中文称为“高宽带数字 内容保护”，是由好莱坞内容商与i n t e l 公司合作开发的一项视频内容保护新技术， 主要被应用在各种数字化视频设备上，例如电脑显示卡、d v d 播放机、显示器、 电视机、投影机等。h d c p 技术在内容保护机制上走了一条有别于传统的道路，并 且取得了良好效果，具有广泛的应用前景。 本文基于对h d c p 保护技术的产生及发展现状的介绍，分析了h d c p 设备的 通信方式及h d m i 规范中的视频数据传输方法，详细研究了h d c p 发送和接收设 备之间的相互认证机制，并根据h d c p 规范的要求，完成了对h d c p 系统中随机 数产生模块，即h d c p 加密机( h d c pc i p h e r ) 的设计，仿真及综合，达到了h d c p 规范中对模块的功能和时序要求。 h d c p 技术作为独立的系统应用在各种数字视频设备中。这种保护技术集成 于h d m i 接口芯片中，以达到在视频设备之间合法性验证的目的。针对现有h d c p 协议研究不多的现状，本文对h d c p 协议进行了研究，并对h d c p 发送接收机制 的进行了分析，为相关工程技术人员提供了较为详细的参考资料，同时通过对 h d c p 加密机模块的设计与仿真，为h d c p 加密机的设计工作提供了值得借鉴的 设计经验。本文具有很强的理论和实践意义。 关键词：h d c ph d c p 加密机h d m i1 2 c 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t h d c pi st h ef u l ln a m eo ft h eh i g h - b a n d w i d t hd i 。g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n t h e t e c h n o l o g yi st h ec o n t e n to fh o l l y w o o da n d t h ei n t e lc o r p o r a t i o nt od e v e l o p ，u s e di na v a r i e t yo fd i g i t a lv i d e od e v i c e s ，s u c ha st h ec o m p u t e r sv i d e oc a r d ，d v dp l a y e r s ， m o n i t o r s ，t e l e v i s i o n s ，p r o j e c t o r s e t c c o m p a r e d t ot h ec o n v e n t i o n a l e n c r y p t i o n t e c h n o l o g y , h d c pc o n t e n tp r o t e c t i o nm e c h a n i s mt a k e sac o m p l e t e l yd i f f e r e n tw a y , a n da c h i e v e d g r e a tr e s u l t s b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fh d m i ( h i g hd e f i n i t i o n m u l t i m e d i ai n t e r f a c e ) i nh d c pp r o t e c t i o nm e c h a n i s m ，t h i sp a p e ri n t r o d u cap r o t e c t i o n m e c h a n i s mo fh d c pt e c h n o l o g y , t h er e l a t e dv i d e ot e c h n o l o g y , ad e t a i l e da n a l y s i so f t h et w oh d c pd e v i c e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne a c ho t h e r ，a sw e l la st h ec e r t i f i c a t i o n p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ea g r e e m e n ta n dh d c pr e q u i r e m e n t s ，t oa c h i e v et h eh d c p p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h er a n d o mn u m b e rg e n e r a t o rm o d u l ef e a t u r e sav a r i e t yo f r e q u i r e m e n t s i nf a c t , h d c pt e c h n o l o g yi sa l li n d e p e n d e n ta p p l i c a t i o ni nav a r i e t yo fd i g i t a l v i d e oe q u i p m e n ti nt h eh d m is y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh d c pp r o t o c o l ，a n d p r o v i d e sam o r ed e t a i l e dr e f e r e n c ea n dd e s c r i p t i o no f t h ea d o p t i o no fh d c pe n c r y p t i o n m a c h i n ed e s i g nf o rr e l a t e de n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n s t h i sp a p e ra l s og i v e sh d c p c i p h e rw h i c hu s e d a st h er a n d o mn u m b e rg e n e r a t i o ns t r u c t u r ei nh d c ps y s t e m ，a n d p r i v o d e st h ed e s i g nw o r ke x p e r i e n c er e f e r e n c eo fh d c pe n c r y p t i o n t h e r e f o r e ，t h i s p a p e ri so fg r e a tt h eo r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：h d c ph d c pc i p h e r h d m i1 2 c - b u s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：互- 啦 i ii l i i ：趁通乙龃| _ 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着人们对高质量影音需求的不断提高，各种数字显示终端越来越多地走进 了千千万万的家庭，其中高清数字显示终端正受到越来越多的关注。据中央电视 台报道，中国将在2 0 1 5 年不再播放模拟电视信号，数字电视信号将全面取代模拟 信号；2 0 0 8 年8 月，央视在北京奥运会期间，推出了相应的数字频道，受到了广 泛的好评；国内电视或显示器生产厂商也都相继推出了相应的数字高清产品。迄 今为止，业界已经制定了一些高清数字接口协议，其中h d m i ( h i g hd e f i n i t i o n m u l t i m e d i ai n t e r f a c e 高清多媒体数字接口) 接口标准作为新一代高清数字接口规 范，以其自身宽带宽、安全性高、占用电缆少的特点，自2 0 0 2 年问世以来，迅速 抢占着全球高清数字接口市场。作为h d m i 关键技术之一的h d c p ( h i g h b a n d w i d t h d i g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n - 数字内容保护) 技术，广泛应用于各种高清数字设备的视 频及其辅助数据传输中，不具备h d c p 技术的h d m i 系统不能够被称为安全的多 媒体接口协议。 1 1h d c p 协议及其产生背景 h d c p 技术的实质是为利用数字格式进行传输的视频信号加入一层保护，该技 术主要应用在显示卡、d v d 播放机等传输端以及显示器、电视机、投影机等接收 端之间。h d c p 技术并非是使数字信号无法被不合法的终端录制下来，而是将数字 信号进行加密，让不合法的录制方法无法达到原有高分辨率的画质。 在支持h d c p 保护技术的播放设备或显示设备中都会拥有一组独一无二的 h d c p 密钥( s e e r e td e v i c ek e y s ) ，该密钥由4 0 组5 6 b i t 的密码矩阵组成，主要存放 在芯片制造商的芯片中。每一个拥有h d c p 芯片的设备还会拥有一组私钥( d e v i c e p f i v a t ek e y ) ，这组私钥被称为密钥选择矢量一k s v ( k e ys e l e c t i o nv e a 0 0 ，k s v 相 当于拥有h d c p 芯片设备的序号。h d c p 传输器在发送信号前会检查接收端是否 合法，这时需利用设备的h d c p 密钥矩阵。传输端与接收端交换时，双方就会获 得一组k s v 并开始进行运算，双方将运算的结果进行对照，若运算出来的数值相 符，该传输器就可以确认该接收端合法。一旦传输器确定了接收端为合法，该传 输器便会开始进行信号传输，不过这时传输器会在信号上加入一组密码，接收端 必须实时进行解密才能正确显示影像【l j 。 