UCPS协议与HDMI的验证系统设计与实现
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中国首部具有自主知识产权的数字接口内容保护行业标准--《数字接口内容保护系统技术规范》（简称UCPS标准），已由国家工业和信息化部颁布，并于2010年3月1日正式实施。UCPS标准是中国消费电子行业第一个自主知识产权的内容保护标准，也是第一个以企业为主导的自主技术标准。本文介绍全球首款支持UCPS标准、符合HDMI1.3标准的发送器SHC3201,并探讨UCPS协议与HDMI的验证系统的设计与实现。 由于目前还没有带UCPS功能的HDMI接收器，为了验证UCPS标准的可行性，同时验证SHC3201的UCPS功能，我们通过一种特殊的方法来完成这个实验。在发送端采用SHC3201作为UCPS发送器。而在接收端，采用一个标准的不带UCPS功能的HDMI接收器和一块FPGA板和一块SHC3201发送器共同完成。其中标准的HDMI接收器用来接收HDMI线上的数据，将HDMI线上高速的TMDS差分信号转换为普通视频数据；FPGA板主要实现UCPS实时解密，同时在FPGA内部有一个MCU,用来完成与UCPS设备认证和消息交互；SHC3201用来发送视频数据到DTV显示。同时在发送端和接收端都有一个MCU作为主控，用来控制整个系统的正常工作。 UCPS工作原理 识别管理单元（简称为IMU）为一个独立的软件或者是硬件模块，承担内部认证、IMU间双向认证、信息收集以及系统完整性维护的功能。IMU与HDMI硬件接口通过I2C通道连接。发送端IMU与接收端IMU通过HDMI接口的DDC通道进行数据交互。IMU模块由UCPS组织统一开发后提供给接口芯片厂商。 图1所示，系统上电后，IMU首先与设备接口进行认证，之后是设备接口间的认证，最后是IMU的之间的认证。以上三种认证通过后，发送端开始对被保护的内容进行加密并发送，而接收端则开始接收并解密还原被保护内容。 图1:UCPS内容流向示意图。 图2是UCPS在HDMI系统中的具体通信示意图。IMU与设备间的通信认证是通过I2C接口，设备间的通信认证是通过HDMI接口上DDC总线完成，两个IMU的通信认证则需要通过I2C和DDC两个接口完成。 图2:UCPS HDMI通信架构示意图。 UCPS协议主要包括以下内容： 1） 设备认证：包括IMU与设备接口间的认证，设备接口间的认证和IMU之间的认证。 2） 协议消息交互机制：整个设备的认证，通过一套完整的消息机制完成。 3） 密钥机制和安全传输：包括密钥激活和对受保护内容加密传输。 4） 系统信息收集和完整性维护：包括公钥吊销，IMU有效性验证与更新。 2SHC3201芯片功能介绍： SHC3201是全球首款支持UCPS标准、符合HDMI1.3标准的发送器。SHC3201HDMI发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）应用； 3） 在80MHz时功耗仅100mW左右，非常适用便携式多媒体终端； 4） 待机功耗极低（小于30μA）； 5） 显示数据通道（DDC）支持； 6） 支持S/PDIF和8通道I2S音频记录格式并且以192kHz速率发送立体声或7.1通道环绕声。 UCPS验证具体实现方法 图3所示，发送端系统工作方法：DVD的视频数据经HDMI线到达HDMI接收器（无UCPS功能的HDMI接收器），之后经数据线到达SHC3201.SHC3201在通过UCPS验证后，将加密视频数据，并将加密后的数据经过HDMI线发送出去。 图3:UCSP验证系统。 接收端系统工作方法：由于现还没有UCPS的接收器，所以采用一种组合方式来实现UCPS接收功能。首先由一个HDMI接收器（无UCPS功能的HDMI接收器）接收SHC3201发送过来的加密视频数据，再将视频数据送入FPGA中，FPGA板只做UCPS解密操作，FPGA解密后将视频数据送入SHC3201（此处shc3201只是一个HDMI发送器，无UCPS功能）。SHC3201再将数据通过HDMI线送到DTV.整个系统工作结束。 如图3所示，在进行设备认证的过程中，在发送端，所有的UCPS认证工作，加密的启动，都是由SHC3201内部的MCU发起，固件直接固化到SHC3201内部ROM中。在接收系统中的FPGA板上也有一个MCU.在这两个MCU将用来完成UCPS的认证消息交互工作，加解密的控制。