文章目录
- 一、HDMI 基本介绍
- 二、TMDS基本介绍
- 三、传输流程
- 四、传输周期
- 五、Data Island Packet结构
- 六、Audio Clock
- 七、HotPlug
- 八、HDMI Sink
- 九、HDMI版权内容保护之HDCP
- 十、模块编码
一、HDMI 基本介绍
对于初学者先了解VGA，再来看HDMI会更容易理解，有关VGA原理在我的博客中有详细说明。FPGA-VGA显示
HDMI，高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)是标准的数字化视频/音频接口技术，可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑与电视机。HDMI可以同时传送音频和影音信号，能高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据，最高数据传输速度为 50Gbps 左右。
HDMI 向下兼容 DVI，但是 DVI（数字视频接口）只能用来传输视频，而不能同时传输音频，这是两者最主要的差别。此外，DVI 接口的尺寸明显大于 HDMI 接口，如下图所示
VGA、DVI、HDMI相互转换的说明：
1、VGA和DVI互转：模拟信号和数字信号的转换，视频信号损失，造成失真。最好不要这样转换。
2、DVI和HDMI互转：都是数字信号，转换不会发生失真。可以转换。但是从HDMI转换成DVI时会自动舍去音频信号。
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
- 1-9 都是TMDS数据传输实际上用到的引脚，分为0,1,2三组
- 10-12 为TMDS时钟信号，如当前Video Timing为480p@60Hz（Htotal：800，Vtotal:525），则TMDS clock = 800x525x60 = 25.2MHz。TMDS clock就像是对像素的打包，一个clock分别在三个Channel传输一个像素的R、G、B（8bit）信号。
- 13 为CEC（consumer electronic control）类似一种扩展的HDMI功能，供厂家自己定制HDMI消息，（比如说你有一台sony的DVD与TV，两者用HDMI线接上，如果你用TV的遥控器可以控制DVD，另DVD执行某种功能，那么该功能的命令信号就是通过TV与DVD间的CEC引脚传输的）
- 14 为保留引脚，未使用（或者也可以为CEC提供多一个引脚）
- 15-16 为I2C引脚，用于DDC（Display Data Channel，主要用于EDID与HDCP的传输）传输。在HDMI的流程中，DDC通信几乎是最先做的（前有Hotplug），因为HDMI的主从两个设备需要通过DDC来获得他们对方设备的EDID，从而得到各种信息，并且通过比较timming以确定以后送出来的timming为最合适的
- 17 为接地引脚
- 18 为5v的AC引脚
- 19 为Hotplug（热拔插）引脚（用于监测HDMI设备有没有存在，如果存在（Hotplug为high）那么可以通过DDC去读EDID），HDMI有规定在HDMI 5vAC断电时source device可以读reciever device的EDID，也就是需要Hotplug为High。其中有两种Hotplug相关的情况会导致HDMI被识别为DVI：
1. Hotplug为High，不过EDID并没有准备好，那么信号源设备会由于无法读到EDID而认为接收设备为DVI，这样会导致HDMI有图像无声的问题。
2. Hotplug为Low，也会导致信号源无法读到EDID而认为接收设备为DVI，从而导致HDMI有图无声
3. 在TV这种有多个HDMI通道的情况下，有时会在多个HDMI通道进行切换，切换后HDMI通道应当先初始化，即先把Hotplug拉低，通知HDMI source device之前所用的EDID已经改变，需要重新读取，那么source device在Hotplug被拉高的时候会去读取新的EDID，但是拉低这个过程至少需要100ms，否则source device有可能不会去读取新的EDID，从而输出DVI信号
下图为 HDMI 链路的框架图：
二、TMDS基本介绍
过渡调制差分信号，也被称为最小化传输差分信号，是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成 10 位，前 8 位数据由原始信号经运算后获得，第9位指示运算的方式，第 10 位用来对应直流平衡（DC-balanced，就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零，电平转化实现不同逻辑接口间的匹配），转换后的数据以差分传动方式传送。
TMDS 的链路要有两部分：source 和 sink 端，source 端为传输数据的起始端，sink 端为传输数据的目的端。同时链路由四条通道组成，分别为蓝色通道、、绿色通道、红色通道和时钟通道。
蓝色通道
蓝色通道包含8位的蓝色数据通道，两位的行同步和场同步信号，以及四位的音频信号。
绿色通道
绿色通道包含8位的绿色数据通道，两位的控制信号，以及四位的音频信号。
红色通道
红色通道包含8位的红色数据通道，两位的控制信号，以及四位的音频信号。
时钟通道
为了使source端和sink端的数据保持在同一个pixel clock下，便于数据的稳定发送和接收。
在 source 端：每个通道的中还包含 Encoder 和 Serializer 模块，即编码模块和并转串模块，对应到 sink 端为解码模块和串转并模块。
在编码阶段：编码器将视频源中的像素数据、HDMI的音频/附件数据，以及行、场同步信号分别编码成10位的字符流。