h d c p 协议的产生是基于h d m i 高清晰多媒体数字接口的优良性能。h d m i 2 一 h d c p 加密机在h d m i 中的设计与仿真 技术由s o n y , h i t a c h i ，t h o m s o n ( r c a ) ，p h i l i p s ，m a t s u s h i t a ( p a n a s o n i c ) ，t o s h i b a 和 s i l i c o ni m a g e 合作开发完成。h d m i 基于s i l i c o ni m a g e 的t m d s 技术传输数据， 能向下兼容d v i ( d i 垂t a lv i s u a li n t e r f a c e ) 。实际上，h d m i 是一种接口协议标准， 该协议规定了一种支持传输高清晰度内容的通用接口。新的h d m i 数字互连技术 可以提供高质量、不压缩的数字视频和音频，同时，简单的单线缆及连接器取代 了娱乐终端背后繁杂的线缆。另外，h d m i 还具有集成的远程控制功能，打开了从 主要电影制片商获得数字内容的大f - j 。h d c p 是i n t d 为阻止经h d m i 接口传送的 节目遭到非法复制而制定的一个规范。 事实上，好莱坞等数字电影和数字电视内容提供商一直在向相关部门施加巨 大压力，要求打击在网络上开展付费视频服务和d v d 下载的网站。因此，宽带传 输高附加值数字内容的保护问题显得越来越重要。在此背景下，拷贝保护技术工 作组( c p t w g ，c o p yp r o t e c t i o nt e c h n i c a lw o r k i n gg r o u p ) 的5 个成员公司i n t e l 、日 立、松下、索尼和东芝( 以上5 家公司也被非正式地称为“5 c ”) 发起成立了数字传输 内容保护( d t c p ，d i 百t a lt r a n s m i s s i o nc o n t e n tp r o t e c t i o n ) 规范委员会。2 0 0 4 年8 月， 在广播电影电视行业的强大压力下，美国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 批准了1 3 项技术，在数字电视接收装置中实施广播 标志来提醒拥有适当权限的设备去限制互联网上的未授权节目转发。d t c p 是被批 准的也是唯一一项公开提供的输出保护技术。 目前获得d t c p 认证的技术只有两个：( 1 ) h d c p 技术，由s i l i c o ni m a g e 公司 委托的数字内容保护有限责任公司( d c p l l c ) 负责发放许可。( 2 ) w i n d o w sm e d i a 数 字权限管理( d m v i ，d i 西t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ) ，由微软公司发放许可。其中的h d c p 是真正能够提供物理层端到端的数字音视频无损传输过程中内容保护的协议，它 涉及超越本文范围的法律问题，主要可以叙述为以下三个基本准则： 第一，当被告知要这么做的时候，h d c p 接口加密高价值的内容。在蓝光和 h d d v d ( h i g hd e f i n i t i o nd v d 高密度、高分辨d v d ) 播放机中，不论i c t ( 内容 图像约束) 标记是否为真，内容都是被加密的。一旦完成加密，该内容就被称为 “h d c p 内容 。 第二，h d c p 内容在抵达演示设备之前，必须处于加密状态。目前的h d c p 授权协议采用有线的，点对点的路由，对于现在需要基于l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k 局域网) 或无线接口的联网a n ( a u d i o v i d e o 一音频视频) 产品，如数字放大 的扬声器和视频墙等，需等待d c pl l c ( 数字内容保护组织) 推出新的协议，才容 许采用了诸如a e s 一1 2 8 ( a d v a n c e x le n c r y p t i o ns t a n d a r d 高级加密算法，密钥长度为 1 2 8 b i t ) 并la e s 2 5 6 ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d 一高级加密算法，密钥长度为2 5 6 b i t ) 这样的加密方法的h d c p 内容在“专用接口”上传输。 第三，h d c p 接口容许未经保护的非h d c p 内容不经加密地通过。 第一章绪论 综上，h d c p 是作为一种物理层的防盗版技术出现的。如果软件和硬件其中 之一不支持h d c p ，那么就无法读取数字内容。由于下一代的蓝光和h d - d v d 都 将执行h d c p 标准，因此未来如果用户希望在1 9 8 0 1 0 8 0 的分辨率下观看电影， 那么系统必须支持h d c p 标准。