一文解析HDMI spec傳輸協(xié)議

本文從軟件工程師角度對(duì)HDMI spec進(jìn)行解析，基于的spec版本為1.4，也是設(shè)備支持最多最成熟的版本，目前最新版本為2.0。

1 概述

HDMI（High-Definition Multiface Interface）是Hitachi, Panasonic, Philips, SiliconImage, Sony, Thomson, Toshiba幾家公司共同發(fā)布的一款音視頻傳輸協(xié)議，主要用于DVD, 機(jī)頂盒等音視頻source到TV，顯示器等sink設(shè)備的傳輸。傳輸基于的是TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)協(xié)議。此外，使用TMDS也是DVI標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn) 。

2 物理結(jié)構(gòu)

上圖是HDMI block結(jié)構(gòu)圖，可以看出HDMI用于audiovisual source和sink之間的連接，HDMI cable由3組差分信號(hào)傳輸TMDS數(shù)據(jù)，1組差分信號(hào)傳輸clock。此外，HDMI還有一個(gè)DDC的通道連接到sink的EDID。CEC和HEAC都是HDMI的可選協(xié)議。

HDMI定義了五種類型的connector，上圖是最常見(jiàn)的type A。
1-9是TMDS data傳輸用到的引腳，共有三組；
10-12是TMDS clock傳輸用到的引腳，共有一組，TMDS clock就是pixel clock；
13是CEC引腳，一種消費(fèi)電子兼容的傳輸協(xié)議；
14是保留引腳；
15,16是DDC的引腳，DDC是基于I2C協(xié)議傳輸，故引腳為SCL和SDA；
17是接地；
18是+5V power；
19是HPD引腳，用于建立連接。

3 傳輸

概述

HDMI傳輸由三組TMDS通道和一組TMDS clock通道組成，TMDS clock的運(yùn)行頻率是video信號(hào)的pixel頻率，在每個(gè)cycle，每個(gè)TMDS data通道發(fā)送10bit數(shù)據(jù)。

上圖是HDMI傳輸?shù)氖疽鈭D，從圖中可知，HDMI傳輸如下四種類型數(shù)據(jù)：
（1）Preamble控制信息，圖中的CTLx，可用來(lái)表示后面?zhèn)鬏數(shù)氖莇ata island還是video data。通過(guò)channel1和2的D[1:0]傳輸，占用4bit。
（2）Data Island，即數(shù)據(jù)包，如Audio數(shù)據(jù)包。通過(guò)3個(gè)channel的D[3:0]傳輸，占用12bit。
（3）Video Data，視頻數(shù)據(jù)。示意圖中傳輸?shù)氖荝GB格式圖像，R,G,B分別通過(guò)channel2,1,0傳輸，每個(gè)顏色8bit，共24bit。
（4）HSYNC, VSYNC。使用channel0的D[1:0]傳輸，占用2bit。
8bit的數(shù)據(jù)在source經(jīng)過(guò)TMDS encoder后得到10bit數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)serializer后串行輸出；在sink端先進(jìn)行復(fù)原成10bit的數(shù)據(jù)，再通過(guò)TMDS decoder得到8bit的源數(shù)據(jù)。
此外，HDMI視頻是stream式的傳輸，不涉及packet式的傳輸。

上圖是傳輸720x480p video的hdmi timing圖。
在video data period，有效的video數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；
在data island period，audio和auxiliary數(shù)據(jù)以包的形式進(jìn)行傳輸；
在control period，CTLx和HSYNC, SYNC進(jìn)行傳輸。
data island period和control period都是在消隱區(qū)進(jìn)行。圖中行消隱占用138像素，場(chǎng)消隱占45行。

上圖中是對(duì)時(shí)序圖中描述的三種period分別傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和編碼類型進(jìn)行說(shuō)明。video數(shù)據(jù)從8bit/channel encode后變?yōu)?0bit/channel, data island的packet數(shù)據(jù)從4bit/channel encode后為10bit/channel, control數(shù)據(jù)從2bit/channel encode為10bit/channel。

