轉自：https://www.cnblogs.com/TaigaCon/p/3840653.html

HDMI，全稱為（High Definition Multimedia Interface）高清多媒體接口，主要用於傳輸高清音視頻信號。

HDMI引腳：

HDMI有A,B,C,D,E五種引腳類型，目前市面中比較常見的就是Type A：

其中

• 1-9 都是TMDS數據傳輸實際上用到的引腳，分為0,1,2三組
• 10-12 為TMDS時鐘信號，如當前Video Timing為[email protected]（Htotal：800，Vtotal:525），則TMDS clock = 800x525x60 = 25.2MHz。TMDS clock就像是對像素的打包，一個clock分別在三個Channel傳輸一個像素的R、G、B（8bit）信號。
• 13 為CEC（consumer electronic control）類似一種擴展的HDMI功能，供廠家自己定制HDMI消息，（比如說你有一臺sony的DVD與TV，兩者用HDMI線接上，如果你用TV的遙控器可以控制DVD，另DVD執行某種功能，那麽該功能的命令信號就是通過TV與DVD間的CEC引腳傳輸的）
• 14 為保留引腳，未使用（或者也可以為CEC提供多一個引腳）
• 15-16 為I2C引腳，用於DDC（Display Data Channel，主要用於EDID與HDCP的傳輸）傳輸，具體可以查看。在HDMI的流程中，DDC通信幾乎是最先做的（前有Hotplug），因為HDMI的主從兩個設備需要通過DDC來獲得他們對方設備的EDID，從而得到各種信息，並且通過比較timming以確定以後送出來的timming為最合適的
• 17 為接地引腳
• 18 為5v的AC引腳
• 19 為Hotplug（熱拔插）引腳（用於監測HDMI設備有沒有存在，如果存在（Hotplug為high）那麽可以通過DDC去讀EDID），HDMI有規定在HDMI 5vAC斷電時source device可以讀reciever device的EDID，也就是需要Hotplug為High。其中有兩種Hotplug相關的情況會導致HDMI被識別為DVI：
  1. Hotplug為High，不過EDID並沒有準備好，那麽信號源設備會由於無法讀到EDID而認為接收設備為DVI，這樣會導致HDMI有圖像無聲的問題。
  2. Hotplug為Low，也會導致信號源無法讀到EDID而認為接收設備為DVI，從而導致HDMI有圖無聲
  3. 在TV這種有多個HDMI通道的情況下，有時會在多個HDMI通道進行切換，切換後HDMI通道應當先初始化，即先把Hotplug拉低，通知HDMI source device之前所用的EDID已經改變，需要重新讀取，那麽source device在Hotplug被拉高的時候會去讀取新的EDID，但是拉低這個過程至少需要100ms，否則source device有可能不會去讀取新的EDID，從而輸出DVI信號

傳輸流程

HDMI TMDS傳輸的數據類型有三種（加上Hsync與Vsync就算4種）：

1. Preamble（控制信息），主要用於控制接下來傳輸的數據是Data Island或者Video Data
2. Data Island（數據包），各種類型的包信息，包括音頻數據包，圖像信息包等
3. Video Data （視頻信息），視頻像素數據，HDMI可以傳輸RGB與YUV兩種格式的像素數據
4. 還有Hsync與Vsync

HDMI的數據傳輸有TMDS0，TMDS1，TMDS2三個通道，每個通道的傳輸流程都是一樣的：

如果是8bit的數據進入TMDS編碼器，得到抗幹擾性強的10bit TMDS信號，然後再進行串行化輸出；在接收端收到串行的HDMI信號後，進行信號復原，得到10bit的TMDS信號，最後用TMDS解碼器解碼得到原來的8bit數據。

總體傳輸流程如下：

1. 如果傳輸的是Video Data，並且格式為RGB，那麽會占用三個通道的所有24bit輸入，Channel0[7:0]用於傳輸B，Channel1[7:0]用於傳輸G，Channel2[7:0]用於傳輸R。
2. 如果傳輸的是Data Island，則占用三個通道共10bit輸入，Channel0[3:2]用於傳輸Data Island Header（包頭），Channel1[0:3]與Channel2[0:3]用於傳輸Data Island Content（包內數據）。
3. 如果傳輸的是Preamble，則占用1，2兩個通道共4bit輸入，Channel1[1:0]與Channel2[1:0]分別為CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用於判斷接下來輸入的是Video Data或者Data Island

對於Hsync與VSync，會占用Channel0通道的兩個bit輸入，Channel0[0]為Hsync，Channel0[1]為Vsync

傳輸周期

HDMI的TMDS數據傳輸可以分為三個傳輸周期：

1. Control Period期間會傳輸Hsync，Vsync，並且在該時期的最後階段會傳輸Preamble
2. Data Island Period期間會傳輸Data Island（數據包），也會有Hsync與Vsync
3. Video Data Period期間會傳輸Video Data（視頻像素數據）

