HDMI原理详解以及时序流程（视频是三对差分信号，音频Audio是PCM级（无压缩）传输，包含在数据包内，依靠协议规定采样）HDMI可以传输RGB与YUV两种格式

资料来源：HDMI介绍与流程 - TaigaComplex - 博客园

最近要用ZYNQ开发版的HDMI做显示，看着硬件管脚和例程只能发呆，于是决心去弄清楚HDMI的工作原理，查找了很多资料，都是碎片化的，不易懂。于是我加以整理，再以初学者（没有接触过任何视频传输接口）的角度在这篇博客里阐述。

       对于初学者先了解VGA，再来看HDMI会更容易理解，有关VGA原理在我的上一篇博客中有详细说明。

HDMI，全称为（High Definition Multimedia Interface）高清多媒体接口，主要用于传输高清音视频信号。

HDMI引脚：

HDMI有A,B,C,D,E五种引脚类型，目前市面中比较常见的就是Type A：

其中

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）：

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。

TMDS部分

       一般来说，HDMI传输癿编码格式中要包括视频数据、控制数据和数据包（数据包中包括音频数据和附加信息数据，例如纠错码等）。TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据戒者4bit的数据包即可。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，分别对应上述的三种数据类型。 下面介绍TMDS中采用的技术：

1.传输最小化

以单个通道的8位数据为例，8位数据经过编码和直流平衡得到10位最小化数据，这仿佛增加了冗余位，对传输链路的带宽要求更高，但事实上，通过这种算法得到的10位数据在更长的同轴电缆中传输的可靠性增强了。下图是一个例子，说明对一个8位癿并行RED数据编码、并/串转换。

       第一步：将8位并行RED数据传送到TMDS发送端。

       第二步：并/串转换.

       第三步：进行最小化传输处理，加上第9位，即编码过程。第9位数据称为编 码位。

2.直流平衡

       直流平衡（DC-balanced）就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零。方法是在原本的9位数据的后面加上第10位数据，返样，传输的数据趋于直流平衡，使信号对传输线的电磁干扰减少，提高信号传输的可靠性。

3.差分信号

       TMDS差分传输技术是一种刟用2个引脚间电压差来传送信号癿技术。传输数据的数值（“0”或者“1”）由两脚间电压正负极性和大小决定。即，采用2根线来传输信号，一根线上传输原来的信号，另一根线上传输与原来信号相反的信号。这样接收端就可以通过让一根线上的信号减去另一根线上的信号的方式来屏蔽电磁干扰，从而得到正确的信号。 如下图所示：

总体传输流程如下：

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

传输周期

HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期：

某帧的总体周期如下：

三个传输周期的过渡如下：

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，

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

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：

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:

CTS=N∗f TMDS 128×f x   CTS=N∗fTMDS128×fx CTS = \frac{N *f_{TMDS}}{128\times{f_x}}

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:

128∗f s =N×f TMDS CTS  128∗fs=N×fTMDSCTS 128*f_s = \frac{N\times{f_{TMDS}}}{CTS}

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

f vco =f a128 ×S×S 2  fvco=fa128×S×S2 f_{vco} = {f_{a128}}\times{S}\times{S_2}

由于f a128  fa128 f_{a128} 只有那么几种（44.1k，48k等），所以比较容易得到S S S 与S 2  S2 S_2

f vco M =f x K  fvcoM=fxK \frac{f_{vco}}{M} = \frac{f_x}{K}

f a128 =f vco S×S 2   fa128=fvcoS×S2 f_{a128} = \frac{f_{vco}}{{S}\times{S_2}}

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，有些Hotplug是直接接到5V上的（如下）。

Hotplug接法：（HDMI HPD(Hotplug detect ?)检测sink的Hotplug端）

上面用5V引脚进行供电，并接上Hotplug，这样做就能保证每次source device接上sink device时，都可以去读取到EDID。但是这样做有一个缺点，当5V电源断开时，会有5v的电压回灌给HDMI HPD与Hotplug，5V电压会冲击Hotplug，一旦Hotplug引脚无法承受5V电压的回灌，会被打穿。

下面有个较好的Hotplug接法：

上面用的是额外的GPIO引脚加上三极管控制HDMI HPD为0还是1，如果HDMI0_HPD_CTL输出0，那么三极管断开，HDMI0_HPD侦测到High，如果HDMI0_HPD_CTL输出1，那么三极管打通，HDMI0_HPD侦测到low。

