HDMI简介

[1 HDMI引脚](#1 HDMI引脚)
TMDS传输原理
- 电路结构
[2 传输流程](#2 传输流程)
[3 传输周期](#3 传输周期)
[4 Data Island Packet结构](#4 Data Island Packet结构)
[5 Audio Clock](#5 Audio Clock)
[6 HotPlug](#6 HotPlug)
[7 HDMI Sink](#7 HDMI Sink)
[8 Timing Detect](#8 Timing Detect)
[9 HDMI版权内容保护HDCP](#9 HDMI版权内容保护HDCP)
[10 HDMI Sink总流程](#10 HDMI Sink总流程)
[11 HDMI的时钟与带宽](#11 HDMI的时钟与带宽)
- [11.1 像素时钟](#11.1 像素时钟)
- [11.2 理论带宽](#11.2 理论带宽)
- [11.3 TMDS时钟](#11.3 TMDS时钟)
[12 EDID](#12 EDID)

1 HDMI引脚

HDMI有A\B\C\D\E五种引脚类型

目前市面上比较常见的是Type A

TMDS Data0/1/2（1-9脚）:共3对为数据传输实际上用到的脚，用TMDS编码格式
TMDS Clock(10-12脚):共1对TMDS时钟线，为TMDS时钟信号
CEC(13脚):HDMI的CEC通道引脚，可以通过CEC信号控制HDMI接口上所连的设备。（类似一种扩展的HDMI功能，供厂家自己定制HDMI消息，（比如说你有一台sony的DVD与TV，两者用HDMI线接上，如果你用TV的遥控器可以控制DVD，另DVD执行某种功能，那么该功能的命令信号就是通过TV与DVD间的CEC引脚传输的）
14脚为保留引脚，未使用（也可以为CEC多提供一个脚）
IIC(15-16脚)：用于DDC(Display Data Channel,主要用于EDID与HDCP的传输)传输。在HDMI流程中，DDC通信几乎是最先做的（此前有Hotplug）,因为HDMI的主从设备需要通过DDC来获得对方设备的EDID，从而获得各种信息，并且通过比较timing以确定之后送出的timing为最合适的。
17脚为接地引脚
18脚为5v的AC引脚
19为Hotplug（热插拔）引脚：用于检测HDMI设备有没有存在，如果存在（Hotplug为High）那么可以通过DDC去读EDID），HDMI有规定在HDMI 5vAC断电时source device可以读reciever device的EDID，也就是需要Hotplug为High。其中有两种Hotplug相关的情况会导致HDMI被识别为DVI：
- Hotplug为High，不过EDID并没有准备好，那么信号源设备会由于无法读到EDID而认为接收设备为DVI，这样会导致HDMI有图像无声的问题。
- Hotplug为Low，也会导致信号源无法读到EDID而认为接收设备为DVI，从而导致HDMI有图无声。
- 在TV这种有多个HDMI通道的情况下，有时会在多个HDMI通道进行切换，切换后HDMI通道应当先初始化，即先把Hotplug拉低，通知HDMI source device之前所用的EDID已经改变，需要重新读取，那么source device在Hotplug被拉高的时候会去读取新的EDID，但是拉低这个过程至少需要100ms，否则source device有可能不会去读取新的EDID，从而输出DVI信号。

TMDS传输原理

电路结构

TMDS 通过差分信号传输数据，其电路由发射端（Transmitter）和接收端（Receiver）组成，关键设计如下：

发射端
- 恒流源：10mA 恒流源驱动差分对（D+和D-）。
- 开关控制：通过导通/断开切换电流路径，改变差分电压极性。
接收端
- 上拉电阻：两个 50Ω 电阻（RT）将差分信号上拉到 3.3V（AVcc）。
- 高阻抗输入 ：接收端输入阻抗极高，电流几乎全部流经 RT。

2 传输流程

HDMI TMDS传输的数据类型有三种（加上Hsync与Vsync就算4种）：

Preamble（控制信息），主要用于控制接下来传输的数据是Data Island或者Video Data
Data Island（数据包），各种类型的包信息，包括音频数据包，图像信息包等
Video Data （视频信息），视频像素数据，HDMI可以传输RGB与YUV两种格式的像素数据
还有Hsync与Vsync

TMDS一个通道由2根差分线来传输信号，信号的"0"和"1"由两根线的电压差来决定：

TMDS差分线+为高电平 TMDS差分线-为低电平 => 1
TMDS差分线+为低电平 TMDS差分线-为高电平 => 0

HDMI的数据传输有TMDS0、TMDS1、TMDS2三个通道，每个通道的传输流程都是一样的。

如果是8bit的数据进入TMDS编码器，得到抗干扰性强的10bit TMDS信号，然后再进行串行化输出；在接收端收到串行的HDMI信号后，进行信号复原，得到10bit的TMDS信号，最后用TMDS解码器解码得到原来的8bit数据。

总体传输流程如下：

1、如果传输的是Video Data,并且格式为RGB，那么会占用三个通道的所有24bit输入,Channel0[7:0]用于传输B分量，Channel1[7:0]用于传输G分量，Channel2[7:0]用于传输R分量。

