就业班学员学习笔记分享：FPGA之HDMI、以太网篇

高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface）是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。

HDMI是被设计来取代较旧的模拟信号影音发送接口如SCART或RCA等端子的。它支持各类电视与计算机视频格式，包括SDTV、HDTV视频画面，再加上多声道数字音频。HDMI与去掉音频传输功能的UDI都继承DVI的核心技术“传输最小化差分信号”TMDS，从本质上来说仍然是DVI的扩展。DVI、HDMI、UDI的视频内容都以即时、专线方式进行传输，这可以保证视频流量大时不会发生堵塞的现象。每个像素数据量为24位。信号的时序与VGA极为类似。

HDMI 1.0版本于2002年发布，最高数据传输速度为5Gbps；而2017年发布的HDMI 2.1标准的理论带宽可达48Gbps。HDMI的规格书中规定了四种HDMI接口。HDMI向下兼容DVI，但是DVI（数字视频接口）只能用于传输视频，而不能同时传输音频，这是两者最大的区别。此外，DVI接口的尺寸明显大于HDMI接口，如图：

图1.2.1  DVI接口（左）和HDMI接口（右）

右侧是最常见的A型HDMI接口，其引脚定义如下图：

图1.2.2 HDMI接口引脚图

DVI和HDMI接口协议在物理层使用TMDS标准传输音视频数据。

TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）是美国Silicon Image公司开发的一项高速数据传输技术，在DVI和HDMI视频接口中使用差分信号传输高速串行数据。TMDS差分传输技术使用两个引脚（如图21.1.2中的“数据2+”和“数据2-”）来传输一路信号，利用这两个引脚间的电压差的正负极性和大小来决定传输数据的数值（0或1）。

DVI或HDMI视频传输所使用的TMDS连接通过四个串行通道实现。对于DVI来说，其中三个通道分别用于传输视频中每个像素点的红、绿、蓝三个颜色分量（RGB4：4：4格式）。HDMI默认也是使用三个RGB通道，但是它同样可以选择传输像素点的亮度和色素信息（YCrCb4:4:4或YCrCb4:2:2格式）。第四个通道是时钟通道，用于传输像素时钟。独立的TMDS时钟通道为接收端提供接收的参考频率，保证数据在接收端能够正确恢复。

图1.3.1 、TMDS连接示意图

如果每个像素点的颜色深度为24位，即RGB每个颜色分量各占8位，那么每个通道上的颜色数据将通过一个8B/10B的编码器（Encoder）来转换成一个10位的像素字符。然后这个10位的字符通过并串转换器（Serializer）转换成串行数据，最后由TMDS数据通道发送出去。这个10:1的并转串过程所生成的串行数据速率是实际像素时钟速率的10倍。

在传输视频图像的过程中，数据通道上传输的是编码后的有效像素字符。而在每一帧图像的行与行之间，以及视频中不同帧之间的时间间隔（消隐期）内，数据通道上传输的则是控制字符。每个通道上有两位控制信号的输入接口，共对应四种不同的控制字符。这些控制字符提供了视频的行同步（HZYNC）以及帧同步（VSYNC）信息，也可以用来指定所传输数据的边界（用于同步）。

对于DVI传输，整个视频的消隐期都用来传输控制字符。而HDMI传输的消隐期除了控制字符之外，还可以用于传输音频或者其他附加数据，比如字幕信息等。这就是DVI和HDMI协议之间最主要的差别。从图1.3.1中也可以看出这一差别，即“Auxiliary Data”接口标有“HDMI Olny”，即它是HDMI所独有的接口。

从前面的介绍中我们可以看出，TMDS连接从逻辑功能上可以划分成两个阶段：编码和并串转换。在编码阶段，编码器将视频源中的像素数据、HDMI的音频/附加数据，以及行同步和场同步信号分别编码成10位的字符流。然后在并串转换阶段将上述的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。

DVI编码器在视频有效数据段输出像素数据，在消隐期输出控制数据，如图1.3.2所示。其中VDE（Video Data Enable）为高电平时表示视频数据有效，为低电平代表当前处于视频消隐期。

图1.3.2 DVI编码输出示意图

图1.3.3给出了三个通道的DVI编码器示意图。对于像素数据的RGB三个颜色通道，编码器的逻辑是完全相同的。VDE用于各个通道选择输出视频像素数据还是控制数据。HSYNC和VSYNC信号在蓝色通道进行编码得到10位字符，然后在视频消隐期传输。绿色和红色通道的控制信号C0和C1同样需要进行编码，并在消隐期输出。但是DVI规范中这两个通道的控制信号是预留的（未用到），因此将其置为2‘b00。

图1.3.3  DVI编码示意图

每个通道输入的视频像素数据都要使用DVI规范中的TMDS编码算法进行编码。每个8-bit的数据都将被转换成460个特定10-bit字符中的一个。这个编码机制大致上实现了传输过程中的直流平衡，即一段时间内传输的高电平（数字“1”）的个数大致等于低电平（数字“0”）的个数。同时，每个编码后的10-bit字符中状态跳转（“由1到0”或者“由0到1”）的次数将被限制在五次以内。

除了视频数据之外，每个通道2-bit控制信号的状态也要进行编码，编码后分别对应四个不同的10-bit控制字符，分别是10'b1101010100，10'b0010101011，10'b0101010100，和10'b1010101011。可以看出，每个控制字符都有七次以上的状态跳转。视频字符和控制字符状态跳转次数的不同将会被用于发送和接收设备的同步。

HDMI协议与DVI协议在很多方面都是相同的，包括物理连接（TMDS）、有效视频编码算法以及控制字符的定义等。但是相比于DVI，HDMI在视频的消隐期会传输更多的数据，包括音频数据和附加数据。4-bit音频和附加数据将通过TERC4编码机制转换成10-bit TERC4字符，然后在绿色和红色通道上传输。

HDMI在输入附加数据的同时，还需要输入ADE（Aux/Audio Data Enable）信号，其作用和VDE是类似的：当ADE为高电平时，表明输入端的附加数据或者音频数据有效。如果大家想了解更多有关HDMI的细节，可以参考开发板资料（A盘）/8_FPGA参考资料/HDMI/《HDMI Specification 13a》。为了简单起见，我们在这里把HDMI接口当作DVI接口进行驱动。

在编码之后，3个通道的10-bit字符将进行并串转换，这一过程是使用7系列FPGA中专用的硬件资源来实现的。7系列的FPGA提供了专用的并串转换器——OSERDESE2。单一的OSERDESE2模块可以实现8:1的并串转换，通过位宽扩展可以实现10:1和14:1的转换率。

对于HDMI，和之前VGA项目差不多，可以通过修改VGA的驱动代码，来实现HDMI的驱动，修改其中的分辨率和时钟，即可完成。

对于HDMI来说，需要将信号转为差分对，再将并转为串。