UCPS協(xié)議與HDMI的驗證系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
中國首部具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字接口內(nèi)容保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)--《數(shù)字接口內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（簡稱UCPS標(biāo)準(zhǔn)），已由國家工業(yè)和信息化部頒布，并于2010年3月1日正式實施。UCPS標(biāo)準(zhǔn)是中國消費(fèi)電子行業(yè)第一個自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)容保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也是第一個以企業(yè)為主導(dǎo)的自主技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹全球首款支持UCPS標(biāo)準(zhǔn)、符合HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器SHC3201,并探討UCPS協(xié)議與HDMI的驗證系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 由于目前還沒有帶UCPS功能的HDMI接收器，為了驗證UCPS標(biāo)準(zhǔn)的可行性，同時驗證SHC3201的UCPS功能，我們通過一種特殊的方法來完成這個實驗。在發(fā)送端采用SHC3201作為UCPS發(fā)送器。而在接收端，采用一個標(biāo)準(zhǔn)的不帶UCPS功能的HDMI接收器和一塊FPGA板和一塊SHC3201發(fā)送器共同完成。其中標(biāo)準(zhǔn)的HDMI接收器用來接收HDMI線上的數(shù)據(jù)，將HDMI線上高速的TMDS差分信號轉(zhuǎn)換為普通視頻數(shù)據(jù)；FPGA板主要實現(xiàn)UCPS實時解密，同時在FPGA內(nèi)部有一個MCU,用來完成與UCPS設(shè)備認(rèn)證和消息交互；SHC3201用來發(fā)送視頻數(shù)據(jù)到DTV顯示。同時在發(fā)送端和接收端都有一個MCU作為主控，用來控制整個系統(tǒng)的正常工作。 UCPS工作原理 識別管理單元（簡稱為IMU）為一個獨立的軟件或者是硬件模塊，承擔(dān)內(nèi)部認(rèn)證、IMU間雙向認(rèn)證、信息收集以及系統(tǒng)完整性維護(hù)的功能。IMU與HDMI硬件接口通過I2C通道連接。發(fā)送端IMU與接收端IMU通過HDMI接口的DDC通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。IMU模塊由UCPS組織統(tǒng)一開發(fā)后提供給接口芯片廠商。 圖1所示，系統(tǒng)上電后，IMU首先與設(shè)備接口進(jìn)行認(rèn)證，之后是設(shè)備接口間的認(rèn)證，最后是IMU的之間的認(rèn)證。以上三種認(rèn)證通過后，發(fā)送端開始對被保護(hù)的內(nèi)容進(jìn)行加密并發(fā)送，而接收端則開始接收并解密還原被保護(hù)內(nèi)容。 圖1:UCPS內(nèi)容流向示意圖。 圖2是UCPS在HDMI系統(tǒng)中的具體通信示意圖。IMU與設(shè)備間的通信認(rèn)證是通過I2C接口，設(shè)備間的通信認(rèn)證是通過HDMI接口上DDC總線完成，兩個IMU的通信認(rèn)證則需要通過I2C和DDC兩個接口完成。 圖2:UCPS HDMI通信架構(gòu)示意圖。 UCPS協(xié)議主要包括以下內(nèi)容： 1） 設(shè)備認(rèn)證：包括IMU與設(shè)備接口間的認(rèn)證，設(shè)備接口間的認(rèn)證和IMU之間的認(rèn)證。 2） 協(xié)議消息交互機(jī)制：整個設(shè)備的認(rèn)證，通過一套完整的消息機(jī)制完成。 3） 密鑰機(jī)制和安全傳輸：包括密鑰激活和對受保護(hù)內(nèi)容加密傳輸。 4） 系統(tǒng)信息收集和完整性維護(hù)：包括公鑰吊銷，IMU有效性驗證與更新。 