基于FPGA的DVI/HDMI接口實(shí)現(xiàn)方案

在過去幾年中，具有高清晰度視頻顯示器的一些產(chǎn)品大幅度增加。高清晰度視頻顯示器被集成在這些產(chǎn)品的內(nèi)部，或者放在產(chǎn)品的外面。原始設(shè)備制造商正在期望能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的平板顯示器及接口技術(shù)來降低產(chǎn)品的成本，并提供長期的解決方案。設(shè)計(jì)界面對著這種挑戰(zhàn)，并繼續(xù)實(shí)施低成本平板顯示器驅(qū)動器，在接口的后端中提供專用化和增值的功能。

在消費(fèi)市場上，平板顯示技術(shù)的增長有助于統(tǒng)一接口選擇和降低成本。盡管高清晰度顯示器使用了模擬分量視頻接口（YCrCb），數(shù)字技術(shù)，諸如數(shù)字視頻接口（DVI）和高清晰度多媒體接口（HDMI）已經(jīng)取代了大多數(shù)模擬接口。庭影院市場爆炸式的增長需要更新DVI標(biāo)準(zhǔn)。然而，需要一個龐大連接器的DVI接口限制了對數(shù)字版權(quán)管理（DRM）的支持，且缺少對單聲道或多聲道音頻的支持。為滿足演變的HDMI標(biāo)準(zhǔn)要求，它使用相同的如DVI這樣的基本信號傳輸，支持較小的連接器，以及更大帶寬（1080p分辨率）、DRM和8個通道的多格式音頻。

基于在平板領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的DVI和HDMI協(xié)議，原始設(shè)備制造商正在越來越多地追求他們自己的集成一種或兩種技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)。

DVI 和 HDMI標(biāo)準(zhǔn)

HDMI規(guī)范可以傳輸和接收未壓縮的數(shù)字流的音頻/視頻標(biāo)準(zhǔn)。它可以將視頻和多聲道音頻組合至單一的數(shù)字連接，節(jié)省了多條線路連接及相關(guān)成本。對于沒有音頻要求的1080i分辨率顯示，HDMI信號傳輸與DVI是向下兼容的。

DVI和HDMI是基于稱為化傳輸差分信號（TMDS）的信號傳輸技術(shù) . TMDS也有類似CML的物理信號傳輸電平（電流模式邏輯）。圖1給出了簡化的HDMI鏈路框圖。

HDMI接口是一種帶有三個TMDS通道的屏蔽電纜。默認(rèn)配置是RGB ,每個通道傳送一種顏色。與DVI不同， HDMI支持亮度及色度的分量（YCbCr 44和42），并通過3個T M D S鏈路，支持多達(dá)8個音頻通道。分開的對線以1/10X TMDS比特率傳送一個同步時鐘，另外的線提供了一個低速的顯示特性，支持從顯示器到源端的通信（EDID）。另外，HDMI還集成了輔助控制功能，如熱插拔檢測和針對EDID接口的電源和地。HDMI共有29個連接。接收器恢復(fù)信號的功能限制了電纜的長度。

HDMI鏈路有三種工作周期：視頻數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)隔離周期和控制周期。它在視頻數(shù)據(jù)周期傳送有效的視頻，在數(shù)據(jù)隔離周期傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)，傳輸時使用了一系列的數(shù)據(jù)包。在任何視頻或數(shù)據(jù)周期之間，需要有控制周期。每個視頻數(shù)據(jù)周期開始時，有一個緊隨護(hù)帶的前同步信號，針對從控制周期到視頻周期的過渡，提供了非常穩(wěn)定的指示。前同步是8個連續(xù)的預(yù)定義字符（10'b1101010100 , 10'b0010101011 , 10'b0101010100 ,和10'b1010101011），護(hù)帶是針對每個通道的2個連續(xù)的獨(dú)特字符（通道1 : 10b1011001100 ;通道2 : 10b0100110011 ;通道3 : 10b1011001100）。

使用DVI/HDMI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

DVI和HDMI的發(fā)送和接收接口通常用ASSP來實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種采用FPGA的替代解決方案。采用FPGA實(shí)現(xiàn)DVI/HDMI接口具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）FPGA技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員可以將ASSP串行/解串器（SERDES）與后端定制的特殊設(shè)計(jì)功能集成在一起，以節(jié)省電路板面積。

