HDMI接口信号流向及原理图分析

1、HDMI的来源及发展

  如今显示器上最常用的接口无非HDMI（High Definition Multimedia Interface）与DP（DisplayPort）两种，VGA与DVI已经很少使用，原因在于VGA传输的是模拟信号，在发送端需要将数字信号转换为模拟信号，在接收端又需要把模拟信号转换成数字信号，模拟信号在传输过程中及其容易受到外界干扰，逐渐被淘汰。DVI接口与HDMI接口类似，都是传输数字信号，但只能传输视频信号，不能传输音频信号，也极少使用了。

  HDMI接口是松下、索尼这些电视厂商在2002年联合推出的视频传输接口，HDMI1.0最高带宽达到4.96Gbps。2006推出的HDMI1.3版本最高带宽达到10.2Gbps，经过四年发展，HDMI接口从电视领域逐步拓展到游戏主机、笔记本、摄像机、数码相机等产品上，这段时间HDMI风光无限。

  英特尔、英伟达、联想、戴尔等电脑公司不想受制于人，在2006年5月联合发布了DP1.0，最高带宽支持10.8Gbps。2009年的时候HDMI1.4发布，最高支持4K30帧。2013年9月的时候发布HDMI2.0，最高带宽扩展到18Gbps，支持4K60Hz，2017年推出HDMI2.1，数据带宽达到48Gbps。但是DP2.0已经最高支持80gbps的传输速率，并且DP协议是完全免费的，而HDMI是需要支付版权费用的。

  HDMI凭借早期的市场积累优势，HDMI的数据传输速率足够用户日常使用，所以HDMI还是作为最常见的显示器接口存在。

2、HDMI接口类型

  根据接口大小大致可分为四类，如图1所示，分别是A型、B型、C型、D型。

图1 HDMI接口类型

2.1、A型接口

  A型是最常见的，一般显示器或视频设备，都提供了这种尺寸的接口，该接口宽度为13.9毫米、厚度为4.45毫米，有19针，接口对应的信号分布如图2所示，对应的信号分布如表1所示。

图2 A型 HDMI接口信号分布

表1 A型HDMI接口的引脚含义

HDMI信号引脚定义
引脚	信号	引脚	信号	引脚	信号
1	数据2+	2	数据2屏蔽	3	数据2-
4	数据1+	5	数据1屏蔽	6	数据1-
7	数据0+	8	数据0屏蔽	9	数据0-
10	时钟+	11	时钟屏蔽	12	时钟-
13	CEC	14	保留	15	SCL
16	SDA	17	DDC/CEC地	18	+5V电源
19	热插拔检测

   HDMI接口包含四对差分线，其中三对差分线用于传输RGB三种信号，剩余一对差分线传输差分时钟。 为了加强抗干扰能力，每对差分线之间还加入了一根屏蔽线，比如数据2+与数据2-之间加入数据2屏蔽线，1、2、3信号线组成1个数据传输通道，10、11、12三根线组成1个时钟传输通道。SCL与SDA使IIC接口，主要用于DDC，进行EDID（相当于一个信息表，会存放显示器的制造商、型号、分辨率等信号）的交互，显示设备和主机可以相互读取。

  CEC是HDMI的一个扩展功能，比如以前在电视上通过影碟机播放光盘的内容，电视机与影碟机采用HDMI进行通信时，用户可以通过电视遥控器去控制影碟机实现视频的快进或倒退，快进或倒退的数据就是通过HDMI的CEC从电视接收器传输给影碟机的，影碟机再去实现视频的快进或倒退。

2.2、B型接口

  B型接口非常罕见，宽度达到21毫米，接口引脚有29针，接口引脚如表2所示，相比A型接口多了三组差分数据线，这代表传输数据带宽是A型接口的2倍，现在该接口只应用于一些专业场合。

表2 B型HDMI接口的引脚含义

HDMI信号引脚定义
引脚	信号	引脚	信号	引脚	信号
1	数据2+	2	数据2屏蔽	3	数据2-
4	数据1+	5	数据1屏蔽	6	数据1-
7	数据0+	8	数据0屏蔽	9	数据0-
10	时钟+	11	时钟屏蔽	12	时钟-
13	数据5+	14	数据5屏蔽	15	数据5-
16	数据4+	17	数据4屏蔽	18	数据4-
19	数据3+	20	数据3屏蔽	21	数据3-
22	CEC	23	保留	24	保留
25	SCL	26	SDA	27	DDC/CEC 地
28	+5电源	29	热插拔检测

