HDMI接口

HDMI，全稱為（High Definition Multimedia Interface）高清多媒體接口，主要用於傳輸高清音視頻信號。

 

HDMI引腳：

　　HDMI有A,B,C,D,E五種引腳類型，目前市面中比較常見的就是Type A：

其中

　　1-9     都是TMDS數據傳輸實際上用到的引腳，分為0,1,2三組

　　10-12  為TMDS時鍾信號，如當前Video Timing為480p@60Hz（Htotal：800，Vtotal:525），則TMDS clock = 800x525x60 = 25.2MHz。TMDS clock就像是對像素的打包，一個clock分別在三個Channel傳輸一個像素的R、G、B（8bit）信號。

　　13      為CEC（consumer electronic control）類似一種擴展的HDMI功能，供廠家自己定制HDMI消息，（比如說你有一台sony的DVD與TV，兩者用HDMI線接上，如果你用 TV的遙控器可以控制DVD，另DVD執行某種功能，那么該功能的命令信號就是通過TV與DVD間的CEC引腳傳輸的）

　　14      為保留引腳，未使用（或者也可以為CEC提供多一個引腳）

　　15-16 為I2C引腳，用於DDC（Display Data Channel，主要用於EDID與HDCP的傳輸）傳輸，具體可以查看。在HDMI的流程中，DDC通信幾乎是最先做的（前有Hotplug），因為HDMI的主從兩個設備需要通過DDC來獲得他們對方設備的EDID，從而得到各種信息，並且通過比較timming以確定以后送出來的timming為最合適的

　　17      為接地引腳

　　18      為5v的AC引腳

　　19      為Hotplug（熱拔插）引腳（用於監測HDMI設備有沒有存在，如果存在（Hotplug為high）那么可以通過DDC去讀EDID），HDMI 有規定在HDMI 5vAC斷電時source device可以讀reciever device的EDID，也就是需要Hotplug為High。其中有兩種Hotplug相關的情況會導致HDMI被識別為DVI：

1. 　　Hotplug為High，不過EDID並沒有准備好，那么信號源設備會由於無法讀到EDID而認為接收設備為DVI，這樣會導致HDMI有圖像無聲的問題。
2. 　　Hotplug為Low，也會導致信號源無法讀到EDID而認為接收設備為DVI，從而導致HDMI有圖無聲

 

傳輸流程：

　　HDMI TMDS傳輸的數據類型有三種（加上Hsync與Vsync就算4種）：

1. 　Preamble（控制信息），主要用於控制接下來傳輸的數據是Data Island或者Video Data
2. 　Data Island（數據包），各種類型的包信息，包括音頻數據包，圖像信息包等
3. 　Video Data （視頻信息），視頻像素數據，HDMI可以傳輸RGB與YUV兩種格式的像素數據
4. 　還有Hsync與Vsync

　　HDMI的數據傳輸有TMDS0，TMDS1，TMDS2三個通道，每個通道的傳輸流程都是一樣的：

　　

　　如果是8bit的數據進入TMDS編碼器，得到抗干擾性強的10bit TMDS信號，然后再進行串行化輸出；在接收端收到串行的HDMI信號后，進行信號復原，得到10bit的TMDS信號，最后用TMDS解碼器解碼得到原來的8bit數據。

　　總體傳輸流程如下：

　　

　　

1. 如果傳輸的是Video Data，並且格式為RGB，那么會占用三個通道的所有24bit輸入，Channel0[7:0]用於傳輸B，Channel1[7:0]用於傳輸G，Channel2[7:0]用於傳輸R。
2. 如果傳輸的是Data Island，則占用三個通道共10bit輸入，Channel0[3:2]用於傳輸Data Island Header（包頭），Channel1[0:3]與Channel2[0:3]用於傳輸Data Island Content（包內數據）。
3. 如果傳輸的是Preamble，則占用1，2兩個通道共4bit輸入，Channel1[1:0]與Channel2[1:0]分別為CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用於判斷接下來輸入的是Video Data或者Data Island

　　對於Hsync與VSync，會占用Channel0通道的兩個bit輸入，Channel0[0]為Hsync，Channel0[1]為Vsync

 

傳輸時期：

　　HDMI的TMDS數據傳輸可以分為三個傳輸時期：

1. Control Period期間會傳輸Hsync，Vsync，並且在該時期的最后階段會傳輸Preamble
2. Data Island Period期間會傳輸Data Island（數據包），也會有Hsync與Vsync
3. Video Data Period期間會傳輸Video Data（視頻像素數據）

　　某幀的總體時期如下：

　　

　　三個傳輸時期的過渡如下：

　　

1. 　　左邊是Control Period，傳輸有Hsync，Vsync與Preamble
2. 　　中間是Data Island Period，傳輸有Hsync，Vsync，以及兩個Packet Header與Packet（每32個clock 一個packet）；另外Data Island的兩端會用Guard Band保護並隔開Data Island的數據，因為這個階段傳輸的數據大多是非常重要的，比如其中就有圖像分辨率，決定后面的Video Data數據的顯示方式
3. 　　右邊是Video Data Island，傳輸視頻像素數據，在該時期的開頭也有Guard Band

