HDMI高清顯示接口驅(qū)動(dòng)的傳輸原理

HDMI是（High Definition Multimedia Interface）的縮寫(xiě)，意思是高清晰度多媒體接口，是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，適合影像傳輸?shù)膶?zhuān)用型數(shù)字化接口，可同時(shí)傳送音頻和影像信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為48Gbps（2.1版），HDMI相較于VGA接口，它傳輸?shù)?a target="_blank">信息量大，色彩度高，傳輸速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)HDMI有兩種方法，有些開(kāi)發(fā)板是用一顆專(zhuān)用的HDMI芯片ADV7511做HDMI的輸出使用，ADV7511 是一款高速高清晰度多媒體接口(High Definition Multimedia Interface HDMI)發(fā)送器。 能夠處理的數(shù)據(jù)速率高達(dá)165MHz(1080p @60H, UXGA @60Hz)， 輸出數(shù)據(jù)速率高達(dá) 225MHz。

Digilent官方出品的ZYBO開(kāi)發(fā)板，上面一個(gè)雙向的HDMI端口，直接連接在PL的引腳上，所以這次博主分享的工程是用ZYBO PL端的IO口模擬HDMI接口，首先先來(lái)講一下HDMI的顯示原理主要是TMDS

HDMI 采用和 DVI 相同癿傳輸原理——TMDS（Transition Minimized Differential?signal），最小化傳輸差分信號(hào)。

TMDS 傳輸系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：發(fā)送端和接收端。 TMDS 發(fā)送端收到HDMI 接口傳來(lái)的表示 RGB 信號(hào)的24 位并行數(shù)據(jù)（TMDS 對(duì)每個(gè)像素的 RGB 三原色分別按 8bit 編碼，即 R信號(hào)有 8 位，G 信號(hào)有 8 位，B 信號(hào)有 8 位），然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和并/串轉(zhuǎn)換，再將表示 3 個(gè) RGB 信號(hào)的數(shù)據(jù)分別分配到獨(dú)立的傳輸通道發(fā)送出去。接收端接收來(lái)自發(fā)送端的串行信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解碼和串/并轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到顯示器的控制端。與此同時(shí)也接收時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步。

TMDS的原理

每一個(gè) TMDS 鏈路都包括 3 個(gè)傳輸 RGB 信號(hào)的數(shù)據(jù)通道和 1 個(gè)傳輸時(shí)鐘信號(hào)的通道。每一個(gè)數(shù)據(jù)通道都通過(guò)編碼算法，將 8 位的視、音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成最小化傳輸、直流平衡的 10 位數(shù)據(jù)。這使得數(shù)據(jù)的傳輸和恢復(fù)更加可靠。最小化傳輸差分信號(hào)是通過(guò)異或及異或非等逡、邏輯算法將原始 8 位信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 10 位，前 8 為數(shù)據(jù)由原始信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后獲得，第 9 位指示運(yùn)算的方式，第 10 位用來(lái)對(duì)應(yīng)直流平衡。

一般來(lái)說(shuō)，HDMI 傳輸癿編碼格式中要包含視頻數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包中包噸音頻數(shù)據(jù)和附加信息數(shù)據(jù)，例如糾錯(cuò)碼等）。 TMDS 每個(gè)通道在傳輸時(shí)要包含一個(gè) 2bit 的控制數(shù)據(jù)、 8bit 的視頻數(shù)據(jù)或者 4bit 的數(shù)據(jù)包即可。在 HDMI 信息傳輸過(guò)程中，可以分為三個(gè)階段：視頻數(shù)據(jù)傳輸周期、控制數(shù)據(jù)傳輸周期和數(shù)據(jù)島傳輸周期，分別對(duì)應(yīng)上述的三種數(shù)據(jù)類(lèi)型。

下面介紹 TMDS 中采用的技術(shù)：

傳輸最小化

8 位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼和直流平衡得到 10 位最小化數(shù)據(jù)，這仿佛增加了冗余位，對(duì)傳輸鏈路的帶寬要求更高，但事實(shí)上，通過(guò)這種算法得到的 10 位數(shù)據(jù)在更長(zhǎng)的同軸電纜中傳輸?shù)目煽啃栽鰪?qiáng)了。下圖是一個(gè)例子，說(shuō)明對(duì)一個(gè) 8 位的并行 RED 數(shù)據(jù)編碼、并/串轉(zhuǎn)換。

