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作者：劉玉兵，官志勇，湯曉嵐，趙懿海，葉宏偉 上海華虹集成電路有限責任公司 中國首部具有自主知識產權的數字接口內容保護行業標準——《數字接口內容保護系統技術規范》(簡稱UCPS標準)，已由國家工業和信息化部頒布，并于2010年3月1日正式實施。UCPS標準是中國消費電子行業第一個自主知識產權的內容保護標準，也是第一個以企業為主導的自主技術標準。上海華虹集成電路有限公司(簡稱華虹設計)是UCPS論壇聯盟成員和聯盟指定的芯片設計單位，本文介紹該公司開發的全球首款支持UCPS標準、符合HDMI1.3標準的發送器SHC3201，并探討UCPS協議與HDMI的驗證系統的設計與實現。 由于目前還沒有帶UCPS功能的HDMI接收器，為了驗證UCPS標準的可行性，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。在發送端采用SHC3201作為UCPS發送器。而在接收端，采用一個標準的不帶UCPS功能的HDMI接收器和一塊FPGA板和一塊SHC3201發送器共同完成。其中標準的HDMI接收器用來接收HDMI線上的數據，將HDMI線上高速的TMDS差分信號轉換為普通視頻數據；FPGA板主要實現UCPS實時解密，同時在FPGA內部有一個MCU,用來完成與UCPS設備認證和消息交互；SHC3201用來發送視頻數據到DTV顯示。同時在發送端和接收端都有一個MCU作為主控，用來控制整個系統的正常工作。 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，承擔內部認證、IMU間雙向認證、信息收集以及系統完整性維護的功能。IMU與HDMI硬件接口通過I2C通道連接。發送端IMU與接收端IMU通過HDMI接口的DDC通道進行數據交互。IMU模塊由UCPS組織統一開發后提供給接口芯片廠商。 圖1所示，系統上電后，IMU首先與設備接口進行認證，之后是設備接口間的認證，最后是IMU的之間的認證。以上三種認證通過后，發送端開始對被保護的內容進行加密并發送，而接收端則開始接收并解密還原被保護內容。 
圖1：UCPS內容流向示意圖。 圖2是UCPS在HDMI系統中的具體通信示意圖。IMU與設備間的通信認證是通過I2C接口，設備間的通信認證是通過HDMI接口上DDC總線完成，兩個IMU的通信認證則需要通過I2C和DDC兩個接口完成。
圖2：UCPS HDMI通信架構示意圖。 UCPS協議主要包括以下內容： 1） 設備認證：包括IMU與設備接口間的認證，設備接口間的認證和IMU之間的認證。 2） 協議消息交互機制：整個設備的認證，通過一套完整的消息機制完成。 3） 密鑰機制和安全傳輸：包括密鑰激活和對受保護內容加密傳輸。 4） 系統信息收集和完整性維護：包括公鑰吊銷，IMU有效性驗證與更新。 2SHC3201芯片功能介紹： SHC3201是上海華虹設計公司開發的全球首款支持UCPS標準、符合HDMI1.3標準的發送器。SHC3201HDMI發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） 待機功耗極低(小于30μA)； 5） 顯示數據通道(DDC)支持； 6） 支持S/PDIF和8通道I2S音頻記錄格式并且以192kHz速率發送立體聲或7.1通道環繞聲。 UCPS驗證具體實現方法 圖3所示，發送端系統工作方法：DVD的視頻數據經HDMI線到達HDMI接收器(無UCPS功能的HDMI接收器)，之后經數據線到達SHC3201。SHC3201在通過UCPS驗證后，將加密視頻數據，并將加密后的數據經過HDMI線發送出去。
圖3：UCSP驗證系統。 接收端系統工作方法：由于現還沒有UCPS的接收器，所以采用一種組合方式來實現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發送過來的加密視頻數據，再將視頻數據送入FPGA中，FPGA板只做UCPS解密操作，FPGA解密后將視頻數據送入SHC3201(此處shc3201只是一個HDMI發送器，無UCPS功能)。SHC3201再將數據通過HDMI線送到DTV。整個系統工作結束。 如圖3所示，在進行設備認證的過程中，在發送端，所有的UCPS認證工作，加密的啟動，都是由SHC3201內部的MCU發起，固件直接固化到SHC3201內部ROM中。