如果不支持的h d c p ，那么用户只能获得1 4 的分 辨率。如果h d m i 接口内嵌h d c p 内容保护机制，那么支持h d m i 接口的显卡也可 以支持h d c p 。 i ，p 加啪lm 1 i 么 m 哩h 抑口加密 h il 1 翰，n i i 啼 暖 垂 弗菇 囊 c 虻 i 础l 弗粤移 i 删 弗静 翻敞i 密姚ln 工m i 密锐隧 l 音累格式 成 l。，。，。-一t-”-一 图1 1h d c p 在h d m i 中结构示意图 如图1 1 所示，通过对h d m i 和h d c p 产生的讨论，可得出h d m i 和h d c p 的关系如下：h d c p 属于一种版本加密技术，h d m i 可以搭配h d c p 技术来一同 运作；h d c p 是h d m i 的关键技术之一，是h d m i 中一个独立而又必不可少的模 块，而h d m i 是h d c p 的实现方式之一。 1 2h d c p 与h d m i 发展状况 自2 0 0 3 年发布h d c p l 1 修订本至今，h d c p 版本己更新到1 3 ，其适用的接口 包括d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) 、h d m i ( h i g hd e f i n i t i o nm u l t m e d i ai n t e r f a c e - - 高清 多媒体数字接口1 、u d i ( u n i f i e dd i s p l a yi n t e r f a c e ) ，g v i f ( g i g a b i tv i d e oi n t e r f a c e ) 等。目前市场上已有s i l i c o ni m a g e 推出了一系列包含h d c p 功能的芯片，例如s 讧 1 9 3 0 传输器，不论是台式电脑或是笔记本电脑，都可以使用这款芯片。传送端利 用s i i1 9 3 0 芯片，将信号传至a v 接收端时，便可连同影像与音频信号一同传送， 最后再经由a v 接收端传送信号至显示器上，而这台删接收端最主要的目的， 是让家中仅需使用一台a v 接收端，就可以让台式电脑、笔记本电脑、音响与d v d 播放机等共同使用一台显示器，例如液晶电视，此时a v 接收端的角色便像是一 4 一 h d c p 加密机在h d m i 中的设计与仿真 台多媒体管理中心。 2 0 0 2 年4 月，日立、松下、飞利浦、s i l i c o ni m a g e 、索尼、汤姆逊、东芝共7 家公司成立了h d m i 组织，开始制定新一代( 相对于1 9 9 4 年颁布的d v id i 酉t a l v i s u a li n t e r f a c e 而言) 专用于数字视频音频的传输标准。2 0 0 2 年岁末，高清晰数字 多媒体接口h d m i1 0 标准颁布。其产生是为了取代传统的d v d 碟机、电视及其 它视频输出设备的已有接口，统一并简化用户终端接线，并提供更高带宽的数据 传输速度和数字化无损传送的音视频信号。h d m i 最高支持5 g b p s 的传输带宽， 相对于仅需要2 2 g b p s 的h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n - 高清晰度电视) ，还有很 大的带宽可以留给将来可能的更高标准的数字信号。下面简要概括h d m i 规范的 产生及发展过程： 2 0 0 2 年1 2 月，7 家公司正式推出了h d m i1 o 规范。 2 0 0 4 年5 月，h d m i1 1 规范发布。 2 0 0 5 年8 月，推出了h d m i 的1 2 版，为了更好的兼容p c 系统，1 2 版增加 了若干条非常重要的改进，以方便p c 连接和数字音频流等的传输。 2 0 0 5 年1 2 月，推出h d m i1 2 a 版，该版本增加了c e c ( c o n s u m e re l e c t r o n i c s c o n t r o l ，h d m i 接1 2 1 的一条信号线，用于连接装置的控制) 功能，并且完善了测试 规范，c e c 功能可以通过一个遥控器对所有家庭娱乐设备进行控制。 2 0 0 6 年5 月2 2 日，制定h d m i 标准的7 家企业共同宣布了h d m i1 3 ，新标 准将带宽和速率都提升了2 倍以上，达到了3 4 0 m h z 的带宽和1 0 2 g b p s 速率，以 满足最新的1 4 4 0 p 佩缇x g a 分辨率的要求。 由于h d m i 规范能进行纯数字视频格式的传输链接以及上述的优良性能，计 算机中或其它视频设备中的内容可以被无穷多次地复制、播出，而信号源质量不 会出现任何降格或退化，因而使得美国电影协会( m p a ) 非常担忧高价值数字视频内 容著作版权的保护，迫切希望能阻止使用h d m i ( 包括d v i ) 接口对数字视频内容进 行非法复制而又不影响合法应用h d m i 进行播放和拷贝的行为。 