  接口信号除了增加3对数据线之外，与A型接口一致，不再过多介绍。

2.3、C型接口

  C型是为小型设备而生的，其尺寸为2.42 mm × 10.42 mm，相比A型小了将近1/3，应用范围很小。接口引脚与A型接口一致，也是19针，但是引脚的分布有一点区别，差分屏蔽线与差分的P引脚对换了，其余部分信号位置也互换了，如下表3所示。主要用在便携式装置上，例如DV、数码相机、便携式多媒体播放机等。

表3 C型HDMI接口的引脚含义

HDMI信号引脚定义
引脚	信号	引脚	信号	引脚	信号
1	数据2屏蔽	2	数据2+	3	数据2-
4	数据1屏蔽	5	数据1+	6	数据1-
7	数据0屏蔽	8	数据0+	9	数据0-
10	时钟屏蔽	11	时钟+	12	时钟-
13	DDC/CEC地	14	CEC	15	SCL
16	SDA	17	保留	18	+5V电源
19	热插拔检测

2.4、D型接口

  D型是最新的接口类型，接口引脚分布与A型完全一致。尺寸为2.8 mm x 6.4 mm，进—步减小，采用了双排针脚设计，尺寸近似于miniUSB接口，主要应用在一些小型的移动设备上，如手机、MP4等等。

3、HDMI传输数据的信号流向

  FPGA开发板上一般是A型的HDMI接口，本文只对数据的信号流向做简要讲解，便于后文的原理图电路分析，本文不对视频、音频信号的编码原理及FPGA实现进行讲解，这部分将放在后续FPGA实现TMDS编码的章节讲解。

  HDMI可以传输视频信息、音频信息、控制和状态信号，主机与从机交互数据如图3所示，主机先对视频信号、音频信号、状态、控制信号进行编码转换成10bit的冰箱数据，然后将并行数据转换为串行数据，最后将单端信号转换为四路差分信号输出。 从机接收到差分信号后，解码出视频、音频、控制信号，从而实现数据传输。主机可以通过DDC通道读取从机的EDID数据，获取从机的制造商、版本、分辨率等信息。主机和从机还可以通过CEC实现一些数据交互。

图3 HDMI传输示意图

  详情如下图4所示，HDMI链路包括三个TMDS数据通道和一个TMDS时钟通道。TMDS时钟通道始终以与传输视频的像素速率成比例（比例关系在后续讲解FPGA实现的时候会进行说明）的速率运行。 在TMDS时钟通道的每个周期，三个TMDS数据通道中的每一个都传输一个10位字符。

图4 HDMI编码器/解码器概述

  由上图4可知，三个数据通道分别传输R、G、B像素对应的数据，其中传输蓝色像素的通道会将行、场同步信号进行编码，传输给从机，从机从该通道解码出行、场同步信号，用于同步接收到各通道的数据，其余两个数据通道会将一些控制信号进行编码传输给从机。 视频信息采用TMDS编码规则进行编码，后续FPGA实现HDMI传输数据时进行详细讲解该编码，音频信号的编码比较复杂没并且一般FPGA不会用来传输音频信号，此处不足过多介绍，想了解的可以查看HDMI手册。

4、硬件原理图分析

  FPGA实现HDMI数据 传输一般会存在两种方式，一种是采用外部解码芯片对HDMI数据进行解码，FPGA只需要与该芯片的接口进行通信即可，FPGA的代码设计难度较低。另一种就是不带解码芯片，FPGA通过编码算法对视频、音频信息进行编码，直接输出差分信号，实现数据的传输，相比前者，后者FPGA开发难度更大，但是成本更低，灵活性更高，也更有利于了解编码规则。

  本文对第二种电路进行分析，第一种直接查看编码/解码芯片手册即可实际电路，难度不大。

  我手里目前有两块开发板带有HDMI接口，这两块开发板硬件电路有一点区别，额外介绍一下以前用过的两外两块开发板的HDMI电路，总共四块开发板的HDMI硬件原理图接口分析。

4.2、达芬奇开发板的HDMI原理图分析

  正点原子的这款开发板有两个相同的双向HDMI接口，对应原理图如图5所示。差分数据线和时钟线通过瞬态抑制二极管后接到FPGA管脚上，并上拉到3.3V， AZ1045-04F用于保护连接到数据和传输线的敏感组件免受静电放电(ESD)引起的过电压的影响，可以理解为集成的瞬态二极管。CEC引脚依旧没有使用，此处接到3.3V。

