【摘要】 我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》（Unified Content Protection System，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責任公司(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，華虹設計通過自身的刻苦研究，開發了全球首款支持UCPS標準、符合HDMI 1.3標準的發送器SHC3201。
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。
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。
圖一所示，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。
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。
2 SHC3201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HDMI 1.3標準的發送器。SHC3201 HDMI發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。
3 UCPS驗證具體實現方法:
圖三：UCSP 驗證系統
圖三所示，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。
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。
4 UCPS 認證實現方法：
如圖三所示，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。
圖四
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
圖四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
圖五
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
圖五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。
5 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。
6 HDMI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。
7 討論
上海華虹的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。 |