某幀的總體周期如下：

三個傳輸周期的過渡如下：

1. 左邊是Control Period，傳輸有Hsync，Vsync與Preamble
2. 中間是Data Island Period，傳輸有Hsync，Vsync，以及兩個Packet Header與Packet（每32個clock 一個packet）；另外Data Island的兩端會用Guard Band保護並隔開Data Island的數據，因為這個階段傳輸的數據大多是非常重要的，比如其中就有圖像分辨率，決定後面的Video Data數據的顯示方式
3. 右邊是Video Data Island，傳輸視頻像素數據，在該時期的開頭也有Guard Band

Data Island Packet結構

所有Data Island Packet都以32個時鐘脈沖為一個周期，也就是說每32 clk傳輸一個包。

以上圖為例，

1. 包頭部是BCH block 4，由Channel0[2]傳輸，32clk表示有32bit，則為4byte，前三個byte為包頭，最後一byte為校驗碼
2. 包體為BCH block 0,1,2,3，分別由Channel1，Channel2共8根線傳輸，共有24byte與6byte的校驗碼
3. Parity Bits校驗碼是用於檢驗HDMI Cable傳輸過程中是否發生了錯誤，如果該Packet在HDMI接收端校驗錯誤，如果只有一個bit的錯誤，那麽可以修正，超過1bit的錯誤會被判別為無效Packet（由於HDMI是一直在發送數據因此無法重發錯誤Packet？）

所以說，在接收端，在解完包之後，需要取出各個BCH block的Parity bit，進行Calibration（校驗）

Packet類型各種各樣，詳細請看HDMI Spec

Audio Clock

Audio的采樣率有44100,48000，192000等，是各種各樣，在HDMI傳輸時，Audio是PCM級（無壓縮）傳輸，把PCM數據打散到各個包內，為了得到每個音頻幀的數據，也需要知道Audio的采樣率。HDMI中規定Audio的傳輸方式：

Audio采樣率fs重建依靠的主要參數為：

1. TMDS Clock
2. CTS
3. N

在發送設備這端，已知參數有采樣率fs，視頻時鐘Video Clock(TMDS clock)，以及預先設定好的參數N，求CTS:

CTS=N∗fTMDS128×fxCTS=N∗fTMDS128×fx

在接收設備這端，TMDS clock通過硬件設備可以得到，N，與CTS通過Audio Packet傳輸過來，求fs:

128∗fs=N×fTMDSCTS128∗fs=N×fTMDSCTS

在接收端為了保持fs的穩定與精確，需要進行鎖相，即用VCO（Voltage-controlled oscillator壓控振蕩器，通過電壓控制產生的頻率）產生合適的頻率，然後用PFD（Phase Frequency Detector）來鎖頻

1. 首先，由於VCO有個最佳的工作區域如（200MHz~500MHz），那麽為了保證VCO在最佳工作頻率內，我們可以從後倒推回來，先對輸出的fa128做乘法得到 fvco=fa128×S×S2fvco=fa128×S×S2 由於fa128fa128只有那麽幾種（44.1k，48k等），所以比較容易得到SS與S2S2
2. 然後，為了更快進行頻率匹配，需要對近來的頻率fxfx（就是晶振時鐘fcrystalfcrystal）或者fvfv（pixel clock）做除法，也對fvcofvco做除法，令兩個趨向相等。對於細微的區別可以用D Code 進行修正 fvcoM=fxKfvcoM=fxK
3. 最後做PFD鎖相
4. 第2,3步的反饋操作循環地進行，最後可以得出比較穩定的fvcofvco
5. 最終得到 fa128=fvcoS×S2fa128=fvcoS×S2

HotPlug

HotPlug即熱拔插，當接上接口時就可以判定設備是否存在，以進行後續工作。

HDMI source device（HDMI HPD）會監測sink device的Hotplug端口，如果Hotplug為High，則證明設備可以工作，然後去讀取DCC，如果為low，則證明設備已斷開。

HDMI sink device應該通過把Hotplug拉低，來通知source device EDID已經被改變，那麽source device在Hotplug被拉高後，就會重新來讀取新的EDID，拉低這段時間應該多於100ms。

HDMI規定，HDMI 的5v引腳通電時，可以通過DCC去讀取EDID，即需要保證Hotplug為high，有些Hotplug是直接接到5V上的（如下）。

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

上面用5V引腳進行供電，並接上Hotplug，這樣做就能保證每次source device接上sink device時，都可以去讀取到EDID。但是這樣做有一個缺點，當5V電源斷開時，會有5v的電壓回灌給HDMI HPD與Hotplug，5V電壓會沖擊Hotplug，一旦Hotplug引腳無法承受5V電壓的回灌，會被打穿。

下面有個較好的Hotplug接法：

上面用的是額外的GPIO引腳加上三極管控制HDMI HPD為0還是1，如果HDMI0_HPD_CTL輸出0，那麽三極管斷開，HDMI0_HPD偵測到High，如果HDMI0_HPD_CTL輸出1，那麽三極管打通，HDMI0_HPD偵測到low。

HDMI Sink

例如像TV這種就是HDMI的接收端，那麽HDMI接收端需要做些什麽東西。

HDMI可以接收到的有三個通道的TMDS Data，TMDS Clock，可以設置Hotplug，還有DCC傳輸用的I2C引腳。上面已經講了TMDS Data，與設置Hotplug，接下來分析TMDS Clock。

