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適用于板卡型號(hào)：

PGL22G/PGL12G

1. 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

HDMI做為視頻輸出輸入接口已經(jīng)廣泛使用很長(zhǎng)時(shí)間，主要通過TMDS差分編碼傳輸。本實(shí)驗(yàn)通過在HDMI屏幕上顯示彩條，來練習(xí)視頻的時(shí)序和視頻顏色的表示，為后面視頻處理實(shí)驗(yàn)做個(gè)基礎(chǔ)。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 硬件介紹

開發(fā)板使用4對(duì)TMDS差分顯示, 其中一對(duì)是時(shí)鐘，其他三對(duì)是數(shù)據(jù)。

HDMI采用和DVI相同的傳輸原理——TMDS（Transition Minimized Differential signal），最小化傳輸差分信號(hào)。

TMDS傳輸系統(tǒng)分為分為兩個(gè)部分：發(fā)送端和接收端。TMDS發(fā)送端收到HDMI接口傳來的表示RGB信號(hào)的24位并行數(shù)據(jù)（TMDS對(duì)每個(gè)像素的RGB三原色分別按8bit編碼，即R信號(hào)有8位，G信號(hào)有8位，B信號(hào)有8位），然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和并/串轉(zhuǎn)換，再將表示3個(gè)RGB信號(hào)的數(shù)據(jù)分別分配到獨(dú)立的傳輸通道發(fā)送出去。接收端接收來自發(fā)送端的串行信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解碼和串/并轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到顯示器的控制端。與此同時(shí)也接收時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步。

TMDS的原理

每一個(gè)TMDS鏈路都包括3個(gè)傳輸RGB信號(hào)的數(shù)據(jù)通道和1個(gè)傳輸時(shí)鐘信號(hào)的通道。每一個(gè)數(shù)據(jù)通道都通過編碼算法，將8位的視、音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成最小化傳輸、直流平衡的10位數(shù)據(jù)。這使得數(shù)據(jù)的傳輸和恢復(fù)更加可靠。最小化傳輸差分信號(hào)是通過異或及異或非等邏輯算法將原始8位信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位，前8為數(shù)據(jù)由原始信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后獲得，第9位指示運(yùn)算的方式，第10位用來對(duì)應(yīng)直流平衡。

一般來說，HDMI傳輸?shù)木幋a格式中要包含視頻數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包中包含音頻數(shù)據(jù)和附加信息數(shù)據(jù)，例如糾錯(cuò)碼等）。TMDS每個(gè)通道在傳輸時(shí)要包含一個(gè)2bit的控制數(shù)據(jù)、8bit的視頻數(shù)據(jù)或者4bit的數(shù)據(jù)包即可。在HDMI信息傳輸過程中，可以分為三個(gè)階段：視頻數(shù)據(jù)傳輸周期、控制數(shù)據(jù)傳輸周期和數(shù)據(jù)島傳輸周期，分別對(duì)應(yīng)上述的三種數(shù)據(jù)類型。

下面介紹TMDS中采用的技術(shù)：

1.傳輸最小化

8位數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和直流平衡得到10位最小化數(shù)據(jù)，這仿佛增加了冗余位，對(duì)傳輸鏈路的帶寬要求更高，但事實(shí)上，通過這種算法得到的10位數(shù)據(jù)在更長(zhǎng)的同軸電纜中傳輸?shù)目煽啃栽鰪?qiáng)了。下圖是一個(gè)例子，說明對(duì)一個(gè)8位的并行RED數(shù)據(jù)編碼、并/串轉(zhuǎn)換。

第一步：將8位并行RED數(shù)據(jù)發(fā)送到TMDS發(fā)送端。

第二步：并/串轉(zhuǎn)換.

第三步：進(jìn)行最小化傳輸處理，加上第9位，即編碼過程。第9位數(shù)據(jù)稱為編碼位。

2.直流平衡

直流平衡（DC-balanced）就是指在編碼過程中保證信道中直流偏移為零。方法是在原來的9位數(shù)據(jù)的后面加上第10位數(shù)據(jù)，這樣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)趨于直流平衡，使信號(hào)對(duì)傳輸線的電磁干擾減少，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.差分信號(hào)

TMDS差分傳動(dòng)技術(shù)是一種利用2個(gè)引腳間電壓差來傳送信號(hào)的技術(shù)。傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)值（“0”或者“1”）由兩腳間電壓正負(fù)極性和大小決定。即，采用2根線來傳輸信號(hào)，一根線上傳輸原來的信號(hào)，另一根線上傳輸與原來信號(hào)相反的信號(hào)。這樣接收端就可以通過讓一根線上的信號(hào)減去另一根線上的信號(hào)的方式來屏蔽電磁干擾，從而得到正確的信號(hào)。

如下圖所示：

另外，還有一個(gè)顯示數(shù)據(jù)通道（DDC），是用于讀取表示接收端顯示器的清晰度等顯示能力的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的信號(hào)線。搭載HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection，高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)）的發(fā)送、接收設(shè)備之間也利用DDC線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。

HDMI輸出部分電路

2.2 視頻時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)

