【摘要】 我國首部具有自主知識產(chǎn)權的數字接口內容保護行業(yè)標準——《數字接口內容保護系統技術(shù)規范》（Unified Content Protection System，簡(jiǎn)稱(chēng)UCPS標準），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標準是中國消費電子行業(yè)第一個(gè)自主知識產(chǎn)權的內容保護標準，也是第一個(gè)以企業(yè)為主導的自主技術(shù)標準。上海華虹集成電路有限責任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)華虹設計)是UCPS論壇聯(lián)盟成員和聯(lián)盟指定的芯片設計單位，華虹設計通過(guò)自身的刻苦研究，開(kāi)發(fā)了全球首款支持UCPS標準、符合HDMI 1.3標準的發(fā)送器SHC3201。
由于目前還沒(méi)有帶UCPS功能的HDMI接收器，為了驗證UCPS標準的可行性，同時(shí)驗證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。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)標準的不帶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。其中標準的HDMI接收器用來(lái)接收HDMI線(xiàn)上的數據，將HDMI線(xiàn)上高速的TMDS差分信號轉換為普通視頻數據；FPGA板主要實(shí)現UCPS 實(shí)時(shí)解密，同時(shí)在FPGA內部有一個(gè)MCU, 用來(lái)完成與UCPS設備認證和消息交互；SHC3201用來(lái)發(fā)送視頻數據到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)系統的正常工作。
1 UCPS工作原理
圖一：UCPS內容流向示意圖
圖二：UCPS HDMI通信架構示意圖
識別管理單元（簡(jiǎn)稱(chēng)為IMU）為一個(gè)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(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)行數據交互。IMU模塊由UCPS組織統一開(kāi)發(fā)后提供給接口芯片廠(chǎng)商。
圖一所示，系統上電后，IMU首先與設備接口進(jìn)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(guò)后，發(fā)送端開(kāi)始對被保護的內容進(jìn)行加密并發(fā)送，而接收端則開(kāi)始接收并解密還原被保護內容。
圖二 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(guò)I2C 接口，設備間的通信認證是通過(guò)HDMI 接口上DDC總線(xiàn)完成，兩個(gè)IMU的通信認證則需要通過(guò) I2C 和DDC 兩個(gè)接口完成。
UCPS協(xié)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(xié)議消息交互機制：整個(gè)設備的認證，通過(guò)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(xiāo)，IMU 有效性驗證與更新。
2 SHC3201芯片功能介紹：
SHC3201 是上海華虹設計公司開(kāi)發(fā)的全球首款支持UCPS標準、符合HDMI 1.3標準的發(fā)送器。SHC3201 HDMI發(fā)送器主要功能特征包括
1） 支持UCPS1.0和HDCP1.2。
2） 225 MHz HDMI v1.3支持36bits深色（Deep Color）應用。
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(fā)送立體聲或7.1通道環(huán)繞聲。
3 UCPS驗證具體實(shí)現方法:
圖三：UCSP 驗證系統
圖三所示，發(fā)送端系統工作方法：DVD 的視頻數據經(jīng)HDMI線(xiàn)到達HDMI 接收器（無(wú)UCPS 功能的HDMI 接收器），之后經(jīng)數據線(xiàn)到達SHC3201。SHC3201 在通過(guò)UCPS驗證后，將加密視頻數據，并將加密后的數據經(jīng)過(guò)HDMI 線(xiàn)發(fā)送出去。
接收端系統工作方法：由于現還沒(méi)有UCPS的接收器，所以采用一種組合方式來(lái)實(shí)現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(gè)HDMI 發(fā)送器，無(wú)UCPS功能）。SHC3201再將數據通過(guò)HDMI 線(xiàn)送到DTV。整個(gè)系統工作結束。
4 UCPS 認證實(shí)現方法：