图5 达芬奇开发板的HDMI原理图

  稍微复杂一点的就是IIC的数据线以及热插拔引脚的控制，因为HDMI接口是5V电平，而FPGA管脚最高只能提供3.3V电压，所以要进行电平转换。此外该接口是双向接口，作为输出接口时，热插拔应该是外部从机输入提供给FPGA作为判断使用的，作为输入接口时，FPGA热插拔引脚输出连接状态，会存在一个方向切换以及状态检测和发送的作用。

  该开发板通过HDMI_OE和HDMI_HPD信号实现信号的双向传输，在分析这两个信号控制原理前，需了解仙童公司设计的两颗芯片（NC7SZ125M5X和NC7WZ07P6X）的工作原理。NC7SZ125M5X是一个三态门，OE为低电平时，输出引脚Y等于输入引脚A，当OE为高电平时，该芯片输出高阻态。NC7WZ07P6X也是一个双通道的三态门，当输入端A为低电平时，输出端Y为低电平，输入端A为高电平时，输出端Y为高阻态。

  HDMI_OUT_EN信号用来控制HDMI输入、输出的方向，DHMI_OUT_EN输出高电平时表示将HDMI作为输出接口，此时NC7SZ125M5X输出高阻态。HDMI的19号引脚输入低电平时，NC7WZ07P6X的Y2引脚输出低电平，则HDMI_HPD为低电平，HDMI的19号引脚输入5V时，NC7WZ07P6X的Y2引脚输出高阻态，HDMI_HDP被上拉到3.3V，即高电平。所以当HDMI作为输出时，FPGA可以通过检测HDMI_HDP信号电平状态，获取从机是否连接到HDMI接口上，从而决定是否传输数据。

图6 热插拔检测信号电路

  HDMI_OUT_EN为低电平时，该HDMI接口作为输入，此时HDMI_HDP输出高电平，表示FPGA连接到了HDMI接口，则NC7WZ07P6X输出高电平，HDMI接口的19号引脚被拉高，而NC7WZ07P6X的输入端变为高电平，输出端则为高阻态。HDMI_HDP被拉低时，同样可以分析出HDMI接口的19号引脚被拉低。

  HDMI的供电电路如图7所示，作为输出接口时，开发板的电源给HDMI接口供电，所以该电源芯片的使能端连接HDMI_OUT_EN信号，HDMI_OUT_EN信号为高电平时，电源芯片输出5V电源给HDMI接口供电。HDMI_OUT_EN为低电平时，表示HDMI接口作为输入，则该接口由外部输入设备进行供电，TPS2051BDB芯片不工作。

图7 HDMI供电电路

  接下来就是IIC的电平转换电路，如图8所示，SCL与SDA的电路原理相同，只是方向相反，此处只分析SDA的电路原理即可。

  1. 当HDMI_SDA是主机，为高电平(3.3V)时，则NMOS的栅源电压U­gs=0，NMOS被关断，左侧HDMI_SDA_LS作为输入，对外呈现高阻态，则HDMI_SDA_LS最终被R195上拉到5V，从而实现5V到3.3V的转换。

  2. 当HDMI_SDA是主机，为低电平时，则NMOS的栅源电压U­gs>0，左侧HDMI_SDA_LS作为输入，对外呈现高阻态，NMOS的源极与漏极导通，则HDMI_SDA_LS被HDMI_SDA拉低，实现低电平的转换。

图8 IIC的电平转换电路

  3. 当HDMI_SDA_LS是主机，为高电平(5V)时，右侧的HDMI_SDA作为输入，对外呈现高阻态，HDMI_SDA被R136上拉到3.3V，此时U­gs=0，NMOS关闭，HDMI_SDA就能一直保持高电平(3.3V)的状态。

  4. 当HDMI_SDA_LS是主机，为低电平时，右侧的HDMI_SDA作为输入，对外呈现高阻态，HDMI_SDA被R136上拉到3.3V，然后就G了，输入为低电平，输出变为高电平了？

其实是因为这个MOS管的原理图画的不标准，A03400手册上的模型图如图9所示，在源漏之间存在一个二极管，这个时候二极管就起作用了。

由于HDMI_SDA为3.3V，HDMI_SDA_LS为0V，那么源极指向漏极的二极管导通，HDMI_SDA电位被拉低，导致NMOS的栅源电压U­gs>0，NMOS打开，则HDMI_SDA被HDMI_SDA_LS拉低，输出低电平。