HDMI顯示器掃描方式從屏幕左上角一點(diǎn)開始，從左向右逐點(diǎn)掃描，每掃描完一行,電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步；當(dāng)掃描完所有的行，形成一幀，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并使掃描回到屏幕左上方，同時(shí)進(jìn)行場(chǎng)消隱，開始下一幀。

完成一行掃描的時(shí)間稱為水平掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描的時(shí)間稱為垂直掃描時(shí)間，其倒數(shù)稱為場(chǎng)頻率，即刷新一屏的頻率，常見的有60Hz，75Hz等等。標(biāo)準(zhǔn)的顯示的場(chǎng)頻60Hz。

時(shí)鐘頻率：以[email protected](60Hz)為例，每場(chǎng)對(duì)應(yīng)806個(gè)行周期,其中768為顯示行。每顯示行包括1344點(diǎn)時(shí)鐘,其中1024點(diǎn)為有效顯示區(qū)。由此可知：需要點(diǎn)時(shí)鐘頻率：806*1344*60約65MHz。

視頻時(shí)序

VGA掃描，基本元素是行掃描，多行組成一幀，下圖顯示一行的時(shí)序，其中“Active”Video是一行視頻的有效像素，大部分分辨率時(shí)鐘中Top/Left Border 和 Bottom / Right Border都是0?！癇lanking”是一行的同步時(shí)間，“Blanking”時(shí)間加上Active”Video時(shí)間就是一行的時(shí)間?！癇lanking”又分為“Front Porch”、“Sync”、“Back Porch”三段。

行同步時(shí)序

常見分辨率時(shí)序

640x480@60Hz時(shí)序參數(shù)

800x600@60Hz時(shí)序參數(shù)

1024x768@60Hz時(shí)序參數(shù)

1280x720@60Hz時(shí)序參數(shù)

1280x800@60Hz時(shí)序參數(shù)

1280x960@60Hz時(shí)序參數(shù)

1280x1024@60Hz時(shí)序參數(shù)

1920x1080@60Hz時(shí)序參數(shù)

3. HDMI輸出程序設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)將實(shí)現(xiàn)HDMI輸出顯示，verilog實(shí)現(xiàn)編程驅(qū)動(dòng)HDMI輸出，在HDMI顯示器里顯示測(cè)試圖像彩條。HDMI輸出顯示模塊分成3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，分別是時(shí)鐘模塊vidio_pll, 彩條生成模塊color_bar和VGA轉(zhuǎn)DVI模塊dvi_encoder。實(shí)現(xiàn)的邏輯框圖如下：

1. 彩條產(chǎn)生模塊color_bar.v

color_bar.v是產(chǎn)生8種顏色的VGA格式的彩條，彩條分別為白、黃、青、綠、紫、紅、藍(lán)和黑。針對(duì)VGA的時(shí)序，行同步和場(chǎng)同步各使用一個(gè)計(jì)數(shù)器，行同步計(jì)數(shù)器用于產(chǎn)生行同步，行有效像素，場(chǎng)同步計(jì)數(shù)器用于產(chǎn)生場(chǎng)同步，場(chǎng)有效像素。同時(shí)根據(jù)計(jì)數(shù)器的值可以產(chǎn)生水平（X）和垂直（Y）坐標(biāo)，通過坐標(biāo)信息，可以實(shí)時(shí)顯示一些圖形。程序中預(yù)設(shè)了幾種分辨率的時(shí)序參數(shù)，包括2款LCD液晶屏的，為后續(xù)的LCD驗(yàn)證試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2. VGA轉(zhuǎn)DVI模塊dvi_encoder

dvi_encoder模塊中包含兩個(gè)模塊encode和serdes_4b_10to1模塊，實(shí)現(xiàn)RGB格式的圖像轉(zhuǎn)化成TMDS差分輸出，來驅(qū)動(dòng)HDMI顯示。

1). encode: 紅，綠，藍(lán)的8位視頻數(shù)據(jù)及時(shí)鐘編碼成10位的TMDS視頻數(shù)據(jù)。關(guān)于編碼的原因和方法我們已經(jīng)在前面介紹過，具體如何實(shí)現(xiàn)，有興趣的同學(xué)可以參考文檔"08_其它學(xué)習(xí)資料\TMDS視頻數(shù)據(jù)編碼.doc"

2). serdes_4b_10to1:方法是通過兩個(gè)OSERDESE2的串聯(lián)把10比特的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行發(fā)送出去。

4. HMDI輸出試驗(yàn)現(xiàn)象

連接好開發(fā)板和顯示器，需要注意，開發(fā)板的各個(gè)連接器不要帶電熱插拔，下載好試驗(yàn)程序，可以看到顯示器顯示8條彩條。開發(fā)板做為HDMI輸出設(shè)備，只能通過HDMI顯示設(shè)備來顯示，不要試圖通過筆記本電腦的HDMI接口來顯示，因?yàn)楣P記本的HDMI接口也是輸出設(shè)備。

HDMI顯示器連接

彩條顯示

在用開發(fā)板做4.3寸LCD、7寸LCD屏顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，LCD模塊接開發(fā)板的J8擴(kuò)展口，注意管腳不要接錯(cuò)。

如下圖所示：

開發(fā)板與LCD屏連接