ds & hdmi 原理_hdmi 驱动原理

一、IDS 学习笔记
1、Overlay Controller
图像数据格式和4窗口融合由叠加控制器处理。叠加控制器可以根据窗口的中断生成一个窗口时隙，用户可以根据时隙中断更新帧缓冲的数据，比如：播放视频的时候。通常，视频的解码速度为 30 fps，LCD 的刷新率为 60-70 Hz，叠加控制器采用两路 PWM 定时器中断来避免潜在的风险。同步的过程如下图所示：
        
时隙中断同步于 PWM_INT2/3 和 VSYNC，在第一阶段：时隙中断产生后，下一帧的视频数据可以安全的解码并写入 buffer1，因为此时叠加控制器是从 buffer0 中读取视频数据到 LCD。同样的，在第二阶段 buffer0 的内容可以被更新。注：在使用窗口时隙中断时必须先设置好 PWM_INT2/3。

窗口坐标和虚拟显示示意图如下：

       
2、LCD Controller
LCD 控制器用于发送视频数据到外部的 TFT LCD 并生成必要的控制信号，如: VSYNC、HSYNC、VCLK等。LCD 控制器通过 16 个 24-bit RGB FIFO 与叠加控制器交换数据。LCD 控制器可以通过寄存器设置 LCD 电源引脚的状态。
3、TV Controller
电视控制器将 RGB FIFO 中的 RGB 数据转换成 YCbCr 数据并发送到外部电视机的编码芯片，YCbCr 数据将被加入消隐区数据并打包，使之与 ITU-R BT 601/656 接口格式兼容。接口发送数据的频率依赖于图像的大小，接口信号由视频数据和必须的控制信号（VSYNC、HSYNC、HREF、FIELD等）组成。内部的 RGB -> YCbCr 颜色空间转换矩阵系数可以由软件配置。当前支持两种接口时序：一、行从消隐区开始，二、行从 EAV（有效视频结束） 开始。第二种时序如下图所示（SAV-有效视频开始）：
        
TV 控制器支持 4 种类型的数据格式：ITU656 8-bit YCbCr422、ITU601 8-bit YCbCr422、ITU601 16-bit YCbCr422、ITU601 24-bit RGB888。当输出数据宽度为 8-bit 时，2 个时钟周期发送一个像素的数据。
4、双屏显示
当前支持4种工作模式：复制模式（本地显示为主，远程显示通过缩放获得）、高清模式（远程高清、本地为缩放所得）、扩展模式（将同一个 buffer 里面的内容分割显示）、独立模式（各自的不同内容）。

二、HDMI 学习笔记
HDMI - 高清晰度多媒体接口 ，接口使用 5V 电压驱动，采用了 Silicon Image 公司发明的 TMDS （时间最小化差分信号）传输技术，视频信号的 R、G、B、H、V 五种信号都用 TDMS 技术编码。每一个标准的 HDMI 连接，都包含了 3 路用于传输数据的 TMDS 传输通道，还有 1 路独立的 TMDS 时钟通道。在一个时钟周期内，每个 TMDS 通道都能传送  10bit  的数据流，这个数据流可以由若干种不同的编码格式构成。TMDS 对每个像素点种的 RGB 三原色分别按 8bit 编码，如下图所示：
        
一般来说，HDMI 传输的编码格式中要包含 视频数据 （HDMI1.3版本前每个像素采用24bit）、 控制数据 和 数据岛 （数据岛中包含音频数据和附加信息数据，如纠错码等）。TDMS 每个通道在传输时要包含一个 2bit 的控制数据、8bit 的视频数据或者 4bit 的数据包，在 HDMI 信息传输过程中，可以分为 三个阶段 ：视频数据传输周期、控制数据传输周期和数据岛传输周期，如下图所示：
        
下表展示在数据传输中每种操作模式的编码类型
        
HDMI 1.0 的带宽为 4.96Gbps（25MHz - 165MHz），HDMI 1.3 为10.2Gbps（340M），计算公式如下：

带宽 = 系统时钟频率 x 数据量 = 340MHz x 10bit = 3.4Gbit x 3 = 10.2Gbit

* 典型的 720p@60Hz 时钟频率为 74.25MHz，1080p@60Hz 时钟频率为 148.5MHz

Type A  型 HDMI 接口引脚定义如下图所示：
         
在广播电视行业使用的 TV 格式中，支持标清格式的 480i、480p（含 16:9 格式）、576i、576p规格以及高清 HDTV 中的 720p、1080i、1080p 规格。 在 HDMI 中还加入了版权保护机制 - HDCP （高带宽数字内容保护），是在使用数字格式进行传输信号的基础上，再加入一层版权认证保护技术。
HDMI Source 和 Sink 的 上电协商过程 ：
a、 Source 设备上电后会检测 HPD 引脚是否被上拉到 2V 以上
b、 Source 设备通过 DDC（显示数据通道） 读取 EDID（增强扩展显示识别数据） 的信息以确定 Sink 能支持的分辨率
c、 Source 设备检测 TMDS 信号是否被上拉到 3.3V
d、 Source 设备输出目前设置的分辨率的信号到 Sink 端
TMDS 技术差分信号上拉电压为 +3.3V（由 Sink 提供），差分信号的逻辑摆幅在 800-1200mV 之间，实际电压摆幅可以在 150-1200mV 之间变化。CEC 引脚为消费电子控制通道，用于控制视听设备工作。