在并串转换阶段将上述的10位字符流转换成串行数据流，并将其从三个差分输出通道发送出去。这个10：1的并转串过程所产生的串行速率是实际像素时钟速率的10倍。但是在并转串中采用的为DDR即双沿采样，因此时钟频率可以减小为原来的一半，也就是像素时钟的 5 倍。
三、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）：
- Preamble（控制信息），主要用于控制接下来传输的数据是Data Island或者Video Data
- Data Island（数据包），各种类型的包信息，包括音频数据包，图像信息包等
- Video Data （视频信息），视频像素数据，HDMI可以传输RGB与YUV两种格式的像素数据
- Hsync与Vsync
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。
总体传输流程如下：
| 传输对象 | bit | 说明 |
|---|---|---|
| Video Data | 24bit | Channel0[7:0]传输B,Channel1[7:0]传输G,Channel2[7:0]传输R |
| Data Island | 10bit | Channel0[3:2]用于传输Data Island Header（包头），Channel1[3:0]与Channel2[3:0]用于传输Data Island Content（包内数据） |
| Preamble | 4bit | Channel1[1:0]与Channel2[1:0]分别为CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用于判断接下来输入的是Video Data或者Data Island |
| Hsync与VSync | 2bit | Channel0[0]为Hsync，Channel0[1]为Vsync |
| CTL0 | CTL1 | CTL2 | CTL3 | Data Period Yype |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | Video Data Period |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Data Island Period |
四、传输周期
HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期：
- Control Period期间会传输Hsync，Vsync，并且在该时期的最后阶段会传输Preamble
- Data Island Period期间会传输Data Island（数据包），也会有Hsync与Vsync
- Video Data Period期间会传输Video Data（视频像素数据）
一帧总体周期：
三个传输周期的过渡如下：
| 左边 | 中间 | 右边 |
|---|---|---|
| Control Period | Data Island Period | Data Island Period |
| 传输有Hsync，Vsync与Preamble | 传输有Hsync，Vsync，以及两个Packet Header与Packet（每32个clock 一个packet）；另外Data Island的两端会用Guard Band保护并隔开Data Island的数据，因为这个阶段传输的数据大多是非常重要的，比如其中就有图像分辨率，决定后面的Video Data数据的显示方式 | 传输有Hsync，Vsync，以及两个Packet Header与Packet（每32个clock 一个packet）；另外Data Island的两端会用Guard Band保护并隔开Data Island的数据，因为这个阶段传输的数据大多是非常重要的，比如其中就有图像分辨率，决定后面的Video Data数据的显示方式 |
五、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。
说明：
| 包 | bolck | 传输通道 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 包头（Packet Header | BCH block 4 | Channel0[2] | 前三个byte为包头，最后一byte为校验码 |
| 包体（Packet Body | BCH block 0,1,2,3 | Channel1,Channel2 | 共8根线传输，共有28byte包体与4byte的校验码 |
Parity Bits校验码是用于检验HDMI Cable传输过程中是否发生了错误，如果该Packet在HDMI接收端校验错误，如果只有一个bit的错误，那么可以修正，超过1bit的错误会被判别为无效Packet（由于HDMI是一直在发送数据因此无法重发错误Packet）
所以在接收端，在解完包之后，需要取出各个BCH block的Parity bit，进行Calibration（校验）
六、Audio Clock
七、HotPlug
八、HDMI Sink
九、HDMI版权内容保护之HDCP
十、模块编码
每一个数据通道都通过编码算法，将 8 位的视、音频数据转换成最小化传输、直流平衡的 10 位数据。这使得数据的传输和恢复更加可靠。最小化传输差分信号是通过异或及异或非等逻辑算法将原始 8位信号数据转换成 10 位，前 8 为数据由原始信号经运算后获得，第 9 位指示运算的方式，第 10位用来对应直流平衡。这种算法可以减小传输信号过程的上冲和下冲，什么是上冲和下冲呢，顾名思义上冲就是由0转变为1，下冲就是由1转变为0，如果频繁的上下冲就会导致信号传输不稳定，而DC平衡使信号对传输线的电磁干扰减少，DC平衡指的是在码流中0和1的个数相当。总结来说，信号频繁的0、1变化和0和1数量不均衡都会影响信号的质量，编码的目的就在于此。
参考 HDMI介绍与流程
