HDMI协议解析-从软硬件角度分析_android hdmi协议解析

一、从软件角度分析

1 概述

HDMI（High-Definition Multiface Interface）是Hitachi, Panasonic, Philips, SiliconImage, Sony, Thomson, Toshiba几家公司共同发布的一款音视频传输协议，主要用于DVD, 机顶盒等音视频source到TV，显示器等sink设备的传输。传输基于的是TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)协议。此外，使用TMDS也是DVI标准的主要特点 。

2 物理结构

上图是HDMI block结构图，可以看出HDMI用于audiovisual source和sink之间的连接，HDMI cable由3组差分信号传输TMDS数据，1组差分信号传输clock。此外，HDMI还有一个DDC的通道连接到sink的EDID。CEC和HEAC都是HDMI的可选协议。

HDMI定义了五种类型的connector，上图是最常见的type A。
1-9是TMDS data传输用到的引脚，共有三组；
10-12是TMDS clock传输用到的引脚，共有一组，TMDS clock就是pixel clock；
13是CEC引脚，一种消费电子兼容的传输协议；
14是保留引脚；
15,16是DDC的引脚，DDC是基于I2C协议传输，故引脚为SCL和SDA；
17是接地；
18是+5V power；
19是HPD引脚，用于建立连接。

3 传输

概述

HDMI传输由三组TMDS通道和一组TMDS clock通道组成，TMDS clock的运行频率是video信号的pixel频率，在每个cycle，每个TMDS data通道发送10bit数据。

上图是HDMI传输的示意图，从图中可知，HDMI传输如下四种类型数据：
（1）Preamble控制信息，图中的CTLx，可用来表示后面传输的是data island还是video data。通过channel1和2的D[1:0]传输，占用4bit。
（2）Data Island，即数据包，如Audio数据包。通过3个channel的D[3:0]传输，占用12bit。
（3）Video Data，视频数据。示意图中传输的是RGB格式图像，R,G,B分别通过channel2,1,0传输，每个颜色8bit，共24bit。
（4）HSYNC, VSYNC。使用channel0的D[1:0]传输，占用2bit。
8bit的数据在source经过TMDS encoder后得到10bit数据，经过serializer后串行输出；在sink端先进行复原成10bit的数据，再通过TMDS decoder得到8bit的源数据。
此外，HDMI视频是stream式的传输，不涉及packet式的传输。

上图是传输720x480p video的hdmi timing图。
在video data period，有效的video数据进行传输；
在data island period，audio和auxiliary数据以包的形式进行传输；
在control period，CTLx和HSYNC, SYNC进行传输。
data island period和control period都是在消隐区进行。图中行消隐占用138像素，场消隐占45行。

上图中是对时序图中描述的三种period分别传输的数据和编码类型进行说明。video数据从8bit/channel encode后变为10bit/channel, data island的packet数据从4bit/channel encode后为10bit/channel, control数据从2bit/channel encode为10bit/channel。

Control Period

只有两种类型的preamble信息组合，CTL0:3=1000代表接下来的是video data period，CTL0:3=1010代表接下来的是data island period。HSYNC, VSYNC此时也有可能发生变化。

Video Data Period

video data period以2个字符（pixel）长度的leading gurad band开始，guard band如下：
ch0: q_out[9:0] = 0b1011001100
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b1011001100

Data Island Period

data island period传输audio数据和辅助数据，辅助数据包括Infoframe和其他用于音视频信息描述的数据。data island period以2个字符长度的leading guard band开始，并以2个字符宽度的trailing guard band 结束。guard band如下：
ch0: q_out[9:0] = n.a
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b0100110011
data island传输的packet类型和格式详见spec说明。
三个传输阶段的过渡过程如下图所示：

(1) 左一是control period， 分别占用三个channel的D[1:0]，channel 0传输HSYNC, VSYNC, channel1,2 传输Preamble
(2) 左二是data island period，分别占用了三个channel的D[3:0]，channel 0的D[1:0]传输HSYNC, VSYNC， channel0的D[3:2]传输packet header, channel 1,2的D[3:0]传输packet。并且两端以guard band隔离
(3)右二接下来又是control period
(4)右一是 video data island, 占用了全部三个通道，并且开始以guard band 隔离

4 Video

支持三种pixel encoding：RGB4:4:4, YCbCr4:4:4, YCbCr4:2:2
video format除了CEA-861-D中格式外，还会支持一些较特殊的格式
color depth可支持一个像素24, 30, 36和48bits
下面分别是24bit/pixel的RGB444, YCbCr422, YCbCr444的pixel encoding示意图。RGB444每个颜色占8bit， YCbCr422中Y占12bit，C占12bit，YCbCr444中Y,Cb,Cr都占用8bit。



Deep Color模式
Pixel Packing
24 bit mode: 1 pixel/group, 1 fragment/group
30 bit mode: 4 pixel/group, 5 fragment/group
36 bit mode: 2 pixel/group, 3 fragment/group
48 bit mode: 1 pixel/group, 2 fragment/group
1fragment/TMDS clock, 如30bit下的4pixel，需要5次传输完成，每次1个fragment。