*  synopsys  - IP 核提供商，为大多数芯片公司节省了大量的时间和资源，其 IP 核包括：HDMI、DDR、MIPI、PCIe、SATA、USB、Ethernet 等，并提供了相应的验证软件包。平台 HDMI 接口就是采用的 synopsys 公司的 IP 核，编程指南 《DesignWare Cores HDMI Transmitter Controller Databook》 - DWC_hdmi_tx。软件流程主要为两个阶段：
1、Initialization
a、Wait for Hot Plug Detect（HPD）
b、Configure VGA DVI Video Mode
c、Read Sink's E-EDID
2、Configuration
d、Configure Video Mode
e、Configure Audio Mode
f、Configure Infoframes
g、Configure HDCP
在 a 阶段，通过向寄存器 PHY_CONF0.PDZ 写 1 让 HDMI TX PHY HPD Detector 上电，然后检测 HPD 状态位，当 HPD = 1  时，即代表检测到了 Sink 设备，便可进入 b 阶段。
在 b 阶段，需要先用  DVI 模式 向接收器发送视频数据，因为 读取 E-EDID  的操作需要视频数据来提供准确的时钟源，发送数据的分辨率为 VGA（640 x 480p），所有的发送器和接收器都必须支持这个分辨率，因为这个分辨率的数据率最低。HDMI TX PHY 有一个 内部 PLL 用于产生 TMDS 信号的时钟 。
在 c 阶段，发送器将会通过 E-DDC 通道从接收器读取 E-EDID 数据，这个数据包含了接收器支持的音频和视频功能，并保存在接收器的存储器中。E-DDC 通道基于  I2C 协议 ，所以发送器有一个 I2C 主控制器。E-DDC 扩展读 操作流程 如下：设置从设备 I2C 地址 -> 设置 I2C 段地址 -> 设置 I2C 段指针 -> 开启扩展读功能 -> 读取结果寄存器。
在 d 阶段，将会 匹配发送器和接收器 都支持的视频模式，然后首先关闭 HDMI TX PHY Detector 以免接收器产生异常行为，接着开始配置发送器的视频模式（选择视频输入映射模式 -> 设置视频信号时序 -> 选择 HDMI 或者 DVI 模式 -> 使能 PHY 内部 PLL -> 复位 PHY -> 通过读取 TX_PHY_LOCK 判断配置是否正确完成）
在 e 阶段，将会为 HDMI 输出配置 音频模式 （DVI 模式没有音频输出），可选的模式有：I2S、S/PDIF、HBR、DMA、GPA 。

在 f 阶段，将会为 HDMI 输出设置辅助信息，以告知接收器收到的视频和音频数据的格式等信息。

* HDMI 如同 MIPI 接口，只是对 IDS 产生的视频数据以及音频数据进行格式转换后再通过 HDMI TX PHY 单元传输出去，即 HDMI 只是一种传输方式 。

HDMI 功能单元
a、Video Input Interface  - 视频输入接口，接收来自 IDS 的视频数据，其引脚如下图所示：
        
其中 ivdata 为 48bits，其他都为 1bit，可以看到这是一个典型的视频信号接口。
b、Audio Input Interface  - 音频输入接口，接收来自处理器的音频数据
c、System and Slave Register Interface  - 系统和从设备寄存器接口，控制内部寄存器的读写
d、E-DDC Interface  - 扩展显示数据通道接口，该功能通过 I2C 协议实现，这个接口就是 I2C 时钟和数据读写引脚
e、CEC Interface  - 消费电子控制接口，使用 32.768 KHz 的时钟
f、HDCP Encryption Engine  - 高带宽数字内容保护加密引擎
g、Scan Test Interface  - 扫描测试接口
h、HDMI TX PHY Interface  - HDMI 发送器物理接口，大部分信号将会连接到外部引脚，示意图如下：
        
其中 ihpd 连接到 HPD 引脚，otmdsdatap、otmdsdatan 连接到外部的 3 路数据传输引脚，otmdsclkp、otmdsclkn 连接到外部时钟引脚。
i、HDMI 3D TX PHY Interface  - HDMI 3D 发送器物理接口
j、HDMI HEAC PHY Interface  - HDMI 以太网和音频回传通道物理接口

HDMI 函数解析
* 初始化阶段
hdmi_probe() - hdmi 探测函数，建立了内核线程 hdmi_wk 以及4个工作队列 hdmi_handler_wk（中断后续处理）、hpd_wk（热插拔检测）、edid_wk（E_EDID读取和解析）、check_wk（当前状态检测），可以设置 items - P_HDMI_DIRECT 是否直接输出 hdmi 信号
hdmi_initialize() - hdmi 内存、中断等资源管理
api_Initialize() - 初始化 VGA 显示参数，以及 hdmi 模块内的寄存器、PHY 等
* 连接检测阶段
hdmi_handler() - 中断函数，当 HPD 引脚状态变化时启动，然后启动 hdmi_handler_wk()
hdmi_handler_wk() - 处理 hpd_on、hpd_off、ddc_i2c 等事件，如果是 hpd_on，则开始读取 E-EDID
api_EventHandler() - api 层事件处理器，根据 api_mCurrentState 即当前状态做出相应处理，当 E-EDID 读取完成后，启动 edid_EventHandler() 解析，其中重要的函数有 edid_ParseBlock()、dtd_Parse()、dtd_Fill()，解析完成后设置 api_mCurrentState = API_EDID_READ
hdmi_update_strategy() - E-EDID 解析完成后根据 PHY 和 sink 支持的分辨率选取合适的输出格式
hdmi_config() - 根据输出格式通过 hdmi_params_config() 配置视频、音频等参数，然后通过 api_Configure() 配置相关寄存器打开 hdmi 信号输出