h d m i 技术入门费用颇高，并且在销售产品时仍需缴纳一定的版税， 其兼容性测试费比较高且时间较长。在前两到三年，国内p c 机厂商方面 推出的h d m i 显卡的鲜有报道。但在液晶电视方面己出现相关产品，如： 2 0 0 5 年，夏新的h d m i 接口具备完善的解码功能，可接收全部高清各种格式的信 号。随着p c 性能的发展，p c 平台离h d c p 时代也越来越近。一方面，蓝光光盘 生产线正式投入批量生产，大量以h d d v d 、蓝光光盘为载体，支持h d c p 的数 字内容为高清视频提供了来源。在另一方面，紧锣密鼓改进中的v i s t a 很快就能 正式跟大家见面。v i s t a 带有对数字信号的许可验证- h d c p ，未来如果用户希望在 最新的微软操作系统下观看电影，那么就必须使用支持h d c p 的显示设备。 截止2 0 0 5 年，已经有超过2 5 0 个厂商和4 7 0 个不同类型的产品采用 第一章绪论 了h d m i 接口。d v d 拷贝管制协会( c c a ) 、美国的f c c ( 美国联邦通信委 员会) 及代表欧洲信息通信技术与消费电子产业的组织e i c t a 等都规定， 所有高画质数字电视设备必须具备h d m i h d c p 或d v i h d c p 输出端子。 计算机显卡也将h d m i 作为标准接口。m i c r o s o f t 公司已经反复强调，支持v i s t a 的显示设备和驱动必须支持h d c p ，目前a t i 、n v i d i a 也一直为实现这个条件而努 力。所有这些规定更加强化了h d m i 在市场上的地位。h d m i 已经事实上 成为数字电视和消费电子产品的接口标准。 随着数字电视概念的不断深入普及，h d m i 以及h d c p 技术将会实实 在在的走入人们的客厅，并丰富人们的生活。 1 3h d m i 数字接口及优点 目前计算机主要通过v g a 和d v i 接口与显示器连接，但h d c p 却要求使用 h d m i 或d v i 接口，如果计算机要完整支持数字高清内容的播放，必须给显卡配 备h d m i 接口。当数据在h d c p 发送设备和h d c p 接收设备之间传输时，h d c p 接口保护高价值的内容。对现有的v g a 和d v i 接口，h d c p 的处理方式有所差异。 分别说明如下： 模拟v g a 接口： d 型1 5 针v g a 接口是最常见的计算机显示接口之一，v g a 传输的是标准的 模拟r g b ( r e d ，g r e e n ，b l u e 红绿蓝) 信号。但高清媒体都是以数字的方式存储，若要 经由模拟v g a 接口传输，就必须事先将数字信号转换为模拟信号，然后再由显示 设备做相应的模数转换处理，在这个过程中，画面细节或色泽的失真不可避免。 v g a 接口并不适合用来传输数字高清内容。通过v g a 接口来非法复制高清内容 的可能性很低。 数字d v i 接口【2 j 【副： d v i 接口传送的数字信号可以被轻而易举的解码处理，可以完全无损的数字 化复制。如果高清影像没有经过h d c p 技术加密，那么d v i 将成为一种“复制” 途径。美国电影行业对d v i 接口的态度最为严厉：倘若d v i 接口的显卡或显示器 不支持h d c p ，那么在播放h d c p 保护内容时，用户很可能看到黑屏；也有部分 厂商，在输出d v d 分辨率的视频画面的同时出现警告信息，并留下数秒的时间给 用户阅读，之后仍然出现黑屏。除了更换显卡和显示器，没有其他的方法可以解 h d c p 加密机在i - i d m i 中的设计与仿真 决这个问题。 h d m i ：( 如图12 ) 与d v i 主要区别是针对的计算机显示器不同h d m i 一开始 就是为数码影音领域专门设计，由于可以提供h d c p 在内的严密版权保护机制， h d m i 获得许多美国制片厂、卫星电视业者以及消费电子厂商的认可，并成为数字 高清媒体的传输接口标准。如果计算机要实现 带h d c p 保护的数字内容播放，就必须在显卡 和显示器之间采h d m i 接口。由于h d m i 需 同传送显示和音频信号，显卡上还需要有专 门的音频输入端口，将相关信号转送给h d m i 控制器加以整合。到目前为止，支持i - i d m i 接 口的显卡和l c d ( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y - 液晶 显示器慢示器仍相当罕见，但业界都已意识 到h d c p 支持的问题，相信不需太长时间就能 得到妥善解决1 4 j 。 图1 2 h d m i 接口示意图 通过以上分析可知如果用户要构建一套支持数字高清播放的p c 平台，h d m i 接口方案是最理想的选择。h d m i 接口的优点如下p j ： 第一，传输带宽高，数字信号无损传输。 随着高清节目的进一步普及，家庭用户在收看高清节目时首先要保证数据传 输的带宽速度。目前1 0 8 0 p 高清格式所需带宽为22 0 b p s ，而未来多达3 2 声道高 清音频需要更惊人的带宽支持。