5 Audio

Audio数据以Audio Sample Packet或High Bitrate Audio Stream Packet的形式传输，但是HDMI没有传输audio clock，因此sink设备需要进行audio clock regeneration。原理如下：

128∗fs=N×fTMDS/CTS
N和CTS会在Audio Clock Regeneration Packet中进行传输，TMDS clock可通过硬件获取，因此sink端可算出source传输的audio clock。

6 Control

InfoFrame

Infoframe以Infoframe packet的形式传输，它的大小不超过30字节加上一个checksum字节。具体infoframe的格式及内容需要查看spec。
AVI(Auxiliary Video Information) Infoframe
Audio Infoframe
HDMI Vendor Specific Infoframe, 传输4kx2k或3D格式时需要发送此packet

EDID & DDC

sink设备在ROM中存放EDID信息，source在收到HPD后会通过DDC通道读取EDID得到显示设备的属性。EDID包含两部分，前128字节符合EDID1.3数据结构，128字节的扩展EDID，符合CEA extension verison3。CEA extension verison3如下图所示。

HDMI VSDB

HDMI sink设备在第一个扩展EDID中包含HDMI VSDB，source在读取EDID后会根据是否有此block来判断设备是HDMI还是DVI。

Hotplug

source会监测HPD pin的状态，当source和sink连接后，如果HPD为高电平，说明sink设备正常可以工作，source可通过DDC读取EDID，如果为低电平，说明sink已断开。
sink可通过拉低HPD超过100ms来向source表明EDID发生了变化，此时source会重新读取EDID。

HDCP

涉及内容较多，会在单独章节中讲解。

二、从硬件角度分析

1、前言

说到时序，我们首先想到的例子是IIC、SPI、串口等接口的例子，以我们之前的理解，时序就是传输线上电平随时间变化的顺序。但是但是但是！，在HDMI这里，我们应该建立一个新的观念：即时序不一定对应到物理层：即传输线上。这是怎么回事？且看：

因为HDMI的协议中，对传输的信息进行了编码，即TMDS编码，目的是使传输线上电平的跳变更小，从而达到减少干扰、增强传输可靠性的目的。

说到这我们有必要了解下HDMI的整体结构，帮助我们建立一个分层的概念。我且把他分为两个：物理层和信息层。物理层即为实体的电路连接和电平的跳动；信息层则是我们需要传输的数据，对应我们熟悉的二进制编码。HDMI的物理结构如下图

HDMI的物理连接线我们重点关注TMDS相关的线，TMDS Channel0-2为三个数据传输通道，TMDS Clock为时钟通道，每个通道使用2根连接线进行信号传输（最小化传输差分信号，Transition Minimized Differential signal），缩写即TMDS。图中的HDMI Transmitter对视频、音频、控制信号进行编码，然后在放到传输线上进行传输。

video和audio即是我所说的信息层，在此我们主要分析视频信号的时序，可先忽略TMDS编码的细节。TMDS编码有现成的IP可以使用，有兴趣可以之后再深入了解。

2、视频信号的时序

首先了解到，视频是由一帧一帧的画面构成的，而每一帧画面又是由像素点构成，视频信号在输出的时候是按每个像素点进行扫面，从左上角开始，当每扫描完一行时输出一个行同步信号HSYNC（horizontal sync），然后再对下一行进行扫描，当扫描完整个画面，即完成一场时输出一个场同步信号VSYNC（vertical sync）。而每个像素由RGB三种颜色构成，每个颜色有8bit的深度，即3*8bit。

再此或许会有一个疑问，这么多信号是怎么分配到4个TMDS通道中的？答案如下图：其中CTL0-3是控制信号

我们可以再次不用理会，只需知道我们需要发送给TMDS编码器的信号是：

1.像素信息[7:0]R、[7:0]G、[7:0]B

2.行同步信号HSYNC、场同步信号VSYNC

3.像素时钟Pixel Clock

视频信号的时序可以用下图表示

·横轴的行同步信号HSYNC随扫描x位置的变化而变化，当HSYNC由低变高时表示一行新行的开始（旧行的结束）；

·纵轴的场同步信号VSYNC随扫描y位置变化而变化，当VSYNC由低变高时表示一场新画面的开始（旧场的结束）；

·一场画面的传输中并不是所有的时间都在传输图像信号；

·图像信号的传输在Hor“Active”Video和Ver“Active”Video之间的时间进行；

·其余不传输图像的时间称为“消隐时间”，但消隐时间并不代表不传输其他信号，如控制信号、音频信号；

·行的消隐时间由Hor Sync Time + H Back Porch +H Front Porch组成，场消隐时间同理；

·说来懵逼，一般常见的分辨率下各项参数如Hor Sync Time、H Back Porch等是如何计算或规定本人并没有搞懂，在HDMI的标准手册中也没看到，不过可以通过一些资源来获得这些参数：http://tinyvga.com/vga-timing
部分时序参考https://blog.csdn.net/qq_21794157/article/details/120302490




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声明：

该篇文章写的实在太好了，忍不住copy过来，感谢floater的csdn blog，http://blog.csdn.net/flaoter。
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