2SHC3201芯片功能介紹： SHC3201是全球首款支持UCPS標(biāo)準(zhǔn)、符合HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器。SHC3201HDMI發(fā)送器主要功能特征包括 1） 支持UCPS1.0和HDCP1.2; 2） 225MHzHDMIv1.3支持36bits深色（DeepColor）應(yīng)用； 3） 在80MHz時功耗僅100mW左右，非常適用便攜式多媒體終端； 4） 待機(jī)功耗極低（小于30μA）； 5） 顯示數(shù)據(jù)通道（DDC）支持； 6） 支持S/PDIF和8通道I2S音頻記錄格式并且以192kHz速率發(fā)送立體聲或7.1通道環(huán)繞聲。 UCPS驗證具體實現(xiàn)方法 圖3所示，發(fā)送端系統(tǒng)工作方法：DVD的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)HDMI線到達(dá)HDMI接收器（無UCPS功能的HDMI接收器），之后經(jīng)數(shù)據(jù)線到達(dá)SHC3201.SHC3201在通過UCPS驗證后，將加密視頻數(shù)據(jù)，并將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過HDMI線發(fā)送出去。 圖3:UCSP驗證系統(tǒng)。 接收端系統(tǒng)工作方法：由于現(xiàn)還沒有UCPS的接收器，所以采用一種組合方式來實現(xiàn)UCPS接收功能。首先由一個HDMI接收器（無UCPS功能的HDMI接收器）接收SHC3201發(fā)送過來的加密視頻數(shù)據(jù)，再將視頻數(shù)據(jù)送入FPGA中，F(xiàn)PGA板只做UCPS解密操作，F(xiàn)PGA解密后將視頻數(shù)據(jù)送入SHC3201（此處shc3201只是一個HDMI發(fā)送器，無UCPS功能）。SHC3201再將數(shù)據(jù)通過HDMI線送到DTV.整個系統(tǒng)工作結(jié)束。 如圖3所示，在進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證的過程中，在發(fā)送端，所有的UCPS認(rèn)證工作，加密的啟動，都是由SHC3201內(nèi)部的MCU發(fā)起，固件直接固化到SHC3201內(nèi)部ROM中。在接收系統(tǒng)中的FPGA板上也有一個MCU.在這兩個MCU將用來完成UCPS的認(rèn)證消息交互工作，加解密的控制。另外在發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)也各有一個MCU,用來作為整個系統(tǒng)的主控，包括HDMI接收器和SHC3201的初始化，驅(qū)動HDMI接收器和SHC3201正常工作。需要說明的是，在此套方案中，發(fā)送端的SHC3201內(nèi)部MCU通過DDC直接與接收端的FPGA板內(nèi)的MCU通信。在接收端FPGA板上的RAM掛接在DDC總線上，發(fā)送端SHC3201內(nèi)部MCU通過DDC訪問它，而接收端FPGA中的MCU通過并行總線直接訪問它。在此RAM中按照UCPS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定如下寄存器。 在接收端FPGA板上增加兩個寄存器，可命名為：HDMI_TX_STATUS和HDMI_RX_STATUS.增加一個數(shù)據(jù)緩存器，緩存器大小為32字節(jié)。增加的寄存器和緩存器都要掛接在DDC總線上，讓發(fā)射端SHC3201可以通過DDC進(jìn)行讀寫操作，同時接收端FPGA內(nèi)部的MCU也可讀寫即可。 圖4 Bit0:HDMI發(fā)射端通過DDC讀完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit1:HDMI發(fā)射端通過DDC寫完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit2:HDMI忙/閑標(biāo)識HDMI發(fā)射端是否正在寫DDC總線 上圖在接收端定義寄存器和通信標(biāo)志位，發(fā)射端可讀寫，接收端只能讀 圖5 Bit0:HDMI接收端通過DDC讀完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit1:HDMI接收端通過DDC寫完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit2:HDMI忙/閑標(biāo)識HDMI接收端是否正在寫數(shù)據(jù)到緩存器 上圖在接收端定義寄存器和通信標(biāo)志位，接收端可讀寫，發(fā)射端只能讀。 