图9 A03400的模型图

  最后如图10所示的一个开发板电源与HDMI接口电源的隔离电路，该NMOS功能与二极管类似，起单向导电的作用。使用MOS管相比二极管的优势，使用二极管导通时会有压降，会损失一些电压。而使用MOS管做隔离，让MOS管饱和导通，通过电流时MOS管几乎不产生压降。

图10 MOS管隔离电路

  隔离是保证HDMI接口的电压不会影响开发板的电源，比如没有这个隔离电路，那么HDMI接口的3.3V电压直连到开发板的3.3V电源，如果在板子上电之前将外部的HDMI线连接到FPGA开发板上，外部仪器给HDMI接口供电，会导致电压倒灌到开发板内部，导致一些3.3V连接的LED之类的器件工作，但开发板此时还没供电，就会很奇怪。

4.2、AX720的HDMI接口

  小梅哥的ACX20，如图11所示，该开发板有两个HDMI接口，两个接口都是双向传输数据的。

图11 AX720开发板

  其中一个HDMI的原理图如图12所示，与正点原子的原理图大多一致。J6是HDMI A型接口的金属座子，差分数据线、时钟线和热插拔检测引脚的连接方式与原子的开发板基本一致，由于FPGA没有使用CEC功能，CEC引脚直接悬空。

图12 ax720 HDMI接口原理图

  相同的电路就不在进行分析了，区别在于IIC的电平转换电路不同，原子使用的是NMOS的分离器件，而小梅哥使用的是集成的电平转换芯片。对于集成芯片，通过数据手册了解功能即可，电平转换芯片GTL2002DP118的内部结构如图13所示：

图13 GTL2002DP118内部结构

  GTL2002提供2个NMOS通路晶体管(Sn和Dn)，带有一个公共栅极(GREF)和一个参考晶体管(SREF和DREF)。该器件允许1.0 V和5.0 V之间的双向电压转换，而无需使用方向引脚。当Sn或Dn端口为LOW时，Sn和Dn端口之间通过低电阻连接。假设Dn端口上的电压较高，当Dn端口为HIGH时，Sn端口上的电压被限制为参考晶体管(SREF)设置的电压。当Sn端口为HIGH时，上拉电阻将Dn端口拉至DREF。由于器件中的所有晶体管都是相同的，因此SREF和DREF可以位于其他两个匹配的Sn/Dn晶体管中的任何一个上，从而使电路板布局更容易。

图14 IIC电平转换电路

  了解原理后对图14的IIC原理图进行分析，U30的GREF（NMOS的栅极）是接5V，SREF（NMOS管的源极）接3.3V，此时NMOS的栅源电压大于0，根据手册可知此时的NMOS漏源两极是导通的，也就说明栅源电压大于此NMOS的开启电压。而DREF（NMOS的漏极）接在5V，当芯片的S1、S2、D1、D2这些管脚输入低电平时，对应NMOS都是处于打开状态的，源极S端与漏极D端之间只存在微小电阻，两端电压接近相等，从而会把另一端的电位拉低，达到低电平转换效果。当D端输入高电平(近似等于DREF)时，由于该NMOS与参考的NMOS时对称的，那么S端电位也就近似等于SREF的电位了，从而实现5V转3.3V电压。当S端输入高电平（近似等于SREF）时，根据对称原则，D端电位近似等于DREF电位，手册上说此时NMOS处于几乎关断的状态。

  相比原子的少了一个隔离作用的电路，但对HDMI的功能也没有什么影响。

4.3、米联客ZYNQ7030

  我手里现存开发板中的一块，这是一个单向的HDMI接口，对应原理图如图15所示，硬件电路及其简单，差分时钟线和数据线的连接方式与前面开发板一致，由于只能作为输出，所以热插拔检测引脚就只会作为输入使用，直接下接地，连接到FPGA管脚上。

  查看了后续电路，这个HDMI接口上的IIC接口应该是没有连接的，因为没有做电平转换，不可能直接给FPGA使用，实际电路板上R41和R42应该没有焊接，所以单向传输的电路会简单很多。

图15 zynq7030 HDMI硬件原理图

  我手里另一块带HDMI接口的板子是米联客老版的ZYNQ7020，这个板子的原理图与小梅哥的AX720除电源转换芯片不同之外，基本上完全相同，所以就不贴出来了。

  上述分析三块板子的原理图，除了了解HDMI的接口信号外，也能够熟悉一些电平转换电路，原子开发板所用的IIC电平转换电路就比较经典，后续就是对HDMI的视频编码协议进行解读并采用FPGA实现。