【FPGA开发】HDMI通信协议解析及FPGA实现

本篇文章包含的内容

一、HDMI简介
- 1.1 HDMI引脚解析
- 1.2 HDMI工作原理
- 1.3 DVI编码
- 1.4 TMDS编码
二、并串转换、单端差分转换原语
- 2.1 原语简介
- 2.2 IO端口组件

笔者在这里使用的开发板是正点原子的达芬奇开发板，FPGA型号为XC7A35TFGG484-2。参考的课程是正点原子的课程手把手教你学达芬奇&达芬奇Pro之FPGA开发篇。

一、HDMI简介

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HDMI，全称为High Definition Multimedia Interface，即高清多媒体接口。它不仅可以传输视频信号，还可以传输音频信号。上图所示的HDMI接口即为最常见的HDMI-A型接口。有19个引脚，尺寸为13.9×4.45mm，广泛应用于笔记本，投影仪，显示器等，工作频率约为160MHz。MDMI有不同的协议版本，比较重要的几个协议版本如1.0（2002.12）、1.3（2006.6）、2.0（2013.9）、2.1（2017.1），协议版本越高级，HDMI信号的传输速率、支持的分辨率以及帧率就越高。目前主流的HDMI协议版本为2.0。

1.1 HDMI引脚解析

HDMI的引脚及其定义如下图所示：
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在HDMI协议中，总共有4组差分线，每组分别由+信号、-信号、屏蔽信号组成。四组信号线分别传输R、G、B信号以及时钟信号。CEC为HDMI的扩展功能，可以使用这一条线传输两个设备之间的控制信息，SCL、SDA是HDMI的I2C接口，可以实现不同设备之间EDID信息传输（Extended Display Identification Data 、外部显示设备标识数据——指DDC通讯中传输的显示设备数据）。热插拔检测线用于检测是否有从机连接到主机。

1.2 HDMI工作原理

HDMI的工作原理图如下所示。图中，TMDS指最小化传输差分信号（Transition Minimized Differential Signaling），是指被转换后的传输信号。视频信号Video和音频信号Audio通过一种特定的编码方式转换为10bit的串行差分信号，这种信号即成为TMDS信号。在主机上进行编码，在从机上进行解码，从而实现两个设备之间的信息交互。
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上图展示了RGB-888格式下的TMDS信号和TERC4转换以及连接方式。视频信息采用TMDS进行编码，音频信号采用TERC4进行编码。每一路信号都是并行信号，HSYNC和VSYNC是显示的水平同步信号和竖直同步信号，这两个信号只和蓝色通道一起编码。绿色通道和红色通道的CTL0-3用来传输控制信号。TERC4频编码较为复杂，本文章不涉及。时钟信号也需要编码，但是较为简单，上图中没有展示出来。

1.3 DVI编码

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当HDMI只传递视频信息不传递音频信息，HDMI协议就可以退化为DVI协议。DVI也使用
TMDS进行编码。DVI编码中有一个视频数据使能VDE信号，当它拉高时传递像素信号，当它拉低时传递控制信号和水平数值同步信号。

1.4 TMDS编码

TMDS指最小化传输差分信号（Transition Minimized Differential Signaling），主要适用于HDMI和DVI视频信号的编码。它的编码方式是将原有的8bit数据编码为10bit数据。

前8bit数据：通过同或/异或算法得到。
bit9：反映前8bit数据的运算方式，如果是0，则说明前8bit通过异或非（同或）方式得到的，如果是1，就说明是通过异或方式得到的。
bit10：直流平衡位。在高速的差分信号传输中，通常在接口处采用交流耦合，即会在接口处添加一个隔直电容去掉交流量。如果传输的信号长时间保持不变，就有可能在信号接收端出现直流偏移，导致解码错误。所以我们在编码时添加一个直流平衡位，如果前面数据1比较多，那么bit10 = 0，反之，如果前面数据0比较多，那么bit10 = 1。

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TMDS的编码过程可以由下图所示：

参数名称	含义
`D` `C1` `C0` `DE`	`D`是视频信号， `C`是控制信号， `DE`是使能信号
`Cnt(t)`	寄存器参数，用来存储第t次编码中1的个数比0的个数多多少（为了满足TMDS减少上冲下冲和确保直流平衡的要求）
`N1{x}`	输入信号中1的个数
`N0{x}`	输入信号中0的个数
`q_m`	临时寄存的数据输出
`q_out`	编码输出

二、并串转换、单端差分转换原语

2.1 原语简介

原语：英文名称Primitive，是Xilinx针对其器件特征开发的一系列常用模块名称，涵盖了FPGA开发过程中的常用领域，方便用户直接调用FPGA的底层组件。以Xilinx为例，共分为10类：计算组件、IO端口组件、寄存器/锁存器、时钟组件、处理器组件、移位寄存器、配置和检测组件、RAM/ROM组件、Slice/CLB组件以及G-tranceiver。可以将原语理解为一段特殊的代码。实际上，调用原语是在实例化某个Xilinx的内置模块。
原语的好处在于原语可以之间看作为“库函数”，可以直接例化调用，比创建IP要更加方便，功能也更全面，可以有效提高开发效率。