2、如果传输的是Data Island，则占用三个通道共10bit输入，Channel0[3:0]用于传输Data Island Header（包头），Channel1[0:3]与Channel2[0:3]用于传输Data Island Content（包内数据）。

3、如果是Preamble传输，则占用1，2两个通道共4bit输入，Channel1[1:0]与Channel2[1:0]分别为CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用于判断接下来输入的是Video Data或者Data Island

对于Hsync与VSync，会占用Channel0通道的两个bit输入，Channel0[0]为Hsync，Channel0[1]为Vsync

3 传输周期

HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期

Control Period：（控制信号传输阶段）期间会传输Hsync，Vsync，并且在该时期的最后阶段会传输Preamble。
Data Island Period：（音频和额外数据传输阶段）期间会传输Data Island（数据包），也会有Hsync与Vsync。对应D[3:0]会将4bit的数据串行化为10bit发出。
Video Data Period：（视频数据传输阶段）期间会传输Video Data（视频像素数据）。此阶段传输实际的图像数据。对应D[7:0],会将8bit的数据编码并串行化为10bit发出

三个传输周期过渡如下：

1、左边是Control Period，传输有Hsync，Vsync与Preamble

2、中间是Data Island Period，传输有Hsync，Vsync，以及两个Packet Header与Packet（每32个clock 一个packet）；另外Data Island的两端会用Guard Band保护并隔开Data Island的数据，因为这个阶段传输的数据大多是非常重要的，比如其中就有图像分辨率，决定后面的Video Data数据的显示方式

3、右边是Video Data Island，传输视频像素数据，在该时期的开头也有Guard Band

4 Data Island Packet结构

所有Data Island Packet都以32个时钟脉冲为一个周期，也就是说每32 clk传输一个包。

以上图为例，

包头部是BCH block 4，由Channel0[2]传输，32clk表示有32bit，则为4byte，前三个byte为包头，最后一byte为校验码
包体为BCH block 0,1,2,3，分别由Channel1，Channel2共8根线传输，共有24byte与6byte的校验码
Parity Bits校验码是用于检验HDMI Cable传输过程中是否发生了错误，如果该Packet在HDMI接收端校验错误，如果只有一个bit的错误，那么可以修正，超过1bit的错误会被判别为无效Packet（由于HDMI是一直在发送数据因此无法重发错误Packet？）

所以说，在接收端，在解完包之后，需要取出各个BCH block的Parity bit，进行Calibration（校验）

Packet类型各种各样，详细请看HDMI Spec

5 Audio Clock

Audio的采样率有44100,48000，192000等，是各种各样，在HDMI传输时，Audio是PCM级（无压缩）传输，把PCM数据打散到各个包内，为了得到每个音频帧的数据，也需要知道Audio的采样率。HDMI中规定Audio的传输方式：

Audio采样率fs重建依靠的主要参数为：

TMDS Clock
CTS
N

在发送设备这端，已知参数有采样率fs，视频时钟Video Clock(TMDS clock)，以及预先设定好的参数N，求CTS:

在接收设备这端，TMDS clock通过硬件设备可以得到，N与CTS通过Audio Packet传输过来，求fs:

在接收端为了保持fs的稳定与精确，需要进行锁相，即用VCO（Voltage-controlled oscillator压控振荡器，通过电压控制产生的频率）产生合适的频率，然后用PFD（Phase Frequency Detector）来锁频

6 HotPlug

HotPlug即热拔插，当接上接口时就可以判定设备是否存在，以进行后续工作。

HDMI source device（HDMI HPD）会监测sink device的Hotplug端口，如果Hotplug为High，则证明设备可以工作，然后去读取DCC，如果为low，则证明设备已断开。

HDMI sink device应该通过把Hotplug拉低，来通知source device EDID已经被改变，那么source device在Hotplug被拉高后，就会重新来读取新的EDID，拉低这段时间应该多于100ms。

HDMI规定，HDMI 的5v引脚通电时，可以通过DCC去读取EDID，即需要保证Hotplug为high。

7 HDMI Sink

例如像TV这种就是HDMI的接收端，那么HDMI接收端需要做些什么东西。

HDMI可以接收到的有三个通道的TMDS Data，TMDS Clock，可以设置Hotplug，还有DCC传输用的I2C引脚。上面已经讲了TMDS Data，与设置Hotplug，接下来分析TMDS Clock。

TMDS Clock 就是Pixel Clock，即一个像素点所用的时钟频率。TMDS Clock通过clk 引脚传输到接收端，但是接收端并不清楚发送端发过来的TMDS Clock 频率为多少，因此需要通过Phy（PHY是模拟数字转换部分，不同于ADC，PHY是不知道采样频率的，需要自己锁频、锁相，侦测确切的输入频率）来进行锁相得到。但是由于HDMI频宽太宽（480P@60Hz为25.2MHz，1080P@60Hz为162MHz，甚至还有高达340MHz的），一般VCO（压控振荡器，通过电压控制产生的频率）无法覆盖这么大的范围，因此需要分频带来设置Phy：

