基于FPGA的HDMI编码模块设计——OSERDESE2
前文通过ODDR实现了HDMI数据编码的单沿与双沿采样的转换，如下图1所示：
上图先通过拼接逻辑和并串转换，将10位并行数据先转换为2路串行数据，然后通过ODDR将两路串行的单沿数据转换为1路双沿采样的串行数据。Xilinx还存在一个原语，可以直接将并行的单沿数据转换为串行的双沿采样数据，与ODDR复用相同的硬件资源OLOGIC，就是OSERDESE2原语。
前文已经对该原语做了详细讲解和仿真，本文通过该原语简化dvi_transmitter模块的代码设计，对应的框图如下图2所示：
serializer_10_to_1模块内部封装了两个OSERDESE2原语，把10位单沿采样的并行数据转换为双沿采样的串行数据，并行数据与clk对齐，串行数据与clk_5x对齐，clk_5x的频率是clk的5倍。
dvi_transmitter模块模块的参考代码如下所示：
module dvi_transmitter(
input clk ,//系统时钟信号，
input clk_5x ,//频率为系统时钟5倍的时钟信号；
input rst ,//系统复位，高电平有效；
input [23 : 0] video_din ,//RGB888视频输入信号；
input video_hsync ,//行同步信号；
input video_vsync ,//场同步信号；
input video_de ,//像素使能信号；
output tmds_clk_p ,// TMDS 时钟通道
output tmds_clk_n ,
output [2 : 0] tmds_data_p ,// TMDS 数据通道
output [2 : 0] tmds_data_n ,
output tmds_oen // TMDS 输出使能
);
wire [9 : 0] tms_out [3 : 0] ;
wire [3 : 0] tmds_data_serial;
wire [3 : 0] tmds_out_p ;
wire [3 : 0] tmds_out_n ;
assign tmds_oen = 1'b1;//将双向的HDMI接口设置为输出。
//对三个颜色通道进行编码
dvi_tmds_encoder u_dvi_tmds_b (
.clk (clk ),//系统时钟信号；
.rst (rst ),//系统复位信号，高电平有效；
.din (video_din[7:0] ),//输入待编码数据;
.c0 (video_hsync ),//控制信号C0;
.c1 (video_vsync ),//控制信号c1;
.de (video_de ),//输入数据有效指示信号；;
.q_out (tms_out[0][9:0]) //编码输出数据;
);
dvi_tmds_encoder u_dvi_tmds_g (
.clk (clk ),
.rst (rst ),
.din (video_din[15:8]),
.c0 (1'b0 ),
.c1 (1'b0 ),
.de (video_de ),
.q_out (tms_out[1][9:0])
);
dvi_tmds_encoder u_dvi_tmds_r (
.clk (clk ),
.rst (rst ),
.din (video_din[23:16]),
.c0 (1'b0 ),
.c1 (1'b0 ),
.de (video_de ),
.q_out (tms_out[2][9:0])
);
assign tms_out[3][9 : 0] = 10'b11_1110_0000;//时钟信号编码后的数据为10'b11_1110_0000；
generate
genvar i;
for(i=0 ; i<4 ; i = i + 1)begin : SER
//对编码后的数据进行并串转换;
serializer_10_to_1 u_serializer(
.rst (rst ),// 复位,高有效
.clk (clk ),// 输入并行数据时钟
.clk_5x (clk_5x ),// 输入串行数据时钟
.paralell_data (tms_out[i][9:0] ),// 输入并行数据
.serial_data_out (tmds_data_serial[i]) // 输出串行数据
);
//转换差分信号;
OBUFDS #(
.IOSTANDARD ("TMDS_33" )//I/O电平标准为TMDS
)
TMDS0 (
.I (tmds_data_serial[i]),
.O (tmds_out_p[i] ),
.OB (tmds_out_n[i] )
);
end
endgenerate
assign tmds_clk_p = tmds_out_p[3];
assign tmds_clk_n = tmds_out_n[3];
assign tmds_data_p = tmds_out_p[2 : 0];
assign tmds_data_n = tmds_out_n[2 : 0];
endmodule
一个OSERDESE2原语最多只能把8位并行数据转换为串行数据输出，此处需要将10位并行数据转换位串行数据，所以需要两个OSERDESE2原语级联，关于OSERDESE2原语的使用方法请查看前文对该原语的讲解及仿真。此处级联的框图如下所示：
对应代码如下所示：
module serializer_10_to_1(
input rst ,//复位,高有效;
input clk ,//输入并行数据时钟;
input clk_5x ,//输入串行数据时钟;
input [9:0] paralell_data ,//输入并行数据;
output serial_data_out //输出串行数据;
);
wire [1 : 0] cascade ;//两个OSERDESE2级联的信号;
//例化OSERDESE2原语，实现并串转换，Master模式;
OSERDESE2 #(
.DATA_RATE_OQ ( "DDR" ),//设置双倍数据速率;
.DATA_RATE_TQ ( "SDR" ),//DDR, BUF, SDR;
.DATA_WIDTH ( 10 ),//Parallel data width (2-8,10,14);
.SERDES_MODE ( "MASTER" ),//设置为Master，用于10bit宽度扩展;
.TBYTE_CTL ( "FALSE" ),//Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE);