HDMI發(fā)射端SHC3201固件設(shè)計方法 1）發(fā)射端主控器通過DDC寫接收端HDMI_TX_STATUS為0x1; 2）發(fā)射端主控器通過DDC輪詢接收端的兩個標(biāo)志寄存器； 3）如果發(fā)射端要發(fā)送數(shù)據(jù)或消息到接收端，先查看HDMI_RX_STATUS為0x1,則開始準(zhǔn)備發(fā)送。否則到第八步； 4）發(fā)射端寫HDMI_TX_STATUS為0x04; 5）發(fā)射端將數(shù)據(jù)或消息通過DDC寫入接收端的緩存器中； 6）發(fā)射端寫HDMI_TX_STATUS為0x02; 7）發(fā)射端通過DDC開始輪詢HDMI_RX_STATUS值，如為0x1,則表示接收端已將數(shù)據(jù)取出，回到第1步； 8）發(fā)射端接收數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)HDMI_RX_STATUS值為0x02時，表示HDMI接收端已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，發(fā)射端寫HDMI_TX_STATUS為0X04,并開始通過DDC讀取接收端緩存器中的數(shù)據(jù)。返回第一步。 6 HDMI接收端軟件設(shè)計方法： 1）接收端寫HDMI_RX_STATUS為0x1; 2）接收端主控器通過輪詢接收端的兩個標(biāo)志寄存器； 3）如果接收端要發(fā)送數(shù)據(jù)或消息到發(fā)射端，先查看HDMI_TX_STATUS的值為0x1時，則開始準(zhǔn)備發(fā)送；否則到第八步； 4）接收端寫HDMI_RX_STATUS為0x04; 5）接收端將數(shù)據(jù)或消息寫入接收端的緩存器中； 6）接收端寫HDMI_RX_STATUS的值為0x02; 7）接收端開始輪詢HDMI_TX_STATUS值，如為1,則表示發(fā)射端已將數(shù)據(jù)取出，回到第一步； 8）接收端接收數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)HDMI_TX_STATUS值為0x2時，表示HDMI發(fā)射端已經(jīng)通過DDC把數(shù)據(jù)寫入了接收端的緩存器。接收端開始讀取緩存器的數(shù)據(jù)，讀完后返回第一步。 本文小結(jié) SHC3201是第一顆帶有UCPS功能的HDMI發(fā)送器，因為現(xiàn)沒有相應(yīng)的帶有UCPS功能的HDMI接收器，為了驗證和測試UCPS完整功能，我們在實驗室采用了上述方法。通過這個方法，在沒有帶UCPS功能的HDMI接收器的環(huán)境下，我們成功地實現(xiàn)了UCPS協(xié)議驗證?？梢詫崿F(xiàn)UCPS的設(shè)備認(rèn)證，UCSP加密和解密的功能測試。并作為一個完成系統(tǒng)通過相關(guān)部門驗收。在此系統(tǒng)中，我們通過軟硬的方法，成功驗證了UCPS協(xié)議所需要的設(shè)備認(rèn)證功能，發(fā)送與接收通信機(jī)制功能，UCPS實時加密和實時解密功能。同時因為現(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織還沒有開發(fā)出相應(yīng)的IMU模塊，所以與IMU相關(guān)的認(rèn)證功能暫時沒有驗證。 另外要說明的是在這套驗證系統(tǒng)中，接收端用的是一個標(biāo)準(zhǔn)的HDMI接收器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)無法實時傳送UCPS加密信令（HDMI接收器不能識別此信令）。為了避免在加密狀態(tài)發(fā)生變化時，HDMI發(fā)送端和HDMI接收端不同步，我們定義在消隱期間，不發(fā)送任何有效數(shù)據(jù)，包括音頻或者視頻。而音頻數(shù)據(jù)是穿插在消隱期間發(fā)送的，目前這種方法，不能傳音頻數(shù)據(jù)。發(fā)送端和接收端的加解密狀態(tài)同步，雙方是通過DDC通道，通過傳遞消息來完成的。
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