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。

用TV产生的晶振来数count，数得count后就知道TDMS Clock了

f crystal =count×f TMDS  fcrystal=count×fTMDS f_{crystal} = {count}\times{f_{TMDS}} ？？

或者用1024个TMDS Clock来数晶振个数

1024×f TMDS =count×f crystal  1024×fTMDS=count×fcrystal {1024}\times{f_{TMDS}} = {count}\times{f_{crystal}} ？？

由于视频信号从RGB个8bit通过TMDS编码后变成了10bit，然后又串行化，所以实际用于接收TMDS Data所用的时钟应该为：

f ReceiveClock =10×f TMDS  fReceiveClock=10×fTMDS f_{ReceiveClock} = {10}\times{f_{TMDS}}

另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法，而是采用TMDSClock为参考、硬件锁相的方法来得到。

得到ReceiveClock后就可以去设置频率PLL，然后对三个通道进行采样得到TMDS Data。

Timming 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　

HDMI版权内容保护之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

要理解算法，首先我们需要知道ksv是用来干嘛的

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

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...

HDMI Sink总流程

HDMI详解_LupinLeo的博客-CSDN博客_hdmi

附加：  1、DDC是显示器与电脑主机进行通信的一个总线标准，其全称是：DISPLAY DATA CHNNEL。它的基本功能就是将显示器的电子档案资料信息，诸如可接收行场频范围、生产厂商、生产日期、产品序列号、产品型号、标准显示模式及其参数、所支持的DDC标准类别、EDID的版本信息等等。高版本的DDC标准总线还可以允许电脑主机直接调节显示器的基本参数，诸如亮度、对比度、行场幅度的大小、行场中心位置、色温参数等等。

2、EDID数据标准：EDID(Extended Display Identification Data Standard) 就是显示器通过DDC传输给电脑主机的标准数据信息，至今已发布到第三版本，即EDID Version 3，前面分别有EDID Version 1.0，Revision 0，EDID Version 1，Revision 1，EDID Version 2，Revision 0，EDID Version 2，Revision 1等版本。就数据信息量而分，EDID分为128 BYTE和256 BYTE，将来也许会有更多数据信息量的新版EDID公布。

3、TMDS是最小化传输差分信号的英文缩写。  Silicon Image公司开始采用面板连接、数字可视接口(DVI)和高清多媒体接口(HDMI)的形式向显示行业推广其所有权标准——最小化传输差分信号 (TMDS)。在该情况下，发射端混合了具有在铜导线上降低EMI特性的更高级编码算法，从而使得接收端具有健壮的时钟恢复性能

肯定是有的，因为HDMI输出的视频信号中主要包括  RGB4:4:4 YCbCr 4:4:4（8-16 bits per component）; YCbCr 4:2:2（12 bits per component）; YCbCr 4:2:0（HDMI 2.0）等像素编码模式，其中RGB不用说，直接是RGB啦，其他的几种也都有转换为RGB的方式（其实就是数据转换公式）

所以HDMI是有转换为RGB的方案，其实HDMI接线到LED屏幕显示的过程中一定是经过了这样的转换的。

2002年的4月，日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共7家公司成立了HDMI组织开始制定新的专用于数字视频/音频传输标准。2002年岁末，高清晰数字多媒体接口(High-definition Digital Multimedia Interface)HDMI 1.0标准颁布，到2006底已经颁布了1.3版本，主要变化在于进一步加大带宽，以便传输更高分辨率和色深。HDMI在针脚上和DVI兼容，只是采用了不同的封装。与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持5Gbps的数据传输率，最远可传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s，因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器，接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。

随着液晶显示器屏幕越来越大，以及X-box、Wii、PS等游戏主机的风行、人们开始将原本接驳在电视平台上的娱乐设备转移到液晶显示器上，以追求更高清的画面效果。为了满足用户日益多样的娱乐需求，各个液晶显示器生产厂商，如华硕、三星、LG等开始为显示器配置更加齐全的接口，如拥有27寸巨大屏幕的MT276H液晶显示器已经配置了音频输HDMI接口、D-sub接口、色差&分量输入、入、RCA R+L输入、S/PDIF输出甚至是3.5毫米耳机接口，而这一搭配势必成为未来液晶显示器的标准配置。

