Windows显示驱动中读取EDID

去年刚进实验室的时候，实验室有有人在从事Windows双屏显示驱动的开发。项目难度很大，因为相关Windows的东西基本都是闭源的，资料少之又少，因此项目进展也很慢。我也被配安排帮助开发驱动程序，当时给我的任务是写一个Windows驱动下读取显示器的EDID的程序。

EDID

首先有必要了解一下EDID是什么？
EDID（Extended Display Identification Data ：扩展显示标识数据，一种VESA标准数据格式（显卡有四种总线类型：IAS、VESA、PCI、APG，我们现有程序就是VESA总线））：包含有关显示器及其性能的参数，包括供应商信息、最大图像大小、厂商预设值、分辨率、频率范围的限制、显示器名和序列号的字符串等信息。基本EDID有128个字节，保存在display节中，这些信息可通过DDC与系统进行通信，是在显示器和GPU之间进行的。EDID数据读取到之后，可将相关参数传递给PC的显卡驱动，从而做出调整，使显示内容（数据）与显示屏相匹配。
基本的EDID拥有128个字节信息，其信息如下：

• 0-7：    头信息，由00 FF FF FF FF FF FF 00 这8个字节组成

• 8-9：     厂商ID

• 10-11： 产品ID

• 12-15： 32-bit序列号

• 16-17 ： 制造日期

• 18-19 ： EDID 版本

• 20-24 ： 显示器的基本信息（视频输入定义，最大横向图像尺寸，最大纵向图像尺寸，显示传输特性，特征支持）

• 25-34 ： 显示器的颜色特征

• 35-37 ： Established Timings

• 38-53 ： Standard Timings Identification

• 54-125：Detailed Timing Description

• 126：      扩展标志位

• 127：      求和验证值

EDID目前已经存在五种版本（数据格式），EDID1.0、EDID1.1、EDID1.2、EDID1.3、EDID2.0。另外还一种Enhanced EDID，它时基于EDID 1.3的结构，可以存储更多的数据，数据长度是128+N*128。

EDID能够为显示器的初始化配置提供环境参数，是显示驱动不可缺少的输入数据，因此读取EDID是我本次任务的最终目标。

HDMI：高清晰度多媒体接口

在我手里有参考价值的资料是Windows显卡驱动的中通过HDMI读取EDID的程序。虽然我的目标是通过VGA读取EDID，但是在没有任何驱动开发经验的情况下，有必要先了解一下显卡驱动中HDMI部分的代码，以作为VGA程序开发的借鉴和参考。在看代码的同时，我也调研了HDMI数据传输的机制。下面对此做简要介绍。

HDMI特点

• 支持EDID和DDC2B标准，设备之间可智能选择最佳匹配连接方式

• 强大的版权保护机制：HDCP

• 支持24bit色深处理，（RGB，YCbCr4-4-4，TCbCr4-2-2）

• 完全兼容DVI接口标准

• 支持热拔插

• 采用TMDS（最小传输差分传输技术），利用两个引脚间电压差来传送信号的技术

• 每个标准的HDMI连接，都包含3个用于传输数据的TMDS传输通道，1个独立的TMDS时钟通道（保证传输时所需的统一时序）。每个TMDS通道都能传输10bits的数据流（有多种编码格式）

• HDMI把视频信号分为：R、G、B、H、V五种信号，用TMDS技术编码
  

数据通道

• TMDS：三个通道传输R、G、B三原色，HV编码在B信号通道里传输，R、G的多余位置用来传输音频信号。

• DDC：显示数据通道，用来向视频接收装置发送配置信息和数据格式信息；接收装置读取这些E-EDID（增强扩展显示识别数据）

• CEC：消费电子控制通道，通过这条通道可以控制视听设备的工作

HDMI输入的源编码格式

• 视频像素数据（8位）

• 控制数据（2位）

• 数据包（4位）：包含：音频数据、辅助信息数据

数据传输过程

视频数据传输期

• HDMI数据线上传送视频像素信号（数据）

• 视频信号经过编码，生成3路（3个TMDS数据传输通道，每路8位），共24位视频数据流，输入HDMI发射器中

• TMDS通道传输24位视频像素信号，将每通道的8位编码成10位，在每个10位像素时钟周期传送一个最小化的信号序列，视频信号被调制为TMDS数据信号传输出去，被接收器接收