另外在发送系统和接收系统也各有一个MCU,用来作为整个系统的主控，包括HDMI接收器和SHC3201的初始化，驱动HDMI接收器和SHC3201正常工作。需要说明的是，在此套方案中，发送端的SHC3201内部MCU通过DDC直接与接收端的FPGA板内的MCU通信。在接收端FPGA板上的RAM挂接在DDC总线上，发送端SHC3201内部MCU通过DDC访问它，而接收端FPGA中的MCU通过并行总线直接访问它。在此RAM中按照UCPS协议标准定如下寄存器。 在接收端FPGA板上增加两个寄存器，可命名为：HDMI_TX_STATUS和HDMI_RX_STATUS.增加一个数据缓存器，缓存器大小为32字节。增加的寄存器和缓存器都要挂接在DDC总线上，让发射端SHC3201可以通过DDC进行读写操作，同时接收端FPGA内部的MCU也可读写即可。 图4 Bit0:HDMI发射端通过DDC读完数据标志 Bit1:HDMI发射端通过DDC写完数据标志 Bit2:HDMI忙/闲标识HDMI发射端是否正在写DDC总线 上图在接收端定义寄存器和通信标志位，发射端可读写，接收端只能读 图5 Bit0:HDMI接收端通过DDC读完数据标志 Bit1:HDMI接收端通过DDC写完数据标志 Bit2:HDMI忙/闲标识HDMI接收端是否正在写数据到缓存器 上图在接收端定义寄存器和通信标志位，接收端可读写，发射端只能读。 HDMI发射端SHC3201固件设计方法 1）发射端主控器通过DDC写接收端HDMI_TX_STATUS为0x1; 2）发射端主控器通过DDC轮询接收端的两个标志寄存器； 3）如果发射端要发送数据或消息到接收端，先查看HDMI_RX_STATUS为0x1,则开始准备发送。否则到第八步； 4）发射端写HDMI_TX_STATUS为0x04; 5）发射端将数据或消息通过DDC写入接收端的缓存器中； 6）发射端写HDMI_TX_STATUS为0x02; 7）发射端通过DDC开始轮询HDMI_RX_STATUS值，如为0x1,则表示接收端已将数据取出，回到第1步； 8）发射端接收数据，当发现HDMI_RX_STATUS值为0x02时，表示HDMI接收端已将数据准备好了，发射端写HDMI_TX_STATUS为0X04,并开始通过DDC读取接收端缓存器中的数据。返回第一步。 6 HDMI接收端软件设计方法： 1）接收端写HDMI_RX_STATUS为0x1; 2）接收端主控器通过轮询接收端的两个标志寄存器； 3）如果接收端要发送数据或消息到发射端，先查看HDMI_TX_STATUS的值为0x1时，则开始准备发送；否则到第八步； 4）接收端写HDMI_RX_STATUS为0x04; 5）接收端将数据或消息写入接收端的缓存器中； 6）接收端写HDMI_RX_STATUS的值为0x02; 7）接收端开始轮询HDMI_TX_STATUS值，如为1,则表示发射端已将数据取出，回到第一步； 8）接收端接收数据，当发现HDMI_TX_STATUS值为0x2时，表示HDMI发射端已经通过DDC把数据写入了接收端的缓存器。接收端开始读取缓存器的数据，读完后返回第一步。 本文小结 SHC3201是第一颗带有UCPS功能的HDMI发送器，因为现没有相应的带有UCPS功能的HDMI接收器，为了验证和测试UCPS完整功能，我们在实验室采用了上述方法。通过这个方法，在没有带UCPS功能的HDMI接收器的环境下，我们成功地实现了UCPS协议验证。可以实现UCPS的设备认证，UCSP加密和解密的功能测试。并作为一个完成系统通过相关部门验收。在此系统中，我们通过软硬的方法，成功验证了UCPS协议所需要的设备认证功能，发送与接收通信机制功能，UCPS实时加密和实时解密功能。同时因为现相关标准组织还没有开发出相应的IMU模块，所以与IMU相关的认证功能暂时没有验证。 另外要说明的是在这套验证系统中，接收端用的是一个标准的HDMI接收器作为数据转换，系统无法实时传送UCPS加密信令（HDMI接收器不能识别此信令）。为了避免在加密状态发生变化时，HDMI发送端和HDMI接收端不同步，我们定义在消隐期间，不发送任何有效数据，包括音频或者视频。而音频数据是穿插在消隐期间发送的，目前这种方法，不能传音频数据。发送端和接收端的加解密状态同步，双方是通过DDC通道，通过传递消息来完成的。
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