一文解析HDMI spec傳輸協議

一文解析HDMI spec傳輸協議

flaoter 發表於 2021-01-03 09:24:00

本文從軟體工程師角度對HDMI spec進行解析，基於的spec版本為1.4，也是設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幾家公司共同發布的一款音視頻傳輸協議，主要用於DVD, 機頂盒等音視頻source到TV，顯示器等sink設備的傳輸。傳輸基於的是TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)協議。此外，使用TMDS也是DVI標準的主要特點 。

2 物理結構

上圖是HDMI block結構圖，可以看出HDMI用於audiovisual source和sink之間的連接，HDMI cable由3組差分信號傳輸TMDS數據，1組差分信號傳輸clock。此外，HDMI還有一個DDC的通道連接到sink的EDID。CEC和HEAC都是HDMI的可選協議。

HDMI定義了五種類型的connector，上圖是最常見的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，一種消費電子兼容的傳輸協議；
14是保留引腳；
15,16是DDC的引腳，DDC是基於I2C協議傳輸，故引腳為SCL和SDA；
17是接地；
18是+5V power；
19是HPD引腳，用於建立連接。

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的運行頻率是video信號的pixel頻率，在每個cycle，每個TMDS data通道發送10bit數據。

上圖是HDMI傳輸的示意圖，從圖中可知，HDMI傳輸如下四種類型數據：
（1）Preamble控制信息，圖中的CTLx，可用來表示後面傳輸的是data island還是video data。通過channel1和2的D[1:0]傳輸，佔用4bit。
（2）Data Island，即數據包，如Audio數據包。通過3個channel的D[3:0]傳輸，佔用12bit。
（3）Video Data，視頻數據。示意圖中傳輸的是RGB格式圖像，R,G,B分別通過channel2,1,0傳輸，每個顏色8bit，共24bit。
（4）HSYNC, VSYNC。使用channel0的D[1:0]傳輸，佔用2bit。
8bit的數據在source經過TMDS encoder後得到10bit數據，經過serializer後串行輸出；在sink端先進行復原成10bit的數據，再通過TMDS decoder得到8bit的源數據。
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數據進行傳輸；
在data island period，audio和auxiliary數據以包的形式進行傳輸；
在control period，CTLx和HSYNC, SYNC進行傳輸。
data island period和control period都是在消隱區進行。圖中行消隱佔用138像素，場消隱佔45行。

上圖中是對時序圖中描述的三種period分別傳輸的數據和編碼類型進行說明。video數據從8bit/channel encode後變為10bit/channel, data island的packet數據從4bit/channel encode後為10bit/channel, control數據從2bit/channel encode為10bit/channel。

Control Period

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

Video Data Period

video data period以2個字符（pixel）長度的leading gurad band開始，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數據和輔助數據，輔助數據包括Infoframe和其他用於音視頻信息描述的數據。data island period以2個字符長度的leading guard band開始，並以2個字符寬度的trailing guard band 結束。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傳輸的packet類型和格式詳見spec說明。

三個傳輸階段的過渡過程如下圖所示：

(1) 左一是control period， 分別佔用三個channel的D[1:0]，channel 0傳輸HSYNC, VSYNC, channel1,2 傳輸Preamble
(2) 左二是data island period，分別佔用了三個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。並且兩端以guard band隔離
(3)右二接下來又是control period
(4)右一是 video data island, 佔用了全部三個通道，並且開始以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，還會支持一些較特殊的格式
color depth可支持一個像素24, 30, 36和48bits
下面分別是24bit/pixel的RGB444, YCbCr422, YCbCr444的pixel encoding示意圖。RGB444每個顏色佔8bit， YCbCr422中Y佔12bit，C佔12bit，YCbCr444中Y,Cb,Cr都佔用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fragment。

5 Audio
Audio數據以Audio Sample Packet或High Bitrate Audio Stream Packet的形式傳輸，但是HDMI沒有傳輸audio clock，因此sink設備需要進行audio clock regeneration。原理如下：

128∗fs=N×fTMDS/CTS
N和CTS會在Audio Clock Regeneration Packet中進行傳輸，TMDS clock可通過硬體獲取，因此sink端可算出source傳輸的audio clock。

6 Control

InfoFrame

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

EDID & DDC

sink設備在ROM中存放EDID信息，source在收到HPD後會通過DDC通道讀取EDID得到顯示設備的屬性。EDID包含兩部分，前128位元組符合EDID1.3數據結構，128位元組的擴展EDID，符合CEA extension verison3。CEA extension verison3如下圖所示。

HDMI VSDB

HDMI sink設備在第一個擴展EDID中包含HDMI VSDB，source在讀取EDID後會根據是否有此block來判斷設備是HDMI還是DVI。

Hotplug

source會監測HPD pin的狀態，當source和sink連接後，如果HPD為高電平，說明sink設備正常可以工作，source可通過DDC讀取EDID，如果為低電平，說明sink已斷開。
sink可通過拉低HPD超過100ms來向source表明EDID發生了變化，此時source會重新讀取EDID。

HDCP

涉及內容較多，會在單獨章節中講解。

編輯：hfy

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