UCPS协议与HDMI的验证系统设计与实现

　　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。[page]

　　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。

　　6HDMI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。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。