传统模拟接口已经难以承受如此高速的数据传输， 同时，模拟接口在传输信号时必须经历模拟和数字之间的多重格式转换，由于带 宽有限，必须对信号进行压缩传送，由此导致的直接后果就是高品质的信号损失， 终端接收设备还原之后呈现给用户的并非原有的最佳影像和声音效果。h d m i1 2 a 的带宽为1 6 5 m h z 4 9 5 g b p s ，最新的h d m i13 则把带宽提高到3 4 0 m h z 1 02 g b p s ， 而数字接口不再需要经过多次的模拟与数字之间的格式转换，能够更好地适应各 种数字音视频设备的应用需要并提供原汁原味的高清效果给用户。 第二接线方便，一个接口可以实现音视频传输。传统最常见的a v 复合和 色差接口都需要独立分开音频和视频数据线来传输信号，与h d m i 同为数字接口 的d v i 接口则并不支持音频传输，目前唯有h d m l 具备了在一条数据线上同时传 送影音信号的能力。 随着越来越多的1 0 8 0 p 显示器、8 通道1 9 2 k h z 音响系统和高清晰a v 源步入 市场，消费者正一致转向采用h d m i 和o v i 非压缩数字a v 接口。由于h d m i 接 口上述诸多优点，成为最佳h d c p 支持的数字接口 需 第一章绪论 1 4 本文主要内容 本文主要目的是分析h d c p 系统并完成该系统中随机数产生模块的设计与仿 真，课题来源于工程项目中对h d c p 系统的研究与设计。本文在详细分析h d c p 系统的工作过程的基础上，重点研究h d c p 发送设备和接收设备之间的授权验证 机制，完成h d c p 中加密机模块的设计与仿真。 本文的主要内容主要包括以下几个方面： 第一章，介绍h d c p 协议产生原因和现阶段发展状况，讨论h d c p 应用的主 要接口； 第二章，在研究h d c p 设备之间的通信方式及h d m i 视频传输方法的基础上。 仔细分析h d c p 技术的具体认证方法及h d c p 加密机设计应实现的主要功能； 第三章，在第二章分析h d c p 保护协议的基础上，重点研究h d c p 设备在进 行合法性认证过程中的发送和接受机制，并对授权过程进行仿真。本章对h d c p 设备的分析给出了h d c p 加密机所应满足的具体时序要求； 第四章，本章详细研究了h d c p 加密机三层结构，分别分析了其各自的具体计 算方法，并在二，三章的基础上，设计了h d c p 加密机并对设计进行了仿真与综 合，经验证设计满足要求，完成了h d c p 加密机的数字前端设计工作； 第五章，对本文进行总结的基础，并提出本人h d c p 系统设计工作的不足和对 未来h d c p 发展的见解。 通过对h d c p 系统的详细分析和h d c p 加密机的设计，希望可以为相关技术 工作者提供一些借鉴。 第二章h d c p 协议分析研究 第二章h d c p 协议分析研究 9 一 本章在对h d c p 设备的相互通信方式及h d m i 视频数据编码方法的研究基础 上，对h d c p 系统的拓扑结构进行分析，重点研究h d c p 发送设备和接收设备之 间授权认证的数据交换过程。 2 1h d c p 设备通信方法 h d c p 发射设备是指高清视频数据的发送设备，如支持h d c p 的d v d 播放 机等。h d c p 接收设备是指高清视频数据的接收设备，如数字投影仪等。h d c p 发 射设备和接收设备之间的通信是通过h d c p 保护接口中的1 2 c 串行总线实现的。 ( 一) 1 2 c 总线协议的产生及特征 在消费电子、电讯和工业电子中，看似不相关的设计里经常有很多相似的地 方，例如几乎每个系统都包括： 一些智能控制； 通用电路；例如：l c d 驱动器、远程i o 接口、r a me e p r o m 或数据 转换器； 面向应用的电路；譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电路【6 】； 为了使系统设计者和器件厂商都能从这些相似之处中得益，并使硬件电路最 简单，p h i l i p s 公司开发了一个简单的双向两线总线，实现有效的i c ( 集成电路) 之间的控制，这个总线就称为i n t e ri c 或i c 总线。 目前已有超过1 5 0 种c m o s 和双极性的i c 兼容1 2 c 总线，可以执行前面提 到的三种类型的电路，所有符合1 2 c 总线的器件组合成为一个片上接口，器件之间直 接通过1 2 c 总线通信，这个设计概念解决了很多在设计数字控制电路时遇到的接 口问题，其中包括h d c p 的数字设计。 1 2 c 总线支持任何i c 生产过程，如：n m o s 、c m o s 、双极性等，并已在超 过1 0 0 种不同的i 2 c 器件上实现，而且得到超过5 0 家公司的许可，实际上已经成 为一个国际标准。