【正点原子Linux连载】 第二十五章HDMI屏幕驱动实验摘自【正点原子】ATK-DLRK3568嵌入式Linux驱动开发指南_正点原子的高清口

1）实验平台：正点原子ATK-DLRK3568开发板
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第二十五章HDMI屏幕驱动实验

HDMI是现在最流行的屏幕显示接口之一，大尺寸如65/75/100寸、高分辨率如4K、8K、高帧率如60Hz、120Hz等应用场合都有HDMI的身影。瑞芯微的RK3568芯片原生自带了HDMI外设接口，可以用来连接HDMI显示器，本章我们就来学习一下如何使用RK3568的HDMI接口。

25.1 HDMI简介
HDMI全称为High Definition Multimedia Interface，也就是高清多媒体接口，是一个纯数字的音视频传输接口，通过一根线同时发送音视频数据。目前在电视、显示器、电脑、机顶盒等领域得到了广泛的使用。
在学习HDMI之前，我们先了解一些HDMI相关术语：
HDCP：High-bandwidth Digital Content Protection，版权保护相关，通过HDMI的DDC通道获取相关信息。
EDID：Extended Display Identification Data，扩展显示标识数据，包括显示器参数信息、供应商、图像大小、颜色、厂商预设值等信息。
DDC：Display Data Channel，显示数据通道，本质是IIC，因为大家会在HDMI接口上看到SCL和SDA引脚，DDC用来获取EDID、HDCP信息。
CEC：Consumer Electronics Control，用户电气控制，可以通过CEC引脚控制一些从设备，实现遥控功能。
TMDS：Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号，用来传输HDMI信号。
HEAC：HDMI Ethernet and Audio Return Channel，以太网和音频返回，需要额外的PHY支持。
Source：HDMI信号输出设备。
Sink：HDMI信号输入设备。
HDMI最早于2002年出现，来用取代模拟信号接口，比如SCART或RCA，支持各种电脑与电视图像格式，还支持多声道的数字音频。HDMI经过不断地迭代，已经发布了多个版本：HDMI 1.1、HDMI 1.2、HDMI 1.3/1.3a/1.3b/1.3c、HDMI 1.4/1.4a/1.4b、HDMI 2.0/2.0a/2.0b以及最新的HDMI 2.1。这些版本的主要功能和区别如表25.1.1和25.1.2所示：

图25.1.1 HDMI各版本区别1

图25.1.2 HDMI各版本区别2
25.1.1 HDMI接口介绍
HDMI结构框图如图25.1.1.1所示：

图25.1.1.1 HDMI结构框图
图25.1.1.1中左侧是Source，用于产生Video、Audio等信号。左侧是Sink，也就是接受Source端发送过来的Video、Audio等信息。Source和Sink之间通过TMDS来传输信号，一共有3个TMDS数据通道，1个TMDS时钟通道。另外还有DDC、CEC、HPD等信号来传输其他的控制信息，简单总结一下这几个通道的功能。
TMDS：传输音视频数据。
CEC：实现遥控器功能。
DDC：实现屏幕分辨率自适应，通过DDC获取不同屏幕的参数信息。
HPD：实现热插拔。
HDMI一共有5种接口，如图25.1.1.1所示：

图25.1.1.1 HDMI接口图
我们最常用的就是Type A口，正点原子ATK-DLRK3568开发板也是Type A口，所以本章我们就基于Type A口进行讲解。HDMI接口引脚如图25.1.1.2所示：

图25.1.1.2 HDMI接口引脚图
从图25.1.1.2可以看出，一共有19个引脚，这19个引脚对应的功能如表25.1.1.1所示：

表25.1.1.1 HDMI引脚定义
表25.1.1.1中这些数据线分为如下几类：
TMDS 数据0/1/2：一共有3对数据线，为TMDS编码格式。
TMDS 时钟：1对TMDS时钟线。
CEC：HDMI的CEC通道引脚，可以通过CEC信号控制HDMI接口上所连接的设备。
IIC：HDMI接口上有个IIC接口，专业的名词叫做DDC(Display Data Channel)，也就是显示数据通道，本质是个IIC接口，用来获取EDID、HDCP等内容的。
HPD：热插拔引脚，实现HDMI的热插拔功能。
25.1.2 TMDS传输原理简析
前面说了HDMI主要是通过TMDS编码来传输音视频信号，TMDS使用2根差分线来传输信号，信号0和1由两个引脚的电压差来决定，当TMDS差分线+为高电平，-为低电平的时候表示1；+为低电平，-为高电平的时候为0。接受端通过判断+和-的电压差来确定发送过来的是1还是0。采用差分传输的好处就是抗干扰能力强，适合高速传输。
TMDS由3个数据通道和1个时钟通道组成。TMDS的时钟通道以所传输的视频信号像素时钟的固定比例运行。每个TMDS时钟周期，每个TMDS数据通道都会传输10bit数据。HDMI编解码结构如图25.1.2.1所示：