先侦测输入频率落在哪个频带，然后根据不同频带做不同设置。

8 Timing Detect

在Sink端还有需要进行Timming Detect，因为如果设备可以支持（如chroma），HDMI可以自由更换Timming，而当Timming更换了之后，Sink需要重新设定Phy。因此，通过侦测频率的改变来检测是否更换了Timing是必要的。一般会有一个中断服务（或循环）线程来侦测频率的改变，一旦频率改变后，该进程会通知重新设定Phy，保证HDMI的正确运行

9 HDMI版权内容保护HDCP

HDCP通过DDC传输

HDCP主要用于版权视频的保护，举例来说，如果有一台蓝光DVD播放机可以播放blueray DVD，并且该DVD已经获得HDCP授权，你现在想把该DVD影像输出到某台TV，但是该TV没有获得HDCP授权，那么该TV可能就没法播放影像，或者播放质量下降，如出现雪花，图像从1080p变为480p，或者没有声音，都有可能。

HDCP是靠两个设备的交互进行HDCP授权认证的，认证流程如下

Transmitter会发送一个key An（64bit）与Aksv（key selection vector 40bit）给Receiver
Receiver接收到An后，也会发送一个Bksv以及REPEATER（表明B设备是否为Repeater设备）给Transmitter
Transmitter开始HDCP认证码算法:

要理解算法，首先我们需要知道ksv是用来干嘛的
1. 在每个HDMI设备内部，都会保存40组64bit的key，key[40]
2. 40bit的kvs，每一个bit都是一个索引，当kvs的某一位n为1时，会把key[n]取出来，
3. 把所有的key[n]相加，得到km，
Receiver也会做HDCP认证码算法这个步骤得到km'
Transmitter与Receiver都会用km\km'去做hdcpBlkCipher，得到一个值R0与R0'
100ms后Receiver把R0'发送到Transmitter与R0做比较，相等则认为认证完毕。当然km = km'才能保证R0 = R0'。
此后的每一帧，Transmitter与Receiver都会运行一次hdcpBlockCipher，不过参数为上次生成的Ks与M，生成的新参数为Ks,M,T

在第128帧的时候，另R = T
在间隔第一次通信的2s后，再次进行认证
后续都采用7,8,9这三个步骤进行迭代认证

此外HDMI自1.1后还支持一个更快速与频繁的认证方式，就是上方设备通信图的下半部分

在每第16的倍数帧，用T与当前帧的Channel0的0像素做异或得到Pj
Channel0的0像素到达Sink后，也与Sink的T`做异或得到P`j
Sink把P'j发送到Source，与Pj做比较，相同则通过认证

了解HDCP对于处理HDMI的异常现象很有帮助，比如说如果时而出现雪花，有可能是信号不好导致Channel0的0像素出错，从而第二阶段的认证有时会不成功...

10 HDMI Sink总流程

提取与分割10bit的TMDS串行数据
10bit的数据，通过不同线路进来的，判断是哪种类型的：DE，Data Island，RGB，Hs，Vs，Ctrl
TMDS解码
HDCP解码，同时Hs，Vs，DE做delay
RGB与DE，Hs，Vs...
BCH解码得到Packet，错误验证
Packet含义解析
如果是信息，则存到内存
如果是Audio Data，生成采样频率
Audio输出

11 HDMI的时钟与带宽

11.1 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。

11.2 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：1920 × 1080 × 120 × 24 = 5971968000 ≈ 6.0Gbps

4096x2304@60Hz：4096 × 2304 × 60 x 24 = 13589544960 ≈ 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。

11.3 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。

12 EDID

HDMI 屏幕初始化的时候主控会读取屏幕的 EDID 信息，EDID 信息存放在显示器里面，主控通过 DDC 接口，也就是 IIC 接口来读取显示里面的 EDID 信息。EDID 信息包含了显示器特性、特点、分辨率、厂商、序列号、显示器的时序信息等。

现在的显示器发展非常快，显示器种类越来越多，不同尺寸、不同分辨率，甚至有些显示器还支持其他功能，比如 HDR 等。不同的显示器其分辨率和时序都不同，这个时候如果主控输出一个固定的分辨率和时序参数，这样的话会导致无法达到最佳显示效果，更严重的可能会损坏显示器。最好是显示器能主动告诉主控，它所支持的分辨率以及相应的时序参数，主控然后针对不同的显示器设置最佳的驱动参数。而这个就是 EDID 的功能，主动告诉主控显示器的参数信息，主控就可以使用最佳的参数驱动屏幕。

EDID 也发展迭代了很多版本，EDID 1.0~1.3 都是 128 个字节。后面提出了 EDID 1.4 和 E-EDID(增强型 EDID)，将长度增加到 256 字节，不管哪个版本的 EDID，其前 128 字节内容是一样的。在 HDMI 显示器热插拔的时候会通过 DDC 通道读取显示器的 EDID 数据，其中前 128个字节必须符合 1.3 版本的 EDID，后 128 个字节必须符合 CEA-861 规定的结构。

EDID 前 128 个字节的含义如表所示：

以下链接是一个可以在线解析EDID的网站。
Web Based EDID Reader