下面是1 2 c 总线的一些特征： 只要求两条总线线路，一条串行数据线s d a ，一条串行时钟线s c l ； 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一个简单的主机一从机关系软 件设定地址，主机可以同时作为主机发送器或主机接收器； 1 0 h d c p 加密机在h d m i 中的设计与仿真 1 2 c 总线是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时传输初始化数据， 可以通过冲突检测和仲裁机制防止数据被破坏： 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达1 0 0 k b i t s ，快速模式下可达 4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i t s ； 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整； 连接到相同总线的i c 数量只受到总线的最大电容( 4 0 0 p f ) 的限制； ( 二) 1 2 c 总线硬件实现电路 本设计中，h d c p 设备是采用标准式器件连接到i 2 c 总线【| 7 1 。如图2 1 所示： 图2 1 标准模式器件连接到1 2 c 电路 1 2 c 的s d a 和s c l 都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压，连接 到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行“线与”的功能。 图2 1 所示1 2 c 连接模拟器件的实现方式中，当总线空闲时，s d a 和s c l 这两 条线路都是高电平。接下来结合图2 2 分析1 2 c 总线数据传输的起始( s ) 和停止( p ) 条件。 f- - l l 厂。、s p 起始条件 图2 2i 2 c 起始或停止条件 停止条件 如图2 2 所示，当s c l 线是高电平而s d a 线从高电平向低电平切换时表示起 第二章h d c p 协议分析研究 始条件；当s c l 是高电平而s d a 线由低电平向高电平切换表示停止条件，起始和 停止条件一般由主机产生。总线在起始条件后被认为处于“忙 的状态。在停止 条件的某段时间后，总线被认为处于“空闲 状态。如果不产生停止条件，总线 会一直处于“忙”的状态，此时若产生起始条件，则称为是重复起始( s r ) 条件。 起始条件和重复起始条件在功能上是一样的。 产生起始停止条件的部分代码如下： a l w a y a s ( p o s e d g ee l k ) s d ai = s d a ；在时钟周期中，记录前一时刻s d a 的值 i f ( s c l - 一- i b 1 ) i f ( s d a & & ! s d a _ i ) s = 1 b l ； e l s e ( ! s d a & & ! s d a ) p = 1 b l ； 当s c l 为高电平时，通过保存在s d a j 中的值 与s d a 的当前值判断起始停止条件 ( 三) i 2 c 总线数据传输 i 2 c 总线可同时连接多个主机。对于采用i 2 c 进行通信的h d c p 系统，可同 时有多个h d c p 设备连接到总线。本文研究数据在两个连接到1 2 c 总线的h d c p 设备之间传输情况，即h d c p 主机和从机之间的传输方式，包括：主机一从机、接 收器一发送器之间的传输数据方法，用语言描述如下： 1 假设h d c p 发送设备a 发送信息到h d c p 接收设备b ： h d c p 发送设备a ( 主机) 寻址h d c p 接收设备b ( 从机) ； h d c p 发送设备a ( 主机发送器) 发送数据到h d c p 接收设备b ( 从机一接收 器) ； h d c p 发送设备a 终止传输； 2 如果h d c p 发送设备a 从h d c p 接收设备b 接收信息： h d c p 发送设备a ( 主机) 寻址h d c p 接收设备b 从机； h d c p 发送设备a ( 从机一接收器) 从h d c p 接收设备b ( 主机一发送器) 接收数 据； h d c p 发送设备a 终止传输； 上述过程中，主机( a ) 可以根据需要发送和接收数据，数据在总线中的流向不 确定，这种特性被称为1 2 c 总线的双向传输特性。主机和从机是相对于数据的具体 传输方向定义的，与i 2 c 总线相连的h d c p 设备之间进行通信时，只有发送数据 时的h d c p 设备才被称为“主机”，接收数据时的h d c p 设备被称为“从机”。 1 2 h d c p 加密机在h d m i 中的设计与仿真 i z c 发送到s d a 线上的每个字节必须为8 位，但每次传输可以发送的字节数 不受限制，每个字节后必须跟一位响应。响应( a c k ) 是指被寻址的从机对主机的“回 答”，1 2 c 数据传输中规定，除了用c b u s ( c o n t r o lb u s 控制总线) 地址开头的报文， 被寻址的接收器在接收到每个字节后必须产生一个响应。