UCPS協(xié)議與HDMI的驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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中國(guó)首部具有自主知識(shí)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(jiǎn)稱UCPS標(biāo)準(zhǔn)），已由國(guó)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(guó)消費(fèi)電子行業(yè)第一個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)容保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也是第一個(gè)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(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 由于目前還沒有帶UCPS功能的HDMI接收器，為了驗(yàn)證UCPS標(biāo)準(zhǔn)的可行性，同時(shí)驗(yàn)證SHC3201的UCPS功能，我們通過(guò)一種特殊的方法來(lái)完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在發(fā)送端采用SHC3201作為UCPS發(fā)送器。而在接收端，采用一個(gè)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(lái)接收HDMI線上的數(shù)據(jù)，將HDMI線上高速的TMDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為普通視頻數(shù)據(jù)；FPGA板主要實(shí)現(xiàn)UCPS實(shí)時(shí)解密，同時(shí)在FPGA內(nèi)部有一個(gè)MCU,用來(lái)完成與UCPS設(shè)備認(rèn)證和消息交互；SHC3201用來(lái)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)到DTV顯示。同時(shí)在發(fā)送端和接收端都有一個(gè)MCU作為主控，用來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。 UCPS工作原理 識(shí)別管理單元（簡(jiǎn)稱為IMU）為一個(gè)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(guò)I2C通道連接。發(fā)送端IMU與接收端IMU通過(guò)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(guò)后，發(fā)送端開始對(duì)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(guò)I2C接口，設(shè)備間的通信認(rèn)證是通過(guò)HDMI接口上DDC總線完成，兩個(gè)IMU的通信認(rèn)證則需要通過(guò)I2C和DDC兩個(gè)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(gè)設(shè)備的認(rèn)證，通過(guò)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(duì)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(wú)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(guò)UCPS驗(yàn)證后，將加密視頻數(shù)據(jù)，并將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)HDMI線發(fā)送出去。 圖3:UCSP驗(yàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)UCPS接收功能。首先由一個(gè)HDMI接收器（無(wú)UCPS功能的HDMI接收器）接收SHC3201發(fā)送過(guò)來(lái)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(gè)HDMI發(fā)送器，無(wú)UCPS功能）。SHC3201再將數(shù)據(jù)通過(guò)HDMI線送到DTV.整個(gè)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(guò)程中，在發(fā)送端，所有的UCPS認(rèn)證工作，加密的啟動(dòng)，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(gè)MCU.在這兩個(gè)MCU將用來(lái)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(gè)MCU,用來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控，包括HDMI接收器和SHC3201的初始化，驅(qū)動(dòng)HDMI接收器和SHC3201正常工作。需要說(shuō)明的是，在此套方案中，發(fā)送端的SHC3201內(nèi)部MCU通過(guò)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(guò)DDC訪問(wèn)它，而接收端FPGA中的MCU通過(guò)并行總線直接訪問(wèn)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(gè)寄存器，可命名為：HDMI_TX_STATUS和HDMI_RX_STATUS.增加一個(gè)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(guò)DDC進(jìn)行讀寫操作，同時(shí)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(guò)DDC讀完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit1:HDMI發(fā)射端通過(guò)DDC寫完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit2:HDMI忙/閑標(biāo)識(shí)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(guò)DDC讀完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit1:HDMI接收端通過(guò)DDC寫完數(shù)據(jù)標(biāo)志 Bit2:HDMI忙/閑標(biāo)識(shí)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(jì)方法 1）發(fā)射端主控器通過(guò)DDC寫接收端HDMI_TX_STATUS為0x1; 2）發(fā)射端主控器通過(guò)DDC輪詢接收端的兩個(gè)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(guò)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(guò)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(shí)，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(guò)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(jì)方法： 1）接收端寫HDMI_RX_STATUS為0x1; 2）接收端主控器通過(guò)輪詢接收端的兩個(gè)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(shí)，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(shí)，表示HDMI發(fā)射端已經(jīng)通過(guò)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?yàn)楝F(xiàn)沒有相應(yīng)的帶有UCPS功能的HDMI接收器，為了驗(yàn)證和測(cè)試UCPS完整功能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室采用了上述方法。通過(guò)這個(gè)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(shí)現(xiàn)了UCPS協(xié)議驗(yàn)證?？梢詫?shí)現(xiàn)UCPS的設(shè)備認(rèn)證，UCSP加密和解密的功能測(cè)試。并作為一個(gè)完成系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)部門驗(yàn)收。在此系統(tǒng)中，我們通過(guò)軟硬的方法，成功驗(yàn)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(shí)時(shí)加密和實(shí)時(shí)解密功能。同時(shí)因?yàn)楝F(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(shí)沒有驗(yàn)證。 另外要說(shuō)明的是在這套驗(yàn)證系統(tǒng)中，接收端用的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的HDMI接收器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)傳送UCPS加密信令（HDMI接收器不能識(shí)別此信令）。為了避免在加密狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，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(guò)DDC通道，通過(guò)傳遞消息來(lái)完成的。
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