（2）通過盡可能少地使用元器件、降低成本和功耗來增加設(shè)計(jì)的可靠性。

（3）讓設(shè)計(jì)者利用的技術(shù)，受益于先進(jìn)的工藝技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)在1999年批準(zhǔn)后不久，開發(fā)了大量的離散DVI接口器件。由于這種制造技術(shù)是成熟的（主要是0.18微米），因此更加昂貴。

（4） FPGA擁有寬的溫度選擇范圍，具有針對工業(yè)和汽車的產(chǎn)品，而大多數(shù)離散的DVI和HDMI接口器件是專為消費(fèi)市場而設(shè)計(jì)，往往只能在商業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。因此，對于在工業(yè)和汽車應(yīng)用方面的嵌入式設(shè)計(jì)，這可能會是一個問題。

（5）FPGA設(shè)計(jì)是可移植的，使人們關(guān)注的產(chǎn)品使用壽命得到限度延長。大多數(shù)DVI器件是針對基于PC的應(yīng)用，通常這些接口適合進(jìn)一步集成至其他的ASSP.這種情況發(fā)生時，這些分立器件或許不再可用，因?yàn)橹圃焐炭赡苤辉敢鉃閭€人電腦市場提供服務(wù)。

所有這些因素使得FPGA解決方案更具有吸引力，而且這也是前沿的技術(shù)。FPGA已被證明是一種有效的解決方案，它能夠集成多種功能、縮短產(chǎn)品的上市時間并降低總的成本。此外，F(xiàn)PGA通常有很寬的溫度范圍，并有很長的產(chǎn)品生命周期。

針對ECP2M和ECP3器件系列，萊迪思（Lattice）半導(dǎo)體公司近推出了DVI/HDMI接口的參考設(shè)計(jì)。萊迪思半導(dǎo)體公司的ECP2M和ECP3系列是集成了SERDES的低功耗、低成本FPGA,擁有很寬的溫度范圍。這些器件具有高達(dá)16個通道的SERDES,可處理250Mbps~3.125Gbs的數(shù)據(jù)速率，且無過采樣情況。DVI/HDMI是ECP2M和ECP3系列支持的模式之一，能夠?qū)崿F(xiàn)這個設(shè)計(jì)是因?yàn)槿R迪思已對T M D S信號傳輸構(gòu)建了一個獨(dú)特的接口。在DVI/HDMI電纜中， T M D S信號是有一個外部時鐘的源同步信號。萊迪思已開發(fā)出一種技術(shù)，利用ECP2M或ECP3中內(nèi)置的SERDES恢復(fù)并產(chǎn)生針對T M D S的合適的數(shù)據(jù)和格式。這種實(shí)現(xiàn)是可能的，因?yàn)閮?nèi)置的SERDES有250Mb/s到3.2Gbp/s的寬動態(tài)范圍。

萊迪思的DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)集成了發(fā)送和接收功能，使得用單芯片解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)一些有趣的應(yīng)用程序。例如，可以針對設(shè)計(jì)使用傳輸方向，從原來的7:1 LVDS顯示驅(qū)動器轉(zhuǎn)換至DVI.在接收端，用接收到的HDMI數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一個HDMI擴(kuò)展器，然后將它格式化并通過另一種接口（如光纖或CAT5）送出。另一種應(yīng)用是HD-SDI到DVI的轉(zhuǎn)換，或反之亦然。針對圖形疊加、畫中畫和分屏應(yīng)用，HDCP協(xié)議的許可證可以進(jìn)一步處理和管理音頻和視頻數(shù)據(jù)流。

基于ECP2M的接收功能實(shí)現(xiàn)

DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)有發(fā)送和接收功能。在接收端，ECP2M利用內(nèi)置模塊SERDES恢復(fù)T M D S信號，通過SERDES內(nèi)的時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路完成這個處理。CDR電路將每個串行的T M D S通道轉(zhuǎn)換至10位，并將具有同步時鐘的數(shù)據(jù)傳送至FPGA接口，然后在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理達(dá)到同步。這要求有三個級別的同步，分別是在本文中稱為“字節(jié)對齊”的10位同步、通道調(diào)整、多通道對齊。文章的后面討論這些步驟。接下來是自動檢測正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)流的分辨率（480p、720p、1080p或1080i），并調(diào)整物理編碼子層（PCS）參數(shù)。當(dāng)在這些分辨率之間動態(tài)切換時，應(yīng)保證優(yōu)化運(yùn)行。針對發(fā)送端，沒有必要進(jìn)行字節(jié)和通道對齊。10位模式的PCS是用來使數(shù)據(jù)串行化，并與液晶顯示屏通信。