Control Period

只有兩種類型的preamble信息組合，CTL0:3=1000代表接下來(lái)的是video data period，CTL0:3=1010代表接下來(lái)的是data island period。HSYNC, VSYNC此時(shí)也有可能發(fā)生變化。

Video Data Period

video data period以2個(gè)字符（pixel）長(zhǎng)度的leading gurad band開(kāi)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傳輸audio數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)包括Infoframe和其他用于音視頻信息描述的數(shù)據(jù)。data island period以2個(gè)字符長(zhǎng)度的leading guard band開(kāi)始，并以2個(gè)字符寬度的trailing guard band 結(jié)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傳輸?shù)膒acket類型和格式詳見(jiàn)spec說(shuō)明。

三個(gè)傳輸階段的過(guò)渡過(guò)程如下圖所示：

(1) 左一是control period， 分別占用三個(gè)channel的D[1:0]，channel 0傳輸HSYNC, VSYNC, channel1,2 傳輸Preamble
(2) 左二是data island period，分別占用了三個(gè)channel的D[3:0]，channel 0的D[1:0]傳輸HSYNC, VSYNC， channel0的D[3:2]傳輸packet header, channel 1,2的D[3:0]傳輸packet。并且兩端以guard band隔離
(3)右二接下來(lái)又是control period
(4)右一是 video data island, 占用了全部三個(gè)通道，并且開(kāi)始以guard band 隔離

4 Video

支持三種pixel encoding：RGB4:4:4, YCbCr4:4:4, YCbCr4:2:2
video format除了CEA-861-D中格式外，還會(huì)支持一些較特殊的格式
color depth可支持一個(gè)像素24, 30, 36和48bits
下面分別是24bit/pixel的RGB444, YCbCr422, YCbCr444的pixel encoding示意圖。RGB444每個(gè)顏色占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次傳輸完成，每次1個(gè)fragment。

5 Audio
Audio數(shù)據(jù)以Audio Sample Packet或High Bitrate Audio Stream Packet的形式傳輸，但是HDMI沒(méi)有傳輸audio clock，因此sink設(shè)備需要進(jìn)行audio clock regeneration。原理如下：

128?fs=N×fTMDS/CTS
N和CTS會(huì)在Audio Clock Regeneration Packet中進(jìn)行傳輸，TMDS clock可通過(guò)硬件獲取，因此sink端可算出source傳輸?shù)腶udio clock。

6 Control

InfoFrame

Infoframe以Infoframe packet的形式傳輸，它的大小不超過(guò)30字節(jié)加上一個(gè)checksum字節(jié)。具體infoframe的格式及內(nèi)容需要查看spec。
AVI(Auxiliary Video Information) Infoframe
Audio Infoframe
HDMI Vendor Specific Infoframe, 傳輸4kx2k或3D格式時(shí)需要發(fā)送此packet

EDID & DDC

sink設(shè)備在ROM中存放EDID信息，source在收到HPD后會(huì)通過(guò)DDC通道讀取EDID得到顯示設(shè)備的屬性。EDID包含兩部分，前128字節(jié)符合EDID1.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，128字節(jié)的擴(kuò)展EDID，符合CEA extension verison3。CEA extension verison3如下圖所示。

HDMI VSDB

HDMI sink設(shè)備在第一個(gè)擴(kuò)展EDID中包含HDMI VSDB，source在讀取EDID后會(huì)根據(jù)是否有此block來(lái)判斷設(shè)備是HDMI還是DVI。

Hotplug

source會(huì)監(jiān)測(cè)HPD pin的狀態(tài)，當(dāng)source和sink連接后，如果HPD為高電平，說(shuō)明sink設(shè)備正?？梢怨ぷ鳎瑂ource可通過(guò)DDC讀取EDID，如果為低電平，說(shuō)明sink已斷開(kāi)。
sink可通過(guò)拉低HPD超過(guò)100ms來(lái)向source表明EDID發(fā)生了變化，此時(shí)source會(huì)重新讀取EDID。

HDCP

涉及內(nèi)容較多，會(huì)在單獨(dú)章節(jié)中講解。

編輯：hfy