.TBYTE_SRC ( "FALSE" ),//Tristate byte source (FALSE, TRUE);
.TRISTATE_WIDTH ( 1 ) //3-state converter width (1,4);
)
OSERDESE2_Master (
.CLK ( clk_5x ),//串行数据时钟,5倍时钟频率;
.CLKDIV ( clk ),//并行数据时钟;
.RST ( rst ),//1-bit input: Reset;
.OCE ( 1'b1 ),//1-bit input: Output data clock enable;
.OQ ( serial_data_out ),//串行输出数据;
.D1 ( paralell_data[0] ),//D1 - D8: 并行数据输入;
.D2 ( paralell_data[1] ),
.D3 ( paralell_data[2] ),
.D4 ( paralell_data[3] ),
.D5 ( paralell_data[4] ),
.D6 ( paralell_data[5] ),
.D7 ( paralell_data[6] ),
.D8 ( paralell_data[7] ),
.SHIFTIN1 ( cascade[0] ),//SHIFTIN1 用于位宽扩展;
.SHIFTIN2 ( cascade[1] ),//SHIFTIN2;
.SHIFTOUT1 ( ),//SHIFTOUT1: 用于位宽扩展;
.SHIFTOUT2 ( ),//SHIFTOUT2;
.OFB ( ),//以下是未使用信号;
.T1 ( 1'b0 ),//T1 - T4: 1-bit (each) input: Parallel 3-state inputs;
.T2 ( 1'b0 ),
.T3 ( 1'b0 ),
.T4 ( 1'b0 ),
.TBYTEIN ( 1'b0 ),//1-bit input: Byte group tristate;
.TCE ( 1'b0 ),//1-bit input: 3-state clock enable;
.TBYTEOUT ( ),//1-bit output: Byte group tristate;
.TFB ( ),//1-bit output: 3-state control;
.TQ ( ) //1-bit output: 3-state control;
);
//例化OSERDESE2原语，实现并串转换，Slave模式;
OSERDESE2 #(
.DATA_RATE_OQ ( "DDR" ),//设置双倍数据速率;
.DATA_RATE_TQ ( "SDR" ),//DDR, BUF, SDR;
.DATA_WIDTH ( 10 ),//Parallel data width (2-8,10,14);
.SERDES_MODE ( "SLAVE" ),//设置为Slave，用于10bit宽度扩展;
.TBYTE_CTL ( "FALSE" ),//Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE);
.TBYTE_SRC ( "FALSE" ),//Tristate byte source (FALSE, TRUE);
.TRISTATE_WIDTH ( 1 ) //3-state converter width (1,4);
)
OSERDESE2_Slave (
.CLK ( clk_5x ),//串行数据时钟,5倍时钟频率;
.CLKDIV ( clk ),//并行数据时钟;
.RST ( rst ),//1-bit input: Reset;
.OCE ( 1'b1 ),//1-bit input: Output data clock enable;
.OQ ( ),//串行输出数据;
.D1 ( 1'b0 ),//D1 - D8: 并行数据输入;
.D2 ( 1'b0 ),
.D3 ( paralell_data[8] ),
.D4 ( paralell_data[9] ),
.D5 ( 1'b0 ),
.D6 ( 1'b0 ),
.D7 ( 1'b0 ),
.D8 ( 1'b0 ),
.SHIFTIN1 ( ),//SHIFTIN1 用于位宽扩展;
.SHIFTIN2 ( ),//SHIFTIN2;
.SHIFTOUT1 ( cascade[0] ),//SHIFTOUT1: 用于位宽扩展;
.SHIFTOUT2 ( cascade[1] ),//SHIFTOUT2;
.OFB ( ),//以下是未使用信号;
.T1 ( 1'b0 ),//T1 - T4: 1-bit (each) input: Parallel 3-state inputs;
.T2 ( 1'b0 ),
.T3 ( 1'b0 ),
.T4 ( 1'b0 ),
.TBYTEIN ( 1'b0 ),//1-bit input: Byte group tristate;
.TCE ( 1'b0 ),//1-bit input: 3-state clock enable;
.TBYTEOUT ( ),//1-bit output: Byte group tristate;
.TFB ( ),//1-bit output: 3-state control;
.TQ ( ) //1-bit output: 3-state control;
);
endmodule
将上述实现的dvi_transmitter模块替换FPGA实现HDMI编码接口的dvi_transmitter模块，图4是serializer_10_to_1模块的仿真结果，根据前文对OSERDESE2的讲解，在10：1双沿转换情况下，输出数据相对输入数据会延迟4个clk_5x时钟，下图中第一个clk上升沿采集数据为10’b1000000000，经过4个clk_5x周期后，开始输出采集数据最低位，在clk_5x每个边沿输出一位采集的数据，一次输出0000000001，故仿真正确。
dvi_transmitter模块仿真结果如下图5所示，与使用ODDR仿真时基本一致，不再赘述，详情打开工程后自行仿真。
工程上板程序如图6所示，与ODDR的工程一致。
使用OSERDESE2原语比ODDR原语更加简单，所以更加推荐。
需要本文工程在后台回复”基于FPGA的HDMI接口设计”（不包括引号），选择OSERDESE2实现的文件即可。