HDMI协议解析

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本文从软件工程师角度对HDMI spec进行解析，基于的spec版本为1.4，也是设备支持最多最成熟的版本，目前最新版本为2.0。

1 概述

HDMI（High-Definition Multiface Interface）是Hitachi, Panasonic, Philips, SiliconImage, Sony, Thomson, Toshiba几家公司共同发布的一款音视频传输协议，主要用于DVD, 机顶盒等音视频source到TV，显示器等sink设备的传输。传输基于的是TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)协议。此外，使用TMDS也是DVI标准的主要特点 。

2 物理结构

上图是HDMI block结构图，可以看出HDMI用于audiovisual source和sink之间的连接，HDMI cable由3组差分信号传输TMDS数据，1组差分信号传输clock。此外，HDMI还有一个DDC的通道连接到sink的EDID。CEC和HEAC都是HDMI的可选协议。

HDMI定义了五种类型的connector，上图是最常见的type A。
1-9是TMDS data传输用到的引脚，共有三组；
10-12是TMDS clock传输用到的引脚，共有一组，TMDS clock就是pixel clock；
13是CEC引脚，一种消费电子兼容的传输协议；
14是保留引脚；
15,16是DDC的引脚，DDC是基于I2C协议传输，故引脚为SCL和SDA；
17是接地；
18是+5V power；
19是HPD引脚，用于建立连接。

3 传输

概述

HDMI传输由三组TMDS通道和一组TMDS clock通道组成，TMDS clock的运行频率是video信号的pixel频率，在每个cycle，每个TMDS data通道发送10bit数据。

上图是HDMI传输的示意图，从图中可知，HDMI传输如下四种类型数据：
（1）Preamble控制信息，图中的CTLx，可用来表示后面传输的是data island还是video data。通过channel1和2的D[1:0]传输，占用4bit。
（2）Data Island，即数据包，如Audio数据包。通过3个channel的D[3:0]传输，占用12bit。
（3）Video Data，视频数据。示意图中传输的是RGB格式图像，R,G,B分别通过channel2,1,0传输，每个颜色8bit，共24bit。
（4）HSYNC, VSYNC。使用channel0的D[1:0]传输，占用2bit。
8bit的数据在source经过TMDS encoder后得到10bit数据，经过serializer后串行输出；在sink端先进行复原成10bit的数据，再通过TMDS decoder得到8bit的源数据。
此外，HDMI视频是stream式的传输，不涉及packet式的传输。

上图是传输720x480p video的hdmi timing图。
在video data period，有效的video数据进行传输；
在data island period，audio和auxiliary数据以包的形式进行传输；
在control period，CTLx和HSYNC, SYNC进行传输。
data island period和control period都是在消隐区进行。图中行消隐占用138像素，场消隐占45行。

上图中是对时序图中描述的三种period分别传输的数据和编码类型进行说明。video数据从8bit/channel encode后变为10bit/channel, data island的packet数据从4bit/channel encode后为10bit/channel, control数据从2bit/channel encode为10bit/channel。

Control Period

只有两种类型的preamble信息组合，CTL0:3=1000代表接下来的是video data period，CTL0:3=1010代表接下来的是data island period。HSYNC, VSYNC此时也有可能发生变化。

Video Data Period

video data period以2个字符（pixel）长度的leading gurad band开始，guard band如下：
ch0: q_out[9:0] = 0b1011001100
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b1011001100

Data Island Period

data island period传输audio数据和辅助数据，辅助数据包括Infoframe和其他用于音视频信息描述的数据。data island period以2个字符长度的leading guard band开始，并以2个字符宽度的trailing guard band 结束。guard band如下：
ch0: q_out[9:0] = n.a
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b0100110011
data island传输的packet类型和格式详见spec说明。
三个传输阶段的过渡过程如下图所示：

(1) 左一是control period， 分别占用三个channel的D[1:0]，channel 0传输HSYNC, VSYNC, channel1,2 传输Preamble
(2) 左二是data island period，分别占用了三个channel的D[3:0]，channel 0的D[1:0]传输HSYNC, VSYNC， channel0的D[3:2]传输packet header, channel 1,2的D[3:0]传输packet。并且两端以guard band隔离
(3)右二接下来又是control period
(4)右一是 video data island, 占用了全部三个通道，并且开始以guard band 隔离

4 Video

支持三种pixel encoding：RGB4:4:4, YCbCr4:4:4, YCbCr4:2:2
video format除了CEA-861-D中格式外，还会支持一些较特殊的格式
color depth可支持一个像素24, 30, 36和48bits
下面分别是24bit/pixel的RGB444, YCbCr422, YCbCr444的pixel encoding示意图。RGB444每个颜色占8bit， YCbCr422中Y占12bit，C占12bit，YCbCr444中Y,Cb,Cr都占用8bit。

Deep Color模式
Pixel Packing
24 bit mode: 1 pixel/group, 1 fragment/group
30 bit mode: 4 pixel/group, 5 fragment/group
36 bit mode: 2 pixel/group, 3 fragment/group
48 bit mode: 1 pixel/group, 2 fragment/group
1fragment/TMDS clock, 如30bit下的4pixel，需要5次传输完成，每次1个fragment。

5 Audio

Audio数据以Audio Sample Packet或High Bitrate Audio Stream Packet的形式传输，但是HDMI没有传输audio clock，因此sink设备需要进行audio clock regeneration。原理如下：

128∗fs=N×fTMDS/CTS
N和CTS会在Audio Clock Regeneration Packet中进行传输，TMDS clock可通过硬件获取，因此sink端可算出source传输的audio clock。

6 Control

InfoFrame

Infoframe以Infoframe packet的形式传输，它的大小不超过30字节加上一个checksum字节。具体infoframe的格式及内容需要查看spec。
AVI(Auxiliary Video Information) Infoframe
Audio Infoframe
HDMI Vendor Specific Infoframe, 传输4kx2k或3D格式时需要发送此packet

EDID & DDC

sink设备在ROM中存放EDID信息，source在收到HPD后会通过DDC通道读取EDID得到显示设备的属性。EDID包含两部分，前128字节符合EDID1.3数据结构，128字节的扩展EDID，符合CEA extension verison3。CEA extension verison3如下图所示。

HDMI VSDB
HDMI sink设备在第一个扩展EDID中包含HDMI VSDB，source在读取EDID后会根据是否有此block来判断设备是HDMI还是DVI。

Hotplug

source会监测HPD pin的状态，当source和sink连接后，如果HPD为高电平，说明sink设备正常可以工作，source可通过DDC读取EDID，如果为低电平，说明sink已断开。
sink可通过拉低HPD超过100ms来向source表明EDID发生了变化，此时source会重新读取EDID。

HDCP

涉及内容较多，会在单独章节中讲解。