岛屿数据传输期

• TMDS通道上将出现音频数据、辅助信息数据，这些数据每4位一组（即上述的4位数据包）

• 数据包也被调制成10位一组的TMDS信号，然后发出

• 视频数据传输期和岛屿数据传输期均开始于一个Guard Band保护频带，Guard Band由2个特殊的字符组成，为了明确限定控制数据传输期之后的跳转是视频数据传输期

控制数据传输期

• 在前面任意两个数据传输周期之间，每个TMDS包含2位的控制数据

• 3通道一共6位控制数据，分别为：HSYNC（行同步）、VSYNC（列同步）、CTL0、CTL1、CTL2、CTL3

• 每个TMDS通道包含2位控制数据，采用从2位到10位的编码方法，在每个控制周期的最后阶段

• CTL0、CTL1、CTL2、CTL3组成的头文件，说明下一个周期是：视频数据传输周期or岛屿数据传输周期？

岛屿数据和控制数据是在视频数据传输的隐消期，不会占据带宽。因此一根HDMI数据线就能同时传输视频、音频信号。

上述是HDMI的工作原理，然而显卡驱动代码中并没有类似HDMI数据传输过程的具体实现，只是通过命令直接获取数据，因此可以推测HDMI是通过一个控制器来获取数据的。果然，在HD40的主板原理图上发现了HDMI控制器anx7150。
关于anx7150，我也简要的阅读了其数据手册，主要了解了该控制器的读取EDID的流程图、状态转移图等，并与显卡驱动中进行了核对。

VGA

本次的任务是通过VGA读取EDID，那么有必要了解一下VGA。
VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。如下图所示，VGA接口的接口一共有15个通道，主要的数据通道时： 1、2、3通道，分别传输R、G、B三原色信号，以及13、14通道传输行、场同步信号。

在数据传输类型方面，VGA和HDMI有一定的区别：HDMI完全是数字信号的传输，而VGA则是由数字信号转换为模拟信号，进行传输，因此VGA的接口芯片CS7123或GM7123其实就是一个DAC的转换器。

由上面这两点就产生了一个疑问：
显卡驱动接上显示屏，要想正常工作。首先就必须读取EDID，然后解析EDID，从而完成对不同的显示屏的不同配置。但是根据数据传输通道和信号传输类型，EDID不太可能是通过这五个数据通道传输过来的，也不太可能是将数据转换为模拟信号传输过来的。并且EDID是存储在EEPROM中的一段序列，通常读取时通过I2C来读取的。所以，思考后觉得应该VGA接口上有通道可以构成一个读取EDID的DDC通道。经深入调研，发现VGA上的11、12、15、4引脚是有着其他功能的。根据资料显示：

• Pin11：ID0/RES    formerly Monitor ID bit 0, reserved since E-DDC

• Pin12：ID1/SDA   formerly Monitor ID bit 1, I2C data since DDC2

• Pin15：ID3/SCL    formerly Monitor ID bit 3, I2C clock since DDC2

• Pin4  ：ID2/RES    formerly Monitor ID bit 2, reserved since E-DDC

从中推测实际中Pin12、Pin15很有可能被用来读取EDID，果然在HD40的板子上，有两个GPIO直接连接到了VGA的这两个管脚。另外，从管脚的作用来开，可以通过I2C协议来进行数据读取。在HD40中集成了I2C模块，看看是否能够直接使用处理器中的这个模块。但是处理器的I2C模块的对外管脚却没有连接到VGA管脚上，那么只能通过GPIO来模拟I2C进行VGA的读取。

GPIO

由于要进行软件模拟GPIO，就需要知道如何对GPIO进行操作。根据文档显示：GPIO中共有9个寄存器，其中一个为只读寄存器，2个为只写寄存器，另外6个为可读写寄存器。GPIO的基地址为0xee500000，下表为涉及到GPIO操作所需的寄存器的基本信息。

方案确定后，直接编写代码。尽管代码中I2C的实现很容易，但是关于程序的初始化设置很复杂，涉及到虚拟内存到物理内存的映射，相关配置，这涉及到一系列的参数设置等等。
在读取EDID过程中，遇到了一个花了两天才解决的问题，即使用的显示器的EEPROM无法进行读取（之前据说该显示器就有些问题）。当时显示器能使用，但是却无法读取EDID，这让我不断的尝试修改代码，最后通过换了一个显示器，成功读取了EDID。