如圖三所示，在進(jìn)行設備認證的過(guò)程中，在發(fā)送端，所有的UCPS認證工作，加密的啟動(dòng)，都是由SHC3201內部的MCU發(fā)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(gè)MCU。在這兩個(gè)MCU將用來(lái)完成UCPS的認證消息交互工作，加解密的控制。另外在發(fā)送系統和接收系統也各有一個(gè)MCU，用來(lái)作為整個(gè)系統的主控，包括HDMI 接收器和SHC3201的初始化，驅動(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內部MCU 通過(guò)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(xiàn)上，發(fā)送端SHC3201內部MCU通過(guò)DDC訪(fǎng)問(wèn)它，而接收端FPGA中的MCU通過(guò)并行總線(xiàn)直接訪(fǎng)問(wèn)它。在此RAM中按照UCPS協(xié)議標準定如下寄存器。
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(xiàn)上，讓發(fā)射端SHC3201可以通過(guò)DDC進(jìn)行讀寫(xiě)操作，同時(shí)接收端FPGA內部的MCU也可讀寫(xiě)即可。
圖四
Bit0: HDMI發(fā)射端通過(guò)DDC讀完數據標志
Bit1: HDMI 發(fā)射端通過(guò)DDC寫(xiě)完數據標志
Bit2: HDMI忙/閑標識 HDMI 發(fā)射端是否正在寫(xiě)DDC總線(xiàn)
圖四在接收端定義寄存器和通信標志位，發(fā)射端可讀寫(xiě)，接收端只能讀
圖五
Bit0: HDMI接收端通過(guò)DDC讀完數據標志
Bit1: HDMI 接收端通過(guò)DDC寫(xiě)完數據標志
Bit2: HDMI忙/閑標識 HDMI 接收端是否正在寫(xiě)數據到緩存器
圖五在接收端定義寄存器和通信標志位，接收端可讀寫(xiě)，發(fā)射端只能讀。
5 HDMI發(fā)射端SHC3201固件設計方法：
1）：發(fā)射端主控器通過(guò)DDC 寫(xiě)接收端HDMI_TX_STATUS 為0x1。
2)：發(fā)射端主控器通過(guò)DDC 輪詢(xún)接收端的兩個(gè)標志寄存器。
3）：如果發(fā)射端要發(fā)送數據或消息到接收端，先查看HDMI_RX_STATUS為0x1，則開(kāi)
始準備發(fā)送。否則到第八步。
4）：發(fā)射端寫(xiě)HDMI_TX_STATUS 為0x04。
5）：發(fā)射端將數據或消息通過(guò)DDC 寫(xiě)入接收端的緩存器中。
6）：發(fā)射端寫(xiě) HDMI_TX_STATUS為0x02。
7）：發(fā)射端通過(guò)DDC 開(kāi)始輪詢(xún)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(fā)射端接收數據，當發(fā)現HDMI_RX_STATUS值為0x02時(shí)，表示HDMI 接收端已將數據準備好了，發(fā)射端寫(xiě)HDMI_TX_STATUS 為0X04, 并開(kāi)始通過(guò)DDC 讀取接收端緩存器中的數據。返回第一步。
6 HDMI接收端軟件設計方法：
1）： 接收端寫(xiě)HDMI_RX_STATUS 為0x1。
2)： 接收端主控器通過(guò)輪詢(xún)接收端的兩個(gè)標志寄存器。
3）： 如果接收端要發(fā)送數據或消息到發(fā)射端，先查看HDMI_TX_STATUS的值為0x1時(shí)，則開(kāi)始準備發(fā)送。否則到第八步。
4）： 接收端寫(xiě)HDMI_RX_STATUS 為0x04。
5）： 接收端將數據或消息寫(xiě)入接收端的緩存器中。
6）： 接收端寫(xiě) HDMI_RX_STATUS 的值為0x02。
7）： 接收端開(kāi)始輪詢(xún)HDMI_TX_STATUS值，如為1，則表示發(fā)射端已將數據取出，回到第一步。
8）：接收端接收數據，當發(fā)現HDMI_TX_STATUS值為0x2時(shí)，表示HDMI 發(fā)射端已經(jīng)通過(guò)DDC把數據寫(xiě)入了接收端的緩存器。接收端開(kāi)始讀取緩存器的數據， 讀完后返回第一步。
7 討論
上海華虹的SHC3201,是第一顆帶有UCPS功能的HDMI發(fā)送器，因為現沒(méi)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(shí)驗室采用了上述方法。通過(guò)這個(gè)方法，在沒(méi)有帶UCPS功能的HDMI接收器的環(huán)境下，我們成功地實(shí)現了UCPS協(xié)議驗證�？梢詫�(shí)現UCPS的設備認證，UCSP加密和解密的功能測試。并作為一個(gè)完成系統通過(guò)相關(guān)部門(mén)驗收。在此系統中，我們通過(guò)軟硬的方法，成功驗證了UCPS協(xié)議所需要的設備認證功能，發(fā)送與接收通信機制功能，UCPS實(shí)時(shí)加密和實(shí)時(shí)解密功能。 同時(shí)因為現相關(guān)標準組織還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出相應的IMU模塊，所以與IMU相關(guān)的認證功能暫時(shí)沒(méi)有驗證。
另外要說(shuō)明的是在這套驗證系統中，接收端用的是一個(gè)標準的HDMI接收器作為數據轉換，系統無(wú)法實(shí)時(shí)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(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)送任何有效數據，包括音頻或者視頻。而音頻數據是穿插在消隱期間發(fā)送的，目前這種方法，不能傳音頻數據。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�！� |