TMDS Clock 就是Pixel Clock，即一個像素點所用的時鐘頻率。TMDS Clock通過clk 引腳傳輸到接收端，但是接收端並不清楚發送端發過來的TMDS Clock 頻率為多少，因此需要通過Phy（PHY是模擬數字轉換部分，不同於ADC，PHY是不知道采樣頻率的，需要自己鎖頻、鎖相，偵測確切的輸入頻率）來進行鎖相得到。但是由於HDMI頻寬太寬（[email protected]為25.2MHz，[email protected]為162MHz，甚至還有高達340MHz的），一般VCO（壓控振蕩器，通過電壓控制產生的頻率）無法覆蓋這麽大的範圍，因此需要分頻帶來設置Phy：

先偵測輸入頻率落在哪個頻帶，然後根據不同頻帶做不同設置。

用TV產生的晶振來數count，數得count後就知道TDMS Clock了

fcrystal=count×fTMDSfcrystal=count×fTMDS？？

或者用1024個TMDS Clock來數晶振個數

1024×fTMDS=count×fcrystal1024×fTMDS=count×fcrystal？？

由於視頻信號從RGB個8bit通過TMDS編碼後變成了10bit，然後又串行化，所以實際用於接收TMDS Data所用的時鐘應該為：

fReceiveClock=10×fTMDSfReceiveClock=10×fTMDS

另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法，而是采用TMDSClock為參考、硬件鎖相的方法來得到。

得到ReceiveClock後就可以去設置頻率PLL，然後對三個通道進行采樣得到TMDS Data。

Timming Detect

在Sink端還有需要進行Timming Detect，因為如果設備可以支持（如chroma），HDMI可以自由更換Timming，而當Timming更換了之後，Sink需要重新設定Phy。因此，通過偵測頻率的改變來檢測是否更換了Timing是必要的。一般會有一個中斷服務（或循環）線程來偵測頻率的改變，一旦頻率改變後，該進程會通知重新設定Phy，保證HDMI的正確運行　

HDMI版權內容保護之HDCP

HDCP通過DDC傳輸

HDCP主要用於版權視頻的保護，舉例來說，如果有一臺藍光DVD播放機可以播放blueray DVD，並且該DVD已經獲得HDCP授權，你現在想把該DVD影像輸出到某臺TV，但是該TV沒有獲得HDCP授權，那麽該TV可能就沒法播放影像，或者播放質量下降，如出現雪花，圖像從1080p變為480p，或者沒有聲音，都有可能。

HDCP是靠兩個設備的交互進行HDCP授權認證的，認證流程如下

1. Transmitter會發送一個key An（64bit）與Aksv（key selection vector 40bit）給Receiver
2. Receiver接收到An後，也會發送一個Bkvs以及REPEATER（表明B設備是否為Repeater設備）給Transmitter
3. Transmitter開始HDCP認證碼算法:

   要理解算法，首先我們需要知道ksv是用來幹嘛的

   1. 在每個HDMI設備內部，都會保存40組64bit的key，key[40]
   2. 40bit的kvs，每一個bit都是一個索引，當kvs的某一位n為1時，會把key[n]取出來，
   3. 把所有的key[n]相加，得到km，
4. Receiver也會做HDCP認證碼算法這個步驟得到km‘
5. Transmitter與Receiver都會用km\km‘去做hdcpBlkCipher，得到一個值R0與R0‘
6. 100ms後Receiver把R0‘發送到Transmitter與R0做比較，相等則認為認證完畢。當然km = km‘才能保證R0 = R0‘。
7. 此後的每一幀，Transmitter與Receiver都會運行一次hdcpBlockCipher，不過參數為上次生成的Ks與M，生成的新參數為Ks,M,T
8. 在第128幀的時候，另R = T
9. 在間隔第一次通信的2s後，再次進行認證
10. 後續都采用7,8,9這三個步驟進行叠代認證

此外HDMI自1.1後還支持一個更快速與頻繁的認證方式，就是上方設備通信圖的下半部分

1. 在每第16的倍數幀，用T與當前幀的Channel0的0像素做異或得到Pj
2. Channel0的0像素到達Sink後，也與Sink的T‘做異或得到P‘j
3. Sink把P‘j發送到Source，與Pj做比較，相同則通過認證

了解HDCP對於處理HDMI的異常現象很有幫助，比如說如果時而出現雪花，有可能是信號不好導致Channel0的0像素出錯，從而第二階段的認證有時會不成功...

HDMI Sink總流程

1. 提取與分割10bit的TMDS串行數據
2. 10bit的數據，通過不同線路進來的，判斷是哪種類型的：DE，Data Island，RGB，Hs，Vs，Ctrl
3. TMDS解碼
4. HDCP解碼，同時Hs，Vs，DE做delay
5. RGB與DE，Hs，Vs...
6. BCH解碼得到Packet，錯誤驗證
7. Packet含義解析
8. 如果是信息，則存到內存
9. 如果是Audio Data，生成采樣頻率
10. Audio輸出

【轉】 HDMI介紹與流程