编辑 播报

15针D-Sub

也叫VGA接口，CRT彩显因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，最基本的包含R\G\B\H\V（分别为红、绿、蓝、行、场）5个分量，不管以何种类型的接口接入，其信号中至少包含以上这5个分量。大多数PC机显卡最普遍的接口为D-15，即D形三排15针插口，其中有一些是无用的，连接使用的信号线上也是空缺的，但是有完整的接触片。除了这5个必不可少的分量外，最重要的是在96年以后的彩显中还增加入DDC数据分量，用于读取显示器EPROM中记载的有关彩显品牌、型号、生产日期、序列号、指标参数等信息内容，以实现WINDOWS所要求的PnP（即插即用）功能。

DVI

DVI(Digital Visual Interface，数字视频接口)是近年来随着数字化显示设备的发展而发展起来的一种显示接口。普通的模拟RGB接口在显示过程中，首先要在计算机的显卡中经过数字/模拟转换，将数字信号转换为模拟信号传输到显示设备中，而在数字化显示设备中，又要经模拟/数字转换将模拟信号转换成数字信号，然后显示。在经过2次转换后，不可避免地造成了一些信息的丢失，对图像质量也有一定影响。而DVI接口中，计算机直接以数字信号的方式将显示信息传送到显示设备中，避免了2次转换过程，因此从理论上讲，采用DVI接口的显示设备的图像质量要更好。另外DVI接口实现了真正的即插即用和热插拔，免除了在连接过程中需关闭计算机和显示设备的麻烦。很多液晶显示器都采用该接口，CRT显示器使用DVI接口的比例比较少。

DVI全称为Digital Visual Interface，它是1999年由Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成 DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。它是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为基础，基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出显卡PCB上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。

DVI接口分为两种，一个是DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空。不兼容模拟信号。

另外一种则是DVI-I接口，可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟信号并不意味着模拟信号的接口D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。

考虑到兼容性问题，显卡一般会采用DVI-I接口，这样可以通过转换接头连接到普通的VGA接口。而带有DVI接口的显示器一般使用DVI-D接 口，因为这样的显示器一般也带有VGA接口，因此不需要带有模拟信号的DVI-I接口。当然也有少数例外，有些显示器只有DVI-I接口而没有VGA接口。显示设备采用DVI接口具有主要有以下两大优点：

一、速度快

DVI传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减少了数字→模拟→数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使用DVI进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。

二、画面清晰

计算机内部传输的是二进制的数字信号，使用VGA接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过显卡中的D/A（数字/模拟）转换器转变为R、G、 B三原色信号和行、场同步信号，这些信号通过模拟信号线传输到液晶内部还需要相应的A/D（模拟/数字）转换器将模拟信号再一次转变成数字信号才能在液晶上显示出图像来。在上述的D/A、A/D转换和信号传输过程中不可避免会出现信号的损失和受到干扰，导致图像出现失真甚至显示错误，而DVI接口无需进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高。

最后，DVI接口可以支持HDCP协议，为将来看带版权的高清视频打下基础。不过要想让显卡支持HDCP，光有DVI接口是不行的，需要加装专用的芯片，还要交纳不斐的HDCP认证费，因此真正支持HDCP协议的显卡还不多。

HDCP是High-bandwidth Digital Content Protection的缩写，中文可称作“HDCP数字内容保护”。HDCP技术是由好莱坞与半导体界巨人Intel合作发开，它可以实际运用在显卡、 DVD播放机等传输端，以及显示器、电视机、投影机的接收端之间。是高清电影、电视节目的重要反盗版技术，不支持HDCP协议的显示器无法正常播放有版权的高清节目。

DVD之后的高清电影节目采用了HDCP和AACS反盗版技术，蓝光和HD DVD都使用了这种反盗版技术，高清电视（HDTV）也会使用。使用了HDCP和AACS反盗版技术后电影节目只能在支持HDCP的设备上正常播放，否则 只能看到黑屏显示或者低画质显示（清晰度大约只有正常的四分之一），也就便失去了高清的价值。其中AACS是加密技术，同时被用在HD DVD和蓝光光盘当中，保护光盘中的视频内容无法正常复制出来在其它地方播放。