在接收系統中的FPGA板上也有一個MCU。在這兩個MCU將用來完成UCPS的認證消息交互工作，加解密的控制。另外在發送系統和接收系統也各有一個MCU，用來作為整個系統的主控，包括HDMI接收器和SHC3201的初始化，驅動HDMI接收器和SHC3201正常工作。需要說明的是，在此套方案中，發送端的SHC3201內部MCU通過DDC直接與接收端的FPGA板內的MCU通信。在接收端FPGA板上的RAM掛接在DDC總線上，發送端SHC3201內部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協議標準定如下寄存器。 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。增加一個數據緩存器，緩存器大小為32字節。增加的寄存器和緩存器都要掛接在DDC總線上，讓發射端SHC3201可以通過DDC進行讀寫操作，同時接收端FPGA內部的MCU也可讀寫即可。
圖4 Bit0:HDMI發射端通過DDC讀完數據標志 Bit1:HDMI發射端通過DDC寫完數據標志 Bit2:HDMI忙/閑標識HDMI發射端是否正在寫DDC總線 上圖在接收端定義寄存器和通信標志位，發射端可讀寫，接收端只能讀
圖5 Bit0:HDMI接收端通過DDC讀完數據標志 Bit1:HDMI接收端通過DDC寫完數據標志 Bit2:HDMI忙/閑標識HDMI接收端是否正在寫數據到緩存器 上圖在接收端定義寄存器和通信標志位，接收端可讀寫，發射端只能讀。 HDMI發射端SHC3201固件設計方法 1)發射端主控器通過DDC寫接收端HDMI_TX_STATUS為0x1； 2)發射端主控器通過DDC輪詢接收端的兩個標志寄存器； 3)如果發射端要發送數據或消息到接收端，先查看HDMI_RX_STATUS為0x1，則開始準備發送。否則到第八步； 4)發射端寫HDMI_TX_STATUS為0x04； 5)發射端將數據或消息通過DDC寫入接收端的緩存器中； 6)發射端寫HDMI_TX_STATUS為0x02； 7)發射端通過DDC開始輪詢HDMI_RX_STATUS值，如為0x1，則表示接收端已將數據取出，回到第1步； 8)發射端接收數據，當發現HDMI_RX_STATUS值為0x02時，表示HDMI接收端已將數據準備好了，發射端寫HDMI_TX_STATUS為0X04,并開始通過DDC讀取接收端緩存器中的數據。返回第一步。 6HDMI接收端軟件設計方法： 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志寄存器； 3)如果接收端要發送數據或消息到發射端，先查看HDMI_TX_STATUS的值為0x1時，則開始準備發送；否則到第八步； 4)接收端寫HDMI_RX_STATUS為0x04； 5)接收端將數據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，則表示發射端已將數據取出，回到第一步； 8)接收端接收數據，當發現HDMI_TX_STATUS值為0x2時，表示HDMI發射端已經通過DDC把數據寫入了接收端的緩存器。接收端開始讀取緩存器的數據，讀完后返回第一步。 本文小結 SHC3201是第一顆帶有UCPS功能的HDMI發送器，因為現沒有相應的帶有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接收器的環境下，我們成功地實現了UCPS協議驗證。可以實現UCPS的設備認證，UCSP加密和解密的功能測試。并作為一個完成系統通過相關部門驗收。在此系統中，我們通過軟硬的方法，成功驗證了UCPS協議所需要的設備認證功能，發送與接收通信機制功能，UCPS實時加密和實時解密功能。同時因為現相關標準組織還沒有開發出相應的IMU模塊，所以與IMU相關的認證功能暫時沒有驗證。 另外要說明的是在這套驗證系統中，接收端用的是一個標準的HDMI接收器作為數據轉換，系統無法實時傳送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發生變化時，HDMI發送端和HDMI接收端不同步，我們定義在消隱期間，不發送任何有效數據，包括音頻或者視頻。而音頻數據是穿插在消隱期間發送的，目前這種方法，不能傳音頻數據。發送端和接收端的加解密狀態同步，雙方是通過DDC通道，通過傳遞消息來完成的。 |