当主机不能响应从机地 址时( 例如：主机正在执行一些实时函数，不能接收或发送数据) ，从机必须使数据 线保持高电平。主机将产生一个停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新 的传输。如果从机( 接收器) 响应了主机发送的从机地址，但在传输了一段时间后不 能接收更多数据字节，主机必须再一次终止传输。这种情况用从机在第一个字节 后没有产生响应来表示。此时，从机使数据线保持高电平，主机将产生一个停止 或重复起始条件。 1 2 c 总线传输数据的具体过程分析如下： 首先传输数据的最高位。若从机要完成一些具体操作后( 例如：一个内部中 断服务程序) 才能接收或发送下个完整的数据字节，可以使时钟线s c l 保持低 电平迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线 s c l 后继续传输数据。 1 2 c 总线数据格式如图2 3 所示，主机在起始条件( s ) 后发送一个从机地址。这 个地址共有7 位，这种传输格式决定了1 2 c 可以寻址的范围是0 - 2 5 5 字节，后面紧 接着的第8 位是数据传输方向位( r w ) ： “0 ”表示主机发送数据( 写一w ) ，“1 ” 表示主机接收数据( 读一r ) 。一般情况下由主机产生的停止位( p ) 终止数据传输。但 如果主机仍需要在总线上通信，可以产生重复起始条件( s r ) 并寻址另一个从机，而 不是首先产生一个停止条件。在这种传输中可能有不同的读写格式相结合。一个 完整的数据传输过程如图2 3 所示： 7m 八n 盯：二) 口 l 风aa l 弋a 八厂式人 s 起始冬件地址l 窑名，( 箍) 勰)( 箍) 翟嚣) 响g c 应l ) 餐止冬件 图2 3 完整数据传输示意图 图2 3 示意的数据传输过程中，首先当时钟线s c l 为高时，数据线s d a 被所 连h d c p 设备拉低产生一个起始条件，紧接着主机发送所要寻址的7 位地址及第8 位读写位给从机，其中读写位表明了数据的传输方向，若r a v 位为“0 ”，表示“写 ， 据传输方向从主机一从机，若r w 位为“1 ”，表示“读”，数据传输方向从从机一 第二章h d c p 协议分析研究 1 3 主机，接下来从机给一个响应( 图2 3 中a c k ) ，当主机接收到从机的响应后立即传 送数据，此时按照字节传输格式，即前8 位是数据，第9 位为从机响应。这里应 注意两点： 1 如果主机带有多个从机，那么首先要传输的地址应该表示是哪一个从机的 地址，接着再传给定从机所要寻址的地址。 2 对于信号a c k ，并不是固定由主机或者从机发出，需确定一次完整的传输 数据过程中，主机是要读数据还是写数据，若主机“写”数据，那么a c k 应该由 从机产生，若主机“读 数据，则从机传给主机数据后，a c k 信号由主机产生。 完整数据传输的具体流程如图2 4 所示： 图2 4 完整的数据传输流程图 本节主要分析了h d c p 发送设备和接收设备之间通信的主要方式i ：c 总线及 数据的传输格式，这是h d c p 设备之间进行合法性认证的基本数据传输方法。采 用i 2 c 总线使得传统的数据传输仅通过两条线完成，同时1 2 c 总线可以进行系统集 成，从而降低了芯片成本。 1 4 h d c p 加密机在h d m i 中的设计与仿真 2 2h d m i 视频传输 h d c p 技术是针对数字视频及其辅助数据进行加密或解密的，本节主要分析 h d m i 接口中h d c p 加密解密的主要内容，即h d m i 接口中视频数据的传输。 h d m i 接口中传输的信号包括数字编码信号、数字传输信号、解码信号等。 如图2 5 所示，h d m i 电缆和连接器之间有4 个由差分对组成的 t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g 最小变换差分信号) 数据、时钟通 道，这些通道用来传输视频、音频及其辅助数据等。还有一个v e s a ( v i d e o e l e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n 视频电子标准协会) d d c ( d i s p l a yd a t ac h a n n e l ) 通道，用来进行单独信号源和单独接收器之间结构和状态的交换。c e cl i n e 提供 了不同设备之间的高级控制功能，可选。 h d i 俑s o u r c eh d m is i n k 图2 5h d m i 数据传输示意图 t m d s 是h d m i 重要的编码技术，这种技术可简要概括为将编码数据与参考 时钟以差分电流信号的方式高速传输，在接收端通过终端匹配电阻建立差分电亚 信号。上世纪九十年代晚期，s i l i c o ni m a g e 公司开始采用面板连接数字可视接 口( d v i ) 和高清多媒体接口( h d m i ) 的形式向显示行业推广其所有权的标准 一t m d s 。在这种情况下，发射端混合了具有在铜导线上降低e m i ( e l e c t r o m a