HDMI接口基础知识与使用手册指南_技术

总结这篇文章的初衷是看到HDMI新版本2.1，支持FRL（Fix Rate Link）固定速率链路的缩写，支持一系列更高的视频分辨率和刷新率，包括8K@60Hz 和 4K@120Hz，分辨率高达10K。

需要注意的是：

HDMI2.1的版本推出之后，HDMI2.0将融入到HDMI2.1版本之中，但HDMI1.4还是存在的，因为HDMI1.4是“7C” founder制定的。所以HDMI1.4仍然存在，名称仍然是HDMI1.4，HDMI2.0纳入HDMI2.1后称之为HDMI2.1 TMDS，而HDMI2.1称之为HDMI2.1 FRL，同时测试HDMI2.1同时需要向下兼容测试HDMI1.4。是不是觉得有点USB 3.1 GEN1&USB 3.1 GEN2的味道。

高清晰度多媒体接口HDMI（High-definiTIon mulTImedia interface）是消费产品常用接口，也已经成为行业的连接标准。HDMI是一个可在单一接口结合无压缩高清视频，多声道环绕音频，和智能命令数据的数字接口。HDMI连接高清设备极为简单，同时对最新的产品功能提供一致和高性能效的传输。

本文分五大部分：

基础知识

接口信号

设计部分

测试部分

仿真部分

1、基础知识

HDMI标准的发展历史：日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝七家公司共同组建了HDMI高清多媒体接口组织，着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术。在 2002年12月9日，HDMI1.0版正式发布，HDMI技术产生。从最早的1.0到现在的2.1，从1080p，到现在的8K。

HDMI接口有四种类型接口：

Type A采用19pin，宽度为13.9毫米、厚度为4.45毫米，这种尺寸最常用。

Type B采用29pin，宽度21毫米。Type B的数据传输能力比Type A快近两倍，相当于DVI Dual-Link。Type B的工作频率在270MHZ以上，而一般在影音设备频率均在165MHz以下，应用于一些专业场合。

Type C采用19pin，常称为Mini HDMI，它主要是为小型设备设计的。宽度为10.5毫米、厚度为2.5毫米，比Type A小了将近1/3，应用范围很小，主要应用在便携式设备上，比如数码相机、便携式播放机等设备。

Type D采用19pin，俗称Micro HDMI。采用了双排针脚设计，宽度只有6.4毫米，厚度2.8毫米，主要应用于小型的移动设备上面，更适用于便携和车载设备。比如：手机、平板电脑等。

这里面会有资料说到VESA。VESA Video Electronics Standards AssociaTIon, 是计算机和小型工作站视频设备的显示标准。

VESA总线是一个32位标准的计算机局部总线，是针对多媒体PC要求高速传送活动图象的大量数据应运而生的。它的数据传输率最高可达132Mbytes/s。它的许多引线引自CPU，因而负载能力相对较差，VESA总线产品将面临被淘汰的趋势。

2、接口信号

常见的HDMI接口是下图的A类(19脚)：

1~9 （6 pin）:TMDS数据通道，分0~2三组，这些通道传输音频和视频和辅助数据。数据通道之间有屏蔽线，三组TMDS 数据通道，每一个都通过一对屏蔽双绞线承载在电缆中，用于最小化串扰和 EMI 辐射的屏蔽层在电缆的两端接地。

·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。

·HSYNC: 行同步信号，表示扫描1行的开始；VSYNC: 帧同步信号,表示扫描1帧的开始，一帧也就是LCD显示的一个画面。

TMDS(TIme Minimized Differential Signal)最小化传输差分信号传输技术，是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术。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。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。

比如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。

HDMI的时钟频率范围为25MHz~165MHz。

数据方面：一个TMDS通道每秒最多能传输165MHz×10bit=1.65Gbit的数据，3个TMDS通道一秒就可以传输1.65×3=4.95Gbit的数据，再加上控制数据，就是4.96Gbps的带宽。

图像方面：一秒可以传输显示1.65G个像素点（一个完整的像素点信息由R/G/B三原色信息构成）所需要的数据量。

RGB色彩模式是常用的一种颜色标准，三个独立的视频信号同时传输，缺乏与早期黑白显示系统的良好兼容性。将RGB转换成YUV，再根据需要换回RGB格式，以便在电脑显示器上显示彩色图形。

除了RGB还会看到YUV。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，它将亮度信息（Y）与色彩信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的，这样的设计很好地解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题，使其向后相容老式黑白电视。

与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。

所以，YUV又叫做YCrCb。

Cr反映的是RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异;Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

数字音频方面：支持符合IEC60985 L-PCM标准的32kHz、44.1kHz和48kHz,16bit量化的立体声数字音频信号和IEC 61937标准的采样率为192KHz，24bit量化的单路无压缩PCM数字音频信号。

ARC（Audio Return Channel）音频回传通道。ARC出现的目的，是使整个数字化家电在线材安装上更为简便。它的功能就是传输声音信号，具体是指在支持ARC的HDMI接口上，电视可以通过ARC将音频信号通过HDMI线回传到功放或者其他拥有HDMI ARC功能的音频设备上去，这样用以节省单独的数字输出线材。

这里面和LVDS这个进行区分：

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种低振幅差分信号技术。它使用幅度非常低的信号（约350mV）通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。它能以高达数千Mbps的速度传送串行数据。

10~12（3 pin）: TMDS 时钟通道参考时钟信号，使接收设备恢复数据流。

13（1 pin）:消费电子控制CEC (Consumer electronic control），这是 HDMI 设备中的可选功能。它是一种专用控制总线，使设备能够自动控制其他连接的设备。比如说两个显示设备，两者都用HDMI线接上，可以用一个设备的控制器控制另一个设备，该功能的命令信号就是通过CEC引脚传输的。

14（1 pin）:保留引脚，未使用（或者也可以为CEC提供多一个引脚）

15~16（2 pin）:一个I2C(SCL,SDA)总线，用于设备将其能力信息传递给其他设备。这里面有DDC（Display Data Channel），主要用于EDID与HDCP的传输。最先做的Hotplug，因为HDMI的主从两个设备需要通过DDC来获得他们对方设备的EDID，从而得到各种信息。

EDID（Extended Display Identification Data）扩展显示标识数据，VGA、DVI的EDID由主块128字节组成，HDMI的EDID增加扩展块(128字节)，扩展块的内容主要是和音频属性相关的，DVI和VGA没有音频，HDMI自带音频。

EDID可以简单理解为串联Host和显示器之间的桥梁，在输入端Host通过读取设备上的EDID来获悉设备支持的显示时序，而同样，在输出端设备需要读取显示器的EDID来确定自己的输出时序。

需要注意的是:现在的显示器功能很强大，通常都提供多种视频接口（DVI、VGA、HDMI、Display Port），由于每种接口的特性和带宽不同，使得不同接口的EDID也不同。使用哪个接口，Host读到的就是哪个接口的EDID。所以，显示器不止一种EDID信息。

经常听到有人说“EDID信息”，也有人说“DDC信息”。那么EDID和DDC的关系是什么？DDC是一个通道，是用来传送EDID信息的，也可以说EDID信息是通过DDC传送的。

HDCP（High -bandwidth Digital Content Protection）高带宽数字内容保护技术，为了保证HDMI或者DVI传输的高清晰信号不会被非法录制，就出现了HDCP技术。HDCP技术规范由Intel领头完成，当用户进行非法复制时，该技术会进行干扰，降低复制出来的影像的质量，从而对内容进行保护。

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唯一的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是靠两个设备的交互进行HDCP授权认证的，简易认证流程图如下：