前言

HDMI既可以傳輸視頻信號(hào)，也可以傳輸音頻信號(hào)。

HDMI接口顯示使用DMT時(shí)序+TMDS編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用FPGA控制HDMI的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通?？梢圆捎眉僐TL實(shí)現(xiàn)TMDS算法或者使用專(zhuān)門(mén)的HDMI芯片(如ADV7513)這兩種方案來(lái)完成。本文主要是介紹如何用FPGA控制ADV7513實(shí)現(xiàn)HDMI畫(huà)面顯示和音頻播放。

顯示器時(shí)序(DMT)標(biāo)準(zhǔn)介紹

DMT(Display Monitor Timing)是由VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))制定的顯示器時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，用于定義計(jì)算機(jī)顯示器的視頻信號(hào)參數(shù)。是現(xiàn)代數(shù)字顯示設(shè)備的核心規(guī)范。開(kāi)發(fā)人員應(yīng)遵循DMT標(biāo)準(zhǔn)使自己的設(shè)計(jì)成為符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

在深入了解DMT時(shí)序之前，首先需要掌握一些與圖像相關(guān)的基本概念，如像素、分辨率、刷新率、像素時(shí)鐘等。

1 圖像相關(guān)的幾個(gè)基本概念

像素(Pixel)：是“圖像元素”(Picture Element)的縮寫(xiě)，是構(gòu)成數(shù)字圖像(如照片、屏幕顯示內(nèi)容等)的基本單位?？梢詫⑵淅斫鉃閿?shù)字圖像中的 “最小點(diǎn)”，一張圖像由無(wú)數(shù)個(gè)像素按照一定規(guī)律排列組成。

分辨率：指圖像的像素總量，通常以“寬度 × 高度” 的形式表示(單位為像素)。例如：一張分辨率為 640×480 的圖片，意味著橫向有 640 個(gè)像素，縱向有 480 個(gè)像素，總像素?cái)?shù)307200個(gè)。常見(jiàn)的圖像分辨率還包括 2560×1440(2K)、3840×2160(4K)等。

刷新率：刷新率是描述顯示器每秒刷新畫(huà)面次數(shù)的指標(biāo)，單位為“赫茲(Hz)”。刷新率數(shù)值越高，動(dòng)態(tài)畫(huà)面越流暢，但需內(nèi)容和硬件共同支持。選擇時(shí)需平衡流暢需求、設(shè)備性能和功耗，例如日常使用 60Hz 足夠，游戲或高頻操作場(chǎng)景則可優(yōu)先考慮 90Hz 及以上刷新率。

像素時(shí)鐘(Pixel Clock)：簡(jiǎn)稱(chēng)PCLK，是數(shù)字視頻系統(tǒng)中用于同步像素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)行同步時(shí)序以及場(chǎng)同步時(shí)序可以計(jì)算得到像素的時(shí)鐘=水平總像素*垂直總行數(shù)*60， 比如640*480@60分辨率的像素時(shí)鐘是：800 * 525 * 60 = 25.2MHz

2 顯示器時(shí)序介紹

如下是DMT時(shí)序，代表顯示一整幀的傳輸時(shí)序：

在顯示器時(shí)序中，sync(同步)、porch(消隱間隔)、和 border(邊框)是用于控制顯示器如何逐行和逐幀繪制圖像的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)一起定義了每一行和每一幀圖像的精確時(shí)序。

sync(同步)：同步信號(hào)分行同步(HSYNC)脈沖和場(chǎng)同步(VSYNC)脈沖。

HSYNC用于控制每一行像素的開(kāi)始和結(jié)束。它告訴顯示器何時(shí)開(kāi)始繪制新的一行。每當(dāng)一行像素繪制完成時(shí)，HSYNC信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，提示顯示器移動(dòng)到下一行。

VSYNC用于控制一幀圖像的開(kāi)始和結(jié)束。當(dāng)所有行的像素都繪制完畢時(shí)，VSYNC信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，提示顯示器返回到屏幕頂部，準(zhǔn)備繪制下一幀。

porch(消隱間隔)：在傳統(tǒng)的CRT顯示器的掃描過(guò)程中，掃描總是從顯示器的左上角開(kāi)始，水平向前行進(jìn)，同時(shí)掃描點(diǎn)也以較慢的速率向下移動(dòng)。當(dāng)掃描點(diǎn)到達(dá)顯示器右側(cè)邊緣時(shí)，掃描點(diǎn)快速返回左側(cè)，重新開(kāi)始在第1行的起點(diǎn)下面進(jìn)行第2行掃描。當(dāng)掃描完顯示器上所有的行，就形成一幀，然后電子束要從顯示器的右下角返回到顯示器的左上角，開(kāi)始新一幀的掃描。

