资料来源:https://www.cnblogs.com/TaigaCon/p/3840653.html
最近要用ZYNQ开发版的HDMI做显示,看着硬件管脚和例程只能发呆,于是决心去弄清楚HDMI的工作原理,查找了很多资料,都是碎片化的,不易懂。于是我加以整理,再以初学者(没有接触过任何视频传输接口)的角度在这篇博客里阐述。
对于初学者先了解VGA,再来看HDMI会更容易理解,有关VGA原理在我的上一篇博客中有详细说明。
HDMI,全称为(High Definition Multimedia Interface)高清多媒体接口,主要用于传输高清音视频信号。
HDMI引脚:
HDMI有A,B,C,D,E五种引脚类型,目前市面中比较常见的就是Type A:
其中
传输流程
HDMI TMDS传输的数据类型有三种(加上Hsync与Vsync就算4种):
HDMI的数据传输有TMDS0,TMDS1,TMDS2三个通道,每个通道的传输流程都是一样的:
如果是8bit的数据进入TMDS编码器,得到抗干扰性强的10bit TMDS信号,然后再进行串行化输出;在接收端收到串行的HDMI信号后,进行信号复原,得到10bit的TMDS信号,最后用TMDS解码器解码得到原来的8bit数据。
TMDS部分
一般来说,HDMI传输癿编码格式中要包括视频数据、控制数据和数据包(数据包中包括音频数据和附加信息数据,例如纠错码等)。TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据戒者4bit的数据包即可。在HDMI信息传输过程中,可以分为三个阶段:视频数据传输周期、控制数据传输周期和数据岛传输周期,分别对应上述的三种数据类型。 下面介绍TMDS中采用的技术:
1.传输最小化
以单个通道的8位数据为例,8位数据经过编码和直流平衡得到10位最小化数据,这仿佛增加了冗余位,对传输链路的带宽要求更高,但事实上,通过这种算法得到的10位数据在更长的同轴电缆中传输的可靠性增强了。下图是一个例子,说明对一个8位癿并行RED数据编码、并/串转换。
第一步:将8位并行RED数据传送到TMDS发送端。
第二步:并/串转换.
第三步:进行最小化传输处理,加上第9位,即编码过程。第9位数据称为编 码位。
2.直流平衡
直流平衡(DC-balanced)就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零。方法是在原本的9位数据的后面加上第10位数据,返样,传输的数据趋于直流平衡,使信号对传输线的电磁干扰减少,提高信号传输的可靠性。
3.差分信号
TMDS差分传输技术是一种刟用2个引脚间电压差来传送信号癿技术。传输数据的数值(“0”或者“1”)由两脚间电压正负极性和大小决定。即,采用2根线来传输信号,一根线上传输原来的信号,另一根线上传输与原来信号相反的信号。这样接收端就可以通过让一根线上的信号减去另一根线上的信号的方式来屏蔽电磁干扰,从而得到正确的信号。 如下图所示:
总体传输流程如下:
对于Hsync与VSync,会占用Channel0通道的两个bit输入,Channel0[0]为Hsync,Channel0[1]为Vsync
传输周期
HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期:
某帧的总体周期如下:
三个传输周期的过渡如下:
Data Island Packet结构
所有Data Island Packet都以32个时钟脉冲为一个周期,也就是说每32 clk传输一个包。
以上图为例,
所以说,在接收端,在解完包之后,需要取出各个BCH block的Parity bit,进行Calibration(校验)
Packet类型各种各样,详细请看HDMI Spec
Audio Clock
Audio的采样率有44100,48000,192000等,是各种各样,在HDMI传输时,Audio是PCM级(无压缩)传输,把PCM数据打散到各个包内,为了得到每个音频帧的数据,也需要知道Audio的采样率。HDMI中规定Audio的传输方式:
Audio采样率fs重建依靠的主要参数为:
在发送设备这端,已知参数有采样率fs,视频时钟Video Clock(TMDS clock),以及预先设定好的参数N,求CTS:
CTS=N∗f TMDS 128×f x CTS=N∗fTMDS128×fx CTS = \frac{N *f_{TMDS}}{128\times{f_x}}
在接收设备这端,TMDS clock通过硬件设备可以得到,N,与CTS通过Audio Packet传输过来,求fs:
128∗f s =N×f TMDS CTS 128∗fs=N×fTMDSCTS 128*f_s = \frac{N\times{f_{TMDS}}}{CTS}
在接收端为了保持fs的稳定与精确,需要进行锁相,即用VCO(Voltage-controlled oscillator压控振荡器,通过电压控制产生的频率)产生合适的频率,然后用PFD(Phase Frequency Detector)来锁频
f vco =f a128 ×S×S 2 fvco=fa128×S×S2 f_{vco} = {f_{a128}}\times{S}\times{S_2}
由于f a128 fa128 f_{a128} 只有那么几种(44.1k,48k等),所以比较容易得到S S S 与S 2 S2 S_2
f vco M =f x K fvcoM=fxK \frac{f_{vco}}{M} = \frac{f_x}{K}
