UCPS協(xié)議與HDMI的驗證系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　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(shí)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(shí)現(xiàn)。

　　UCPS工作原理

　　識別管理單元(簡稱為IMU)為一個獨(dú)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(shí)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(shí)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。

　　6HDMI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(shí)驗室采用了上述方法。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。