 

Data Island Packet結構

　　

　　所有Data Island Packet都以32個時鍾脈沖為一個周期，也就是說每32 clk傳輸一個包。

　　以上圖為例，

1. 　包頭部是BCH block 4，由Channel0[2]傳輸，32clk表示有32bit，則為4byte，前三個byte為包頭，最后一byte為校驗碼
2. 　包體為BCH block 0,1,2,3，分別由Channel1，Channel2共8根線傳輸，共有24byte與6byte的校驗碼
3. 　Parity Bits校驗碼是用於檢驗HDMI Cable傳輸過程中是否發生了錯誤，如果該Packet在HDMI接收端校驗錯誤，如果只有一個bit的錯誤，那么可以修正，超過1bit的錯誤會被判 別為無效Packet（由於HDMI是一直在發送數據因此無法重發錯誤Packet？）

　　所以說，在接收端，在解完包之后，需要取出各個BCH block的Parity bit，進行Calibration（校驗）

　　Packet類型各種各樣，詳細請看HDMI Spec

 

Audio Clock

　　Audio的采樣率有44100,48000，192000等，是各種各樣，在HDMI傳輸時，Audio是PCM級（無壓縮）傳輸，把PCM數據打散到各個包內，為了得到每個音頻幀的數據，也需要知道Audio的采樣率。HDMI中規定Audio的傳輸方式：

　　Audio采樣率fs重建依靠的主要參數為：

1. 　TMDS Clock
2. 　CTS
3. 　N

　　在發送設備這端，已知參數有采樣率fs，視頻時鍾Video Clock(TMDS clock)，以及預先設定好的參數N，求CTS:

CTS=N∗fTMDS128×fx

　　在接收設備這端，TMDS clock通過硬件設備可以得到，N，與CTS通過Audio Packet傳輸過來，求fs:

128∗fs=N×fTMDSCTS

　　在接收端為了保持fs的穩定與精確，需要進行鎖相，即用VCO（Voltage-controlled oscillator壓控振盪器，通過電壓控制產生的頻率）產生合適的頻率，然后用PFD（Phase Frequency Detector）來鎖頻

 

　　1.　首先，由於VCO有個最佳的工作區域如（200MHz~500MHz），那么為了保證VCO在最佳工作頻率內，我們可以從后倒推回來，先對輸出的fa128做乘法得到

fvco=fa128×S×S2

　　　　由於fa128只有那么幾種（44.1k，48k等），所以比較容易得到S與S2

　　2.　然后，為了更快進行頻率匹配，需要對近來的頻率fx（就是晶振時鍾fcrystal）或者fv（pixel clock）做除法，也對fvco做除法，令兩個趨向相等。對於細微的區別可以用D Code 進行修正

fvcoM=fxK

　　3.　最后做PFD鎖相

　　4.　第2,3步的反饋操作循環地進行，最后可以得出比較穩定的fvco

　　5.　最終得到

fa128=fvcoS×S2

 

HotPlug

　　HotPlug即熱拔插，當接上接口時就可以判定設備是否存在，以進行后續工作。

　　HDMI source device會監測receiver device的Hotplug端口，如果Hotplug為High，則證明設備可以工作，然后去讀取DCC，如果為low，則證明設備已斷開

　　HDMI規定，HDMI 的5v引腳斷電時，需要去讀DCC，即需要保證Hotplug為high

　　Hotplug接法：

　　上面用5V引腳進行供電，當5V電源斷開時，會有5v的電壓回灌給HDMI HPD與Hotplug，這時HPD偵測到5V電壓（High），就可以過來讀EDID。不過這樣做有一個缺點，5V電壓會沖擊Hotplug，一旦 Hotplug引腳無法承受5V電壓的回灌，會被打穿，那么HPD就只能偵測到low。

 

　　上面用的是額外的GPIO引腳加上三極管控制HDMI HPD為0還是1，如果HDMI0_HPD_CTL輸出0，那么三極管斷開，HDMI0_HPD偵測到High，如果HDMI0_HPD_CTL輸出1，那么三極管打通，HDMI0_HPD偵測到low。

 

HDMI Receiver

　　例如像TV這種就是HDMI的接收端，那么HDMI接收端需要做些什么東西。

　　HDMI可以接收到的有三個通道的TMDS Data，TMDS Clock，可以設置Hotplug，還有DCC傳輸用的I2C引腳。上面已經講了TMDS Data，與設置Hotplug，接下來分析TMDS Clock。

　　TMDS Clock 就是Pixel Clock，即一個像素點所用的時鍾頻率。TMDS Clock通過clk 引腳傳輸到接收端，但是接收端並不清楚發送端發過來的TMDS Clock 頻率為多少，因此需要通過Phy（HDMI硬件頻率設置部分？）來進行鎖相得到。但是由於HDMI頻寬太寬（480P@60Hz為 25.2MHz，1080P@60Hz為162MHz，甚至還有高達340MHz的），一般VCO（壓控振盪器，通過電壓控制產生的頻率）無法覆蓋這么大 的范圍，因此需要分頻帶來設置Phy：