f a128 =f vco S×S 2 fa128=fvcoS×S2 f_{a128} = \frac{f_{vco}}{{S}\times{S_2}}
HotPlug
HotPlug即热拔插,当接上接口时就可以判定设备是否存在,以进行后续工作。
HDMI source device(HDMI HPD)会监测sink device的Hotplug端口,如果Hotplug为High,则证明设备可以工作,然后去读取DCC,如果为low,则证明设备已断开。
HDMI sink device应该通过把Hotplug拉低,来通知source device EDID已经被改变,那么source device在Hotplug被拉高后,就会重新来读取新的EDID,拉低这段时间应该多于100ms。
HDMI规定,HDMI 的5v引脚通电时,可以通过DCC去读取EDID,即需要保证Hotplug为high,有些Hotplug是直接接到5V上的(如下)。
Hotplug接法:(HDMI HPD(Hotplug detect ?)检测sink的Hotplug端)
上面用5V引脚进行供电,并接上Hotplug,这样做就能保证每次source device接上sink device时,都可以去读取到EDID。但是这样做有一个缺点,当5V电源断开时,会有5v的电压回灌给HDMI HPD与Hotplug,5V电压会冲击Hotplug,一旦Hotplug引脚无法承受5V电压的回灌,会被打穿。
下面有个较好的Hotplug接法:
上面用的是额外的GPIO引脚加上三极管控制HDMI HPD为0还是1,如果HDMI0_HPD_CTL输出0,那么三极管断开,HDMI0_HPD侦测到High,如果HDMI0_HPD_CTL输出1,那么三极管打通,HDMI0_HPD侦测到low。
HDMI Sink
例如像TV这种就是HDMI的接收端,那么HDMI接收端需要做些什么东西。
HDMI可以接收到的有三个通道的TMDS Data,TMDS Clock,可以设置Hotplug,还有DCC传输用的I2C引脚。上面已经讲了TMDS Data,与设置Hotplug,接下来分析TMDS Clock。
TMDS Clock 就是Pixel Clock,即一个像素点所用的时钟频率。TMDS Clock通过clk 引脚传输到接收端,但是接收端并不清楚发送端发过来的TMDS Clock 频率为多少,因此需要通过Phy(PHY是模拟数字转换部分,不同于ADC,PHY是不知道采样频率的,需要自己锁频、锁相,侦测确切的输入频率)来进行锁相得到。但是由于HDMI频宽太宽(480P@60Hz为25.2MHz,1080P@60Hz为162MHz,甚至还有高达340MHz的),一般VCO(压控振荡器,通过电压控制产生的频率)无法覆盖这么大的范围,因此需要分频带来设置Phy:
先侦测输入频率落在哪个频带,然后根据不同频带做不同设置。
用TV产生的晶振来数count,数得count后就知道TDMS Clock了
f crystal =count×f TMDS fcrystal=count×fTMDS f_{crystal} = {count}\times{f_{TMDS}} ??
或者用1024个TMDS Clock来数晶振个数
1024×f TMDS =count×f crystal 1024×fTMDS=count×fcrystal {1024}\times{f_{TMDS}} = {count}\times{f_{crystal}} ??
由于视频信号从RGB个8bit通过TMDS编码后变成了10bit,然后又串行化,所以实际用于接收TMDS Data所用的时钟应该为:
f ReceiveClock =10×f TMDS fReceiveClock=10×fTMDS f_{ReceiveClock} = {10}\times{f_{TMDS}}
另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法,而是采用TMDSClock为参考、硬件锁相的方法来得到。
得到ReceiveClock后就可以去设置频率PLL,然后对三个通道进行采样得到TMDS Data。
Timming Detect
在Sink端还有需要进行Timming Detect,因为如果设备可以支持(如chroma),HDMI可以自由更换Timming,而当Timming更换了之后,Sink需要重新设定Phy。因此,通过侦测频率的改变来检测是否更换了Timing是必要的。一般会有一个中断服务(或循环)线程来侦测频率的改变,一旦频率改变后,该进程会通知重新设定Phy,保证HDMI的正确运行
HDMI版权内容保护之HDCP
HDCP通过DDC传输
HDCP主要用于版权视频的保护,举例来说,如果有一台蓝光DVD播放机可以播放blueray DVD,并且该DVD已经获得HDCP授权,你现在想把该DVD影像输出到某台TV,但是该TV没有获得HDCP授权,那么该TV可能就没法播放影像,或者播放质量下降,如出现雪花,图像从1080p变为480p,或者没有声音,都有可能。
HDCP是靠两个设备的交互进行HDCP授权认证的,认证流程如下
要理解算法,首先我们需要知道ksv是用来干嘛的
此外HDMI自1.1后还支持一个更快速与频繁的认证方式,就是上方设备通信图的下半部分
了解HDCP对于处理HDMI的异常现象很有帮助,比如说如果时而出现雪花,有可能是信号不好导致Channel0的0像素出错,从而第二阶段的认证有时会不成功...
HDMI Sink总流程