第一步：將 8 位并行 RED 數(shù)據(jù)發(fā)送到 TMDS 収送端。
? ? ? ?第二步：并/串轉(zhuǎn)換.
? ? ? ?第三步：進(jìn)行最小化傳輸處理，加上第 9 位，即編碼過(guò)程。第 9 位數(shù)據(jù)稱(chēng)為編碼位。

2. 直流平衡

直流平衡（DC-balanced）就是指在編碼過(guò)程中保證信道中直流偏移為零。方法是在原來(lái)的 9 位數(shù)據(jù)癿后面加上第 10 位數(shù)據(jù)，返樣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)趨于直流平衡，使信號(hào)對(duì)傳輸線的電磁干擾減少，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3. 差分信號(hào)

TMDS差分傳動(dòng)技術(shù)是一種利用2個(gè)引腳間電壓差來(lái)傳送信號(hào)的技術(shù)。傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)值（“0”或者“1”）由兩腳間電壓正負(fù)極性和大小決定。即，采用 2 根線來(lái)傳輸信號(hào)，一根線上傳輸原來(lái)的信號(hào)，另一根線上傳輸與原來(lái)信號(hào)相反的信號(hào)。這樣接收端就可以通過(guò)讓一根線上的信號(hào)減去另一根線上的信號(hào)的方式來(lái)屏蔽電磁干擾，從而得到正確的信號(hào)。

另外，還有一個(gè)顯示數(shù)據(jù)通道（DDC），是用于讀取表示接收端顯示器的清晰度等顯示能力的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的信號(hào)線。搭載 HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection，高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)）的發(fā)送、接收設(shè)備之間也利用 DDC 線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。

接下來(lái)是電路設(shè)計(jì)部分，HDMI驅(qū)動(dòng)部分追尋原始出處應(yīng)該是迪芝倫官方，該部分代碼用VHDL語(yǔ)言描述，為了方便移植，我將該部分代碼封裝成自定義IP Core，由上文可知，我們需要產(chǎn)生RGB888三路數(shù)據(jù)，輸入給該模塊，然后經(jīng)過(guò)解碼、串/并轉(zhuǎn)換，差分輸出。還需要兩個(gè)時(shí)鐘輸入，一個(gè)是當(dāng)前顯示分辨率的像素時(shí)鐘，一個(gè)是當(dāng)前顯示分辨率的像素時(shí)鐘的五倍。還有一個(gè)行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的產(chǎn)生方法和VGA是一樣的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是先產(chǎn)生VGA的信號(hào)，行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)RGB888的數(shù)據(jù)輸入給HDMI驅(qū)動(dòng)模塊就可以顯示了，我們要修改顯示的數(shù)據(jù)，還是只需要修改VGA時(shí)序即可。

該工程經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)720p（1280x720）的分辨率顯示，1080p（1920×1080）的分辨率沒(méi)有測(cè)試出來(lái)，原因我覺(jué)得可能是官方的zybo的晶振是125Mhz的，這個(gè)時(shí)鐘很尷尬，直接用Clocking wizard鎖不出來(lái)HDMI所需要的精確時(shí)鐘，如下圖。我試過(guò)先分頻出100Mhz，然后在調(diào)用一個(gè)IP Core分頻和倍頻，但是綜合總會(huì)報(bào)錯(cuò)。所以直接這樣進(jìn)行PLL雖然有誤差但是還是可以顯示出720p的。

而且根據(jù)迪芝倫的官方手冊(cè)上描述，有這樣一段，Resolution up to 720p(1280x720) have been teste。我的英文不是很好，那既然這樣說(shuō)了，沒(méi)準(zhǔn)它還真達(dá)不到1080p，好吧不管了，就暫且認(rèn)為它最高只能達(dá)到720p吧。逃~

打開(kāi)工程后，需要重新添加HDMI自定義IP的路徑，就在工程中，rgb2dvi_v1_2文件夾中。

然后在IP Catalog中搜索hdmi_disp就可以得到對(duì)應(yīng)的IP Core了。

雙擊打開(kāi)這四個(gè)需要定義的參數(shù)，已經(jīng)定義好在IP中了，直接點(diǎn)擊OK——Generate生成

直接可以在如下圖所示中找到例化文件，直接實(shí)例化即可。

關(guān)于引腳約束，需要說(shuō)的是，引腳約束必須為T(mén)MDS_33電平標(biāo)準(zhǔn)

最后附上一張720p彩條測(cè)試圖。