　　先偵測輸入頻率落在哪個頻帶，然后根據不同頻帶做不同設置。

　　用TV產生的晶振來數count，數得count后就知道TDMS Clock了

fcrystal=count×fTMDS？？

　　或者用1024個TMDS Clock來數晶振個數

1024×fTMDS=count×fcrystal？？

 

　　由於視頻信號從RGB個8bit通過TMDS編碼后變成了10bit，然后又串行化，所以實際用於接收TMDS Data所用的時鍾應該為：

fReceiveClock=10×fTMDS

　　另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法，而是采用TMDSClock為參考、硬件鎖相的方法來得到。

　　得到ReceiveClock后就可以去設置頻率PLL，然后對三個通道進行采樣得到TMDS Data。

 

Timming Detect

　　在Receiver端還有需要進行Timming Detect，因為如果設備可以支持（如chroma），HDMI可以自由更換Timming，而當Timming更換了之后，Receiver需要重新 設定Phy。因此，通過偵測頻率的改變來檢測是否更換了Timing是必要的。一般會有一個中斷服務（或循環）線程來偵測頻率的改變，一旦頻率改變后，該 進程會通知重新設定Phy，保證HDMI的正確運行　

　　

 

HDMI版權內容保護之HDCP

　　HDCP通過DDC傳輸

　　HDCP主要用於版權視頻的保護，舉例來說，如果有一台藍光DVD播放機可以 播放blueray DVD，並且該DVD已經獲得HDCP授權，你現在想把該DVD影像輸出到某台TV，但是該TV沒有獲得HDCP授權，那么該TV可能就沒法播放影像，或 者播放質量下降，如出現雪花，圖像從1080p變為480p，或者沒有聲音，都有可能。

　　HDCP是靠兩個設備的交互進行HDCP授權認證的，認證流程如下

• 

 

• 1. Transmitter會發送一個key An（64bit）與Aksv（key selection vector 40bit）給Receiver
• 2. Receiver接收到An后，也會發送一個Bkvs以及REPEATER（表明B設備是否為Repeater設備）給Transmitter
• 3. Transmitter開始HDCP認證碼算法：

　　　　　　要理解算法，首先我們需要知道ksv是用來干嘛的

1. 1. 在每個HDMI設備內部，都會保存40組64bit的key，key[40]
   2. 40bit的kvs，每一個bit都是一個索引，當kvs的某一位n為1時，會把key[n]取出來，
   3. 把所有的key[n]相加，得到km，

• 4. Receiver也會做HDCP認證碼算法這個步驟得到km'
• 5. Transmitter與Receiver都會用km\km'去做hdcpBlkCipher，得到一個值R0與R0'
• 6. 100ms后Receiver把R0'發送到Transmitter與R0做比較，相等則認為認證完畢。當然km = km'才能保證R0 = R0'。
• 7.此后的每一幀，Transmitter與Receiver都會運行一次hdcpBlockCipher，不過參數為上次生成的Ks與M，生成的新參數為Ks,M,T
• 
• 8. 在第128幀的時候，另R = T
• 9. 在間隔第一次通信的2s后，再次進行認證
• 10. 后續都采用7,8,9這三個步驟進行迭代認證
• 

　　此外HDMI自1.1后還支持一個更快速與頻繁的認證方式

　　就是上方設備通信圖的下半部分

• 1. 在每第16的倍數幀，用T與當前幀的Channel0的0像素做異或得到Pj
• 2. Channel0的0像素到達Receiver后，也與Receiver的T‘做異或得到P'j
• 3. Receiver把P'j發送到Transmitter，與Pj做比較，相同則通過認證

　　了解HDCP對於處理HDMI的異常現象很有幫助，比如說如果時而出現雪花，有可能是信號不好導致Channel0的0像素出錯，從而第二階段的認證有時會不成功...

 

HDMI Receiver總流程

 

1. 提取與分割10bit的TMDS串行數據
2. 10bit的數據，通過不同線路進來的，判斷是那種類型的：DE，Data Island，RGB，Hs，Vs，Ctrl
3. TMDS解碼
4. HDCP解碼，同時Hs，Vs，DE做delay
5. RGB與DE，Hs，Vs...
6. BCH解碼得到Packet，錯誤驗證
7. Packet含義解析
8. 如果是信息，則存到內存
9. 如果是Audio Data，生成采樣頻率
10. Audio輸出

11. HDCP

    HDCP是高帶寬數字內容保護，TMDS訊號要經過HDCP加密，保證數字訊號不能輕易被復制。

    8b/10b

    8b/10b是一個數字化處理方法，是由IBM最先提出的專利，現在其專利已經超出保護期，成為了一個公眾技術，其目的是提高數字訊號的抗電磁干擾（EMI）能力，提高訊號的准確性；工作方式簡單說，就是將8個0、1組成的數字訊號，重新編碼，前5個重編成6個，后3個重編成4個，經過這樣的轉換，將8個一組的數字訊號轉換成10個一組。傳輸完成后，接收端再進行反編譯，將數字訊號還原。