電子束在行與行之間的返回過(guò)程以及在幀與幀之間的返回過(guò)程(從右下角返回到顯示器的左上角)都稱(chēng)之為逆程，掃描正程期間傳送圖像信號(hào)，逆程期間不傳送圖像信號(hào)。電子束逆程掃描在熒光屏上出現(xiàn)回掃線，將對(duì)正程的圖像造成干擾，影響圖像的清晰度。因此需使顯示器在行、場(chǎng)掃描逆程期間電子束截止，以消除行、場(chǎng)逆程回掃線，即實(shí)現(xiàn)消隱。消隱分為前消隱間隔和后消隱間隔。

前消隱間隔(Front Porch)：有效視頻之后，同步脈沖之前，為同步脈沖的清晰識(shí)別提供保障，是行/幀結(jié)束的“預(yù)告”。

后消隱間隔(Back Porch)：同步脈沖之后，有效視頻之前，提供電路穩(wěn)定時(shí)間，確保準(zhǔn)確開(kāi)始繪制像素。

注：消隱間隔在CRT顯示器(陰極射線管顯示器)中起到了重要作用，目前為了兼容性和穩(wěn)定性，消隱間隔在LCD等現(xiàn)代顯示器中仍然保留。

border(邊框)：通常就是指屏幕四周的黑邊。在顯示器的時(shí)序中，border(邊框)區(qū)域定義了可見(jiàn)圖像之外的部分，通常會(huì)顯示為屏幕四周的黑邊。這些黑邊在現(xiàn)代顯示器上通常是不可見(jiàn)的，或者僅在特定情況下才會(huì)出現(xiàn)，例如在分辨率與顯示器實(shí)際尺寸不匹配時(shí)。邊框是圖像周?chē)牟豢梢?jiàn)區(qū)域，通常用于在屏幕的可見(jiàn)顯示區(qū)域和消隱間隔之間提供一個(gè)緩沖區(qū)。邊框區(qū)域不顯示圖像數(shù)據(jù)，但它在時(shí)序中占有一定的時(shí)間，以確保圖像的穩(wěn)定性和完整性。避免因顯示器電路

處理時(shí)間不足而導(dǎo)致的圖像抖動(dòng)、扭曲或閃爍。

Addressable video：位于中間的區(qū)域就是我們通常稱(chēng)為的可顯示圖像區(qū)域，也就是分辨率實(shí)際描述的區(qū)域。這是屏幕上實(shí)際用于顯示圖像內(nèi)容的部分。

Polarity(極性)：是指同步信號(hào)(包括水平同步信號(hào)HSYNC和垂直同步信號(hào)VSYNC)的信號(hào)電平方向，通常標(biāo)記為正極性(Positive Polarity)或負(fù)極性(Negative Polarity)。為了確保不同硬件、軟件和標(biāo)準(zhǔn)之間的無(wú)縫協(xié)作，同步信號(hào)的極性有四種可選：

1. 行、場(chǎng)同步信號(hào)正極性：

2. 行同步信號(hào)正極性、場(chǎng)同步信號(hào)負(fù)極性：

3. 行、場(chǎng)同步信號(hào)負(fù)極性：

4. 行同步信號(hào)負(fù)極性、場(chǎng)同步信號(hào)正極性：

本教程選擇的是行、場(chǎng)同步信號(hào)負(fù)極性。

3 顯示器時(shí)序中不同分辨率刷新率的參數(shù)

不同分辨率的時(shí)序參數(shù)各不相同。我們可以通過(guò)查閱DMT 文檔(下載地址https://vesa.org/vesa-standards/)來(lái)獲取這些信息。這里以640*480@60為例教大家如何查看相關(guān)參數(shù)。

從上圖可以分析出行信號(hào)的參數(shù)(P，像素)：

以及場(chǎng)信號(hào)的參數(shù)(L，行)：

不過(guò)在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中一般將H Back Porch和H Left Border合并當(dāng)作顯示后沿(或者稱(chēng)之為行后肩)，H Right Border和H Front Porch合并當(dāng)作顯示前沿(或者稱(chēng)之為行前肩)。V Back Porc和V Left Border合并當(dāng)作場(chǎng)顯示后沿(或者稱(chēng)之為場(chǎng)后肩)，V Right Border和V Front Porch合并當(dāng)作場(chǎng)顯示前沿(或者稱(chēng)之為場(chǎng)前肩)。

其他常見(jiàn)分辨率的參數(shù)查詢以此類(lèi)推，合并后的參數(shù)如下表格：