图25.1.2.1 HDMI编解码结构图
从图25.1.2.1可以看出，左侧位Source端，右侧位Sink端，数据从左侧传递到右侧。左侧每个通道有8bit的原始数据，通过编码后得到10bit数据通过TMDS传输，接收端接收到10bit的编码数据要先解码，得到原始的8bit数据。
首先看一下Source端，一共3个数据通道，每个通道都是8bit的并行数据，这8bit数据含义如下：
D[7:0]：8bit的实际图像数据，为并行数据。
D[1:0]：通道0的这2位是HSYNC和VSYNC信号，通道1和通道2的这两位是CTL0~CTL3这4个控制信号。
D[3:0]：额外的一些辅助数据，比如音频数据等。
图25.1.2.1中一共有4个通道，3个数据通道，1个时钟通道，这4个通道功能如下：
通道0：传输图像的蓝色分量、HS和VS信号。
通道1：传输图像的绿色分量、CTL0和CTL1信号。
通道2：传输图像的红色分量、CTL2和CTL3信号。
时钟通道：图像的像素时钟。
25.1.3 HDMI传输阶段
1、HDMI传输的三个阶段
HDMI数据传输分为3个阶段：
①、Video Data Period：视频数据传输阶段，也就是此阶段传输实际的图像数据。对应图25.1.2.1中的D[7:0]，会将8bit数据编码并串行化为10bit发送出去。
②、Data Island Period：音频和额外数据传输阶段。对应图25.1.2.1中的D[3:0]，会将4bit数据编码并串行化为10bit发送出去。
③、Control Period：控制信号传输阶段，当不传输音视频信号和控制信号的时候，都处于这个阶段。对应图25.1.2.1中的D[1:0]，会将2bit数据编码并串行化为10bit发送出去。
这三个阶段的详细编码方式与描述见图25.10.3.1：

图25.1.3.1 编码方式数据传输
以一个720*480分辨率为例，这三个传输阶段如图25.1.3.2所示：

图25.1.3.2 720*480分辨率传输阶段
2、Control Period
Control Period就是前面说的CTL0~CTL3，一共4bit，用来指示接下来的数据是Data Island还是Video Data，如图25.1.3.3示：

图25.1.3.3 Control Period含义
3、Video Data Period
当Control Period指示下一个是Video Data的时候，那么就开始图像数据传输，在正进入Video Data之前，有一个Guard Band阶段，经过TMDS编码后每个通道都有一个10bit的数据，如下所示：

1 case (TMDS Channel Number):
2  
3     Ch0: q_out[9:0] = 0b1011001100;
4  
5     Ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011;
6  
7     Ch2: q_out[9:0] = 0b1011001100;
8  
9 endcase
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Video Band以后就是真实的图像数据了。
1

4、Video Data Period
如果Control Period指示下一阶段为Data Isiand Period，那么接下来就是Data Island Period的数据传输，这个阶段以Guard Band开始，最后一个以Trailing Guard Band结束，编码格式如下：
1 case (TMDS Channel Number):
2 0: q_out[9:0] = n.a.;
3 1: q_out[9:0] = 0b0100110011;
4 2: q_out[9:0] = 0b0100110011;
5 endcase
这三个阶段如图25.1.3.4所示：

图25.1.3.4 三个传输阶段
25.1.4 HDMI时钟与带宽
1、像素时钟
我们分别以RK3568所支持的1920x1080p@120Hz和4096x2304@60fps这两个分辨率来算一下对应的像素时钟：
1920x1080p@120Hz：1920×1080×120=248832000≈248.832MHz。
4096x2304@60Hz：4096×2304×60=566231040≈566.2MHz。
上面算出来的就是1S中要传输的像素数，也就是像素时钟。
2、理论带宽
前面我们计算出的是像素时钟，假设像素格式为RGB888，也就是一个像素24bit，那么对应的理论带宽就是：
1920x1080p@120Hz：248832000×24=5971968000≈6.0Gbps。
4096x2304@60Hz：4096×2304×60=566231040≈13.6Gbps。
可以看出仅传输视频最少就需要13.6Gbps的带宽，而HDMI不仅仅要传输视频，还要传输音频等其他信号，所以HDMI的实际带宽要大于13.6Gpbs。
3、TMDS时钟
HDMI1.4b协议规定TMDS时钟最高340MHz，HDMI2.0协议将TMDS时钟加到了600MHz。RK3568的HDMI接口为2.0版本，我们就以600MHz的TMDS时钟计算一下HDMI接口实际提供的带宽。一个TMDS时钟单个通道传输10bit的数据，所以单个通道的带宽就是：
600000000×10 = 6Gpbs
一共有3个TMDS数据通道，所以总带宽就是：
6Gpbs×3=18Gbps
这个就是大家找HDMI2.0资料的时候，说的18Gbps带宽的来源。但是前面我们说了，TMDS在传输的时候会将原始的8bit有效数据编码为10bit，所以真实的有效带宽要再乘一个0.8，因此实际有效带宽为：
18Gpbs×0.8=14.4 Gbps
可以看出，实际有效带宽为14.4Gbps，大于我们前面算出来的13.6Gbps要求。HDMI各版本的传输带宽如图25.1.4.1所示：

图24.1.4.1 HDMI各版本带宽区别
另外HDMI 2.0和HDMI2.1对于不同分辨率与帧率的支持如图24.1.4.2所示：

图25.1.4.2 HDMI不同版本对分辨率与帧率的支持