【FPGA开发】HDMI通信协议解析及FPGA实现

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  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。

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一、HDMI简介

  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：

  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。

  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

  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。

1. 前8bit数据：通过同或/异或算法得到。
2. 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。
3. 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。

  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。

2.2 原语：IO端口组件

  IO端口组件是Xilinx的一类原语。IO组件中一共包含了21个原语，对应21个功能。在本次实验中主要采用并转串OSERDES和单端转差分OBUFDS两个原语。

  IO组件的结构如下图所示。图中IDELAYE2和ODELAYE2分别是输入延迟和输出延迟，主要作用是为了解决高速信号传输中信号线可能不等长的问题（等待最长的一根线数据到来后再读取数据）。ILOGICE2和OLOGICE2中主要包含了IDDR和ODDR的资源，用于双边沿取样。ISERDESE2的作用是将单端输入的串行数据转换为并行数据，OSERDESE2的作用是将并行数据转换为单端串行数据输出。

  达芬奇使用的FPGA芯片为A7系列，其中没有HPBANK，所以没有ODELAYE2。ZYNQ也只有7030以上系列才有HPBANK，所以一般使用的FPGA芯片是没有ODELAYE2的。

2.3 IOB 输入输出缓冲区

  IOB的结构如下所示，在本次实验中它主要完成单端转差分的操作。因为差分信号至少需要两条线，所以一个IOB是无法完成的，至少需要两个IOB才能完成这个功能。

2.4 并转串原语OSERDESE2

2.4.1 OSERDESE2 工作原理

  对于一个并行数据，要想把它转换为串行数据有以下两种做法：

1. 一个时钟周期内有10bit数据，将该时钟作10倍频，倍频后的时钟每一个周期存放一个数据。这种做法易于理解，但是最大的问题是将时钟进行10倍频后芯片以及外部设备可能不支持这样高的频率。
2. 一个时钟周期内有10bit数据，将该时钟作5倍频，倍频后的时钟的上升沿和下降沿都进行数据转换输出，即DDR双边沿采样。这样可以有效缓解倍频给时钟带来的压力。

  OSERDESE2的结构如下图所示。该组件可以分成三部分，上面的TCE，TBYTEIN和一部分电路组成三态控制；中间的CLK、CLKIDIV、RST组成时钟控制部分，CLK为快速时钟（5倍频），CLKDIV是低速时钟（1倍频）；下面的OCE、D1-D8、OQ、OFB等组成并转穿的转换部分。数据转换数据只有8个数据输入口，要想实现10转1，则需要将两个OSERDESE2级联使用。

2.4.2 OSERDESE2 级联示意图

  级联时需要注意：根据硬件的硬性要求，从模式的OSERDESE2的D1-D2不支持输入，只能从D3开始输入引脚，即可以选择D3-D8。

2.4.3 OSERDESE2 工作时序图

  下面是OSERDESE2工作在普通模式和三态模式的两种时序工作图。第一张图数据为8位并行转串行，CLK和CLKDIV的周期之比为4:1。第二张图数据为4位并行转串行，并且包含T1-T4三态门控制，CLK和CLKDIV的周期之比为2:1。

  T1-T4均为高电平有效，对应TQ将要输出的数据。且在当前CLKDIV周期采样，下个周期输出。在TQ高电平期间，可以执行输入操作。

2.4.4 OSERDESE2 原语调用实例

  在原语调用实例中，需要特别注意以下几个参数：

1. .DATA_RATE_OQ("DDR")：采用双边沿采样；
2. .DATA_WIDTH(10)：将要转换的数据宽度；
3. .SERDES_MODE("MASTER")：设置级联下的主从模式；
4. .SHIFTOUT1/2(SHIFTOUT1/2)、.SHIFTIN1/2(SHIFTIN1/2)：级联下的数据线连接方式，注意不要连错。

	OSERDESE2 #(.DATA_RATE_OQ("DDR"),           // DDR, SDR.DATA_RATE_TQ("DDR"),           // DDR, BUF, SDR.DATA_WIDTH(10),                // Parallel data width (2-8,10,14).INIT_OQ(1'b0),                 // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1).INIT_TQ(1'b0),                 // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1).SERDES_MODE("MASTER"),         // MASTER, SLAVE.SRVAL_OQ(1'b0),                // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1).SRVAL_TQ(1'b0),                // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1).TBYTE_CTL("FALSE"),            // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE).TBYTE_SRC("FALSE"),            // Tristate byte source (FALSE, TRUE).TRISTATE_WIDTH(4)              // 3-state converter width (1,4)) OSERDESE2_inst (.OFB(OFB),                      // 1-bit output: Feedback path for data.OQ(OQ),                        // 1-bit output: Data path output// SHIFTOUT1 / SHIFTOUT2: 1-bit (each) output: Data output expansion (1-bit each).SHIFTOUT1(SHIFTOUT1),.SHIFTOUT2(SHIFTOUT2),.TBYTEOUT(TBYTEOUT),            // 1-bit output: Byte group tristate.TFB(TFB),                      // 1-bit output: 3-state control.TQ(TQ),                        // 1-bit output: 3-state control.CLK(CLK),                      // 1-bit input: High speed clock.CLKDIV(CLKDIV),                // 1-bit input: Divided clock// D1 - D8: 1-bit (each) input: Parallel data inputs (1-bit each).D1(D1),.D2(D2),.D3(D3),.D4(D4),.D5(D5),.D6(D6),.D7(D7),.D8(D8),.OCE(OCE),                      // 1-bit input: Output data clock enable.RST(RST),                      // 1-bit input: Reset// SHIFTIN1 / SHIFTIN2: 1-bit (each) input: Data input expansion (1-bit each).SHIFTIN1(SHIFTIN1),.SHIFTIN2(SHIFTIN2),// T1 - T4: 1-bit (each) input: Parallel 3-state inputs.T1(T1),.T2(T2),.T3(T3),.T4(T4),.TBYTEIN(TBYTEIN),              // 1-bit input: Byte group tristate.TCE(TCE)                       // 1-bit input: 3-state clock enable);

2.5 单端转差分原语OBUFDS

  OBUFDS的调用较为简单，直接按照如下的格式调用即可。

    OBUFDS OBUFDS_inst (.O(O),            // 1-bit output: Diff_p output (connect directly to top-level port).OB(OB),          // 1-bit output: Diff_n output (connect directly to top-level port).I(I)             // 1-bit input: Buffer input);

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