而HDCP协议是用来防止视频内容在传输的过程被完整的复制下来。这种技术并不是让数字讯号无法被不合法的录制下来，而是将数字讯号进行加密，让不合法的 录制方法，无法达到原有的高分辨率画质。例如蓝光影碟机在播放高清碟片时无法同时录下清晰的节目，在计算机上播放碟片时无法清晰的录制显示器上的节目。 HDCP从始到终都保护视频信号，也就是说整套播放系统中每一个环节都必须支持HDCP协议，如果显示器不支持HDCP协议，那么就无法正常播放高清节目，只能看到黑屏或者低画质的节目。要支持HDCP协议，必须使用DVI、HDMI等数字视频接口，传统的VGA等模拟信号接口无法支持HDCP协议。当 使用VGA等模拟信号接口时，画面就会下降成为低画质，或者提示无法播放，从而失去高清的意义，防止了盗版。需要说明的是，HDMI接口内嵌了HDCP协 议，带有HDMI接口的显示器都支持HDCP协议。但是并不是带DVI接口的液晶显示器都支持HDCP协议，必须经过带有相应硬件芯片，通过认证的显示器才行。

在电脑平台上受到HDCP技术保护的数据内容在输出时会由操作系统中的COPP驱动(认证输出保护协议)首先验证显卡，只有合法的显卡才能实现内容输出， 随后要认证显示设备的密钥，只有符合HDCP要求的设备才可以最终显示显卡传送来的内容。HDCP传输过程中，发送端和接受端都存储一个可用密钥集，这些 密钥都是秘密存储，发送端和接受端都根据密钥进行加密解密运算，这样的运算中还要加入一个特别的值KSV(视频加密密钥)。同时HDCP的每个设备会有一个的KSV序列号，发送端和接受端的密码处理单元会核对对方的KSV值，以确保连接是合法的。HDCP的加密过程会对每个像素进行处理，使得画面变得 毫无规律、无法识别，只有确认同步后的发送端和接受端才可能进行逆向处理，完成数据的还原。在解密过程中，HDCP系统会每2秒中进行一次连接确认，同时 每128帧画面进行一次发送端和接受端同步识别码，确保连接的同步。为了应对密钥泄漏的情况，HDCP特别建立了“撤销密钥”机制。每个设备的密钥集 KSV值，HDCP系统会在收到KSV值后在撤销列表中进行比较和查找，列表中的KSV将被认做非法，导致认证过程的失败。这里的撤销密 钥列表将包含在HDCP对应的多媒体数据中并将自动更新。

可见要想在计算机上播放有版权的高清节目，不论是HDTV、蓝光还是HD DVD碟片，都要求显示器和显卡支持HDCP协议。不过厂商要为产品打上HDCP的Logo，则需要支付一定的认证费用，还要增加硬件芯片，显然提高了成 本，只有部分产品通过认证。由于高清节目会逐渐普及，HDCP已成定局，因此支持HDCP协议的设备也会越来越多。

HDMI

英文全称是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。应用HDMI的好处是：只需要一条HDMI线，便可以同时传送影音信号，而不需要多条线材来连接；同时，由于无需进行数/模或者模/数转换，能取得更高的音频和视频传输质量。对消费者而言，HDMI技术不仅能提供清晰的画质，而且由于音频/视频采用同一电缆 ，大大简化了家庭影院系统的安装。HDMI接口支持HDCP协议，为收看有版权的高清视频打下基础。具有良好的产权保护功能。数字化的视频数据很容易遭到未经授权的复制和销售，因此数字传输接口的保护影音内容保护机制对于高品质影音内容的加密显得极为重要。而高宽带数字内容保护（high-bandwidth digital content protection,HDCP）功能，是HDMI都有的，该功能通过验证协议和信任授权来保护传输数据，防止非法复制高清数字数据，因此获得了许多知名厂商的支持。 [3] 

除了以上三种常见的接口外，还有一种ADC接口，是苹果机显示器的专用接口。最大的特点是数据线和电源线做在一起，这样显示器就只需一根线，满足苹果电脑清爽时尚的风格。

棱镜片在背光模组的结构中主要起到提升亮度的效果 [1]  ，背光模组中的水汽无法排出，将会导致上下棱镜片吸附在一起，影响产品质量。通过控制生产过程中的工艺参数，将UV能量控制在510-600mj/cm~2范围内，可以使棱镜片的水滴角要大于72°。UV能量越大，棱镜片的回弹能力越低，导致抗刮性越差 [2]  。