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      HDMI接口定义,传输流程

      时间:2021-08-12 03:55:21来源:金橙教程网 作者:admin8 阅读:53次 [手机版]
       

      hdmi接口定义

      全文摘自:https://www.cnblogs.com/TaigaCon/p/3840653.html

      HDMI,全称为(High Definition MultiMedia Interface)高清多媒体接口,主要用于传输高清音视频信号。

      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:

      其中

      • 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,具体可以查看。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

      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):

      1. 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
      2. 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
      3. 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
      4. 还有Hsync与Vsync

      HDMI的数据传输有TMDS0,TMDS1,TMDS2三个通道,每个通道的传输流程都是一样的:

      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:

      1. 如果传输的是Video Data,并且格式为RGB,那么会占用三个通道的所有24bit输入,Channel0[7:0]用于传输B,Channel1[7:0]用于传输G,Channel2[7:0]用于传输R。
      2. 如果传输的是Data Island,则占用三个通道共10bit输入,Channel0[3:2]用于传输Data Island Header(包头),Channel1[0:3]与Channel2[0:3]用于传输Data Island Content(包内数据)。
      3. 如果传输的是Preamble,则占用1,2两个通道共4bit输入,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

      对于Hsync与VSync,会占用Channel0通道的两个bit输入,Channel0[0]为Hsync,Channel0[1]为Vsync

      传输周期

      HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期:

      1. Control Period期间会传输Hsync,Vsync,并且在该时期的最后阶段会传输Preamble
      2. Data Island Period期间会传输Data Island(数据包),也会有Hsync与Vsync
      3. Video Data Period期间会传输Video Data(视频像素数据)

      某帧的总体周期如下:

        

      三个传输周期的过渡如下:

        

      1. 左边是Control Period,传输有Hsync,Vsync与Preamble
      2. 中间是Data Island Period,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
      3. 右边是Video Data Island,传输视频像素数据,在该时期的开头也有Guard Band

      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。

      以上图为例,

      1. 包头部是BCH block 4,由Channel0[2]传输,32clk表示有32bit,则为4byte,前三个byte为包头,最后一byte为校验码
      2. 包体为BCH block 0,1,2,3,分别由Channel1,Channel2共8根线传输,共有24byte与6byte的校验码
      3. 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?)

      所以说,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)

      Packet类型各种各样,详细请看HDMI Spec

      Audio Clock

      Audio的采样率有44100,48000,192000等,是各种各样,在HDMI传输时,Audio是PCM级(无压缩)传输,把PCM数据打散到各个包内,为了得到每个音频帧的数据,也需要知道Audio的采样率。HDMI中规定Audio的传输方式:

      Audio采样率fs重建依靠的主要参数为:

      1. TMDS Clock
      2. CTS
      3. N

      在发送设备这端,已知参数有采样率fs,视频时钟Video Clock(TMDS clock),以及预先设定好的参数N,求CTS:

      在接收设备这端,TMDS clock通过硬件设备可以得到,N,与CTS通过Audio Packet传输过来,求fs:

      在接收端为了保持fs的稳定与精确,需要进行锁相,即用VCO(Voltage-controlled oscillator压控振荡器,通过电压控制产生的频率)产生合适的频率,然后用PFD(Phase Frequency Detector)来锁频

      1. 首先,由于VCO有个最佳的工作区域如(200MHz~500MHz),那么为了保证VCO在最佳工作频率内,我们可以从后倒推回来,先对输出的fa128做乘法得到

        由于只有那么几种(44.1k,48k等),所以比较容易得到与

      2. 然后,为了更快进行频率匹配,需要对近来的频率(就是晶振时钟)或者(pixel clock)做除法,也对做除法,令两个趋向相等。对于细微的区别可以用D Code 进行修正
      3. 最后做PFD锁相
      4. 第2,3步的反馈操作循环地进行,最后可以得出比较稳定的
      5. 最终得到

      HotPlug

      HotPlug即热拔插,当接上接口时就可以判定设备是否存在,以进行后续工作。

      HDMI source device(HDMI HPD)会监测sink device的Hotplug端口,如果Hotplug为High,则证明设备可以工作,然后去读取DCC,如果为low,则证明设备已断开。

      HDMI sink device应该通过把Hotplug拉低,来通知source device EDID已经被改变,那么source device在Hotplug被拉高后,就会重新来读取新的EDID,拉低这段时间应该多于100ms。

      HDMI规定,HDMI 的5v引脚通电时,可以通过DCC去读取EDID,即需要保证Hotplug为high,有些Hotplug是直接接到5V上的(如下)。

      Hotplug接法:(HDMI HPD(Hotplug detect ?)检测sink的Hotplug端)

      上面用5V引脚进行供电,并接上Hotplug,这样做就能保证每次source device接上sink device时,都可以去读取到EDID。但是这样做有一个缺点,当5V电源断开时,会有5v的电压回灌给HDMI HPD与Hotplug,5V电压会冲击Hotplug,一旦Hotplug引脚无法承受5V电压的回灌,会被打穿。

      下面有个较好的Hotplug接法:

      上面用的是额外的GPIO引脚加上三极管控制HDMI HPD为0还是1,如果HDMI0_HPD_CTL输出0,那么三极管断开,HDMI0_HPD侦测到High,如果HDMI0_HPD_CTL输出1,那么三极管打通,HDMI0_HPD侦测到low。

      HDMI Sink

      例如像TV这种就是HDMI的接收端,那么HDMI接收端需要做些什么东西。

      HDMI可以接收到的有三个通道的TMDS Data,TMDS Clock,可以设置Hotplug,还有DCC传输用的I2C引脚。上面已经讲了TMDS Data,与设置Hotplug,接下来分析TMDS Clock。

      TMDS Clock 就是Pixel Clock,即一个像素点所用的时钟频率。TMDS Clock通过clk 引脚传输到接收端,但是接收端并不清楚发送端发过来的TMDS Clock 频率为多少,因此需要通过Phy(PHY是模拟数字转换部分,不同于ADC,PHY是不知道采样频率的,需要自己锁频、锁相,侦测确切的输入频率)来进行锁相得到。但是由于HDMI频宽太宽(480P@60Hz为25.2MHz,1080P@60Hz为162MHz,甚至还有高达340MHz的),一般VCO(压控振荡器,通过电压控制产生的频率)无法覆盖这么大的范围,因此需要分频带来设置Phy:

      先侦测输入频率落在哪个频带,然后根据不同频带做不同设置。

      用TV产生的晶振来数count,数得count后就知道TDMS Clock了

      ??

      或者用1024个TMDS Clock来数晶振个数

      ??

      由于视频信号从RGB个8bit通过TMDS编码后变成了10bit,然后又串行化,所以实际用于接收TMDS Data所用的时钟应该为:

      另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法,而是采用TMDSClock为参考、硬件锁相的方法来得到。

      得到ReceiveClock后就可以去设置频率PLL,然后对三个通道进行采样得到TMDS Data。

      Timming Detect

      在Sink端还有需要进行Timming Detect,因为如果设备可以支持(如chROMa),HDMI可以自由更换Timming,而当Timming更换了之后,Sink需要重新设定Phy。因此,通过侦测频率的改变来检测是否更换了Timing是必要的。一般会有一个中断服务(或循环)线程来侦测频率的改变,一旦频率改变后,该进程会通知重新设定Phy,保证HDMI的正确运行 

      HDMI版权内容保护之HDCP

      HDCP通过DDC传输

      HDCP主要用于版权视频的保护,举例来说,如果有一台蓝光DVD播放机可以播放blueray DVD,并且该DVD已经获得HDCP授权,你现在想把该DVD影像输出到某台TV,但是该TV没有获得HDCP授权,那么该TV可能就没法播放影像,或者播放质量下降,如出现雪花,图像从1080p变为480p,或者没有声音,都有可能。

      HDCP是靠两个设备的交互进行HDCP授权认证的,认证流程如下

      1. Transmitter会发送一个key An(64bit)与Aksv(key SELECTion vector 40bit)给Receiver
      2. Receiver接收到An后,也会发送一个Bkvs以及REPEATER(表明B设备是否为Repeater设备)给Transmitter
      3. Transmitter开始HDCP认证码算法:

        要理解算法,首先我们需要知道ksv是用来干嘛的

        1. 在每个HDMI设备内部,都会保存40组64bit的key,key[40]
        2. 40bit的kvs,每一个bit都是一个索引,当kvs的某一位n为1时,会把key[n]取出来,
        3. 把所有的key[n]相加,得到km,
      4. Receiver也会做HDCP认证码算法这个步骤得到km'
      5. Transmitter与Receiver都会用km\km'去做hdcpBlkCipher,得到一个值R0与R0'
      6. 100ms后Receiver把R0'发送到Transmitter与R0做比较,相等则认为认证完毕。当然km = km'才能保证R0 = R0'。
      7. 此后的每一帧,Transmitter与Receiver都会运行一次hdcpBlockCipher,不过参数为上次生成的Ks与M,生成的新参数为Ks,M,T

      8. 在第128帧的时候,另R = T
      9. 在间隔第一次通信的2s后,再次进行认证
      10. 后续都采用7,8,9这三个步骤进行迭代认证

      此外HDMI自1.1后还支持一个更快速与频繁的认证方式,就是上方设备通信图的下半部分

      1. 在每第16的倍数帧,用T与当前帧的Channel0的0像素做异或得到Pj
      2. Channel0的0像素到达Sink后,也与Sink的T‘做异或得到P'j
      3. Sink把P'j发送到Source,与Pj做比较,相同则通过认证

      了解HDCP对于处理HDMI的异常现象很有帮助,比如说如果时而出现雪花,有可能是信号不好导致Channel0的0像素出错,从而第二阶段的认证有时会不成功...

      HDMI Sink总流程

      1. 提取与分割10bit的TMDS串行数据
      2. 10bit的数据,通过不同线路进来的,判断是那种类型的:DE,Data Island,RGB,Hs,Vs,Ctrl
      3. TMDS解码
      4. HDCP解码,同时Hs,Vs,DE做delay
      5. RGB与DE,Hs,Vs...
      6. BCH解码得到Packet,错误验证
      7. Packet含义解析
      8. 如果是信息,则存到内存
      9. 如果是Audio Data,生成采样频率
      10. Audio输出

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