ECP2M/ECP3的CML SERDES輸入（見圖3的接收信號流）收到T M D S三個通道的信號（0、1,和2）數(shù)據(jù)。由于DVI/HDMI的信號不采用標(biāo)準(zhǔn)的8B/10B編碼，SERDES后面的PCS設(shè)置成10位模式（旁路）。T M D S信號傳輸使用對本協(xié)議的四個對齊的字符（不同于8B/10B方式）。串行器與SERDES的CDR傳遞10位的原始數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA進(jìn)行字節(jié)對齊。DVI/HDMI鏈路連接能以多個不同的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，自動檢測邏輯被用來檢測正在傳送的是哪種分辨率，并配置PCS以便在SERDES鎖相環(huán)中實(shí)現(xiàn)鎖定。

接收同步

一旦10位數(shù)據(jù)在FGPA中，執(zhí)行上述定義的三個步驟（字節(jié)對齊、通道對齊、多通道對齊）是必須的 .字節(jié)對齊：設(shè)計(jì)確定在數(shù)據(jù)流的哪里是10位數(shù)據(jù)字節(jié)的開始和結(jié)束。在FPGA結(jié)構(gòu)中使用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來完成這一任務(wù)。把數(shù)據(jù)流的個和第二個10位組合在一起，形成一個20位的總線；然后分解至9位、10位總線。在這一階段，數(shù)據(jù)與對齊的字符進(jìn)行比較，當(dāng)字符順序發(fā)生了8次（稱為單通道對齊），同步信號有效。狀態(tài)圖如圖4所示。

同步檢測之后，對齊數(shù)據(jù)的字節(jié)寫入FIFO.當(dāng)所有三個通道都完成了“通道對齊”,就可以寫入FIFO,至此通道對齊的任務(wù)就結(jié)束了。在這一階段， FPGA將等待直到FIFO處于半滿狀態(tài)，并在同一時間（多通道對齊）對三個FIFO進(jìn)行讀操作 .這將保證三個通道對齊，并同步。

基于ECP2M的發(fā)送功能實(shí)現(xiàn)

ECP2M傳送鎖相環(huán)有的操作范圍，預(yù)定義的范圍為：Low、MedLow、 Med、MedHigh 和 High.通過SCI總線，所有這些范圍在ECP2M中都是動態(tài)配置的。因?yàn)橛懈鞣N各樣的顯示分辨率，針對理想的輸出率，DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)必須有SERDES組。例如，如果要求一個720p的HDMI顯示，即742.5Mbps,SERDES PCS必須設(shè)置在適當(dāng)?shù)姆秶∕edLow）。顯示的數(shù)據(jù)是放置在一個由DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)定義的FIFO中。同步從三個T M D S的每個通道中讀取數(shù)據(jù)，然后將FIFO的數(shù)據(jù)移至PCS,再用SERDES進(jìn)行傳輸。PCS設(shè)置成10位模式，串行輸出FIFO的數(shù)據(jù)。在這一階段，采用合適的時鐘，數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為新的T M D S 流，使接收器恢復(fù)信號，如果配上顯示器，就會出現(xiàn)圖像。具體原理見圖5.

系統(tǒng)演示和驗(yàn)證

這個DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)是經(jīng)過檢驗(yàn)和驗(yàn)證的，并遵守相關(guān)規(guī)范。萊迪思已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DVI環(huán)回演示，展示了設(shè)計(jì)的功能?？捎肊CP2M50E-SEV SERDES評估板和其它硬件來進(jìn)行演示，萊迪思半導(dǎo)體公司提供評估板和其他硬件。除了電路板之外，系統(tǒng)演示還需要DVI至SMA的接口卡、各種DVI和SMA電纜、一個DVI源和監(jiān)視器。整個演示和測試設(shè)置如圖6所示。

通過DVI至DVI或HDMI到DVI電纜，從筆記本電腦的接口得到DVI/HDMI數(shù)據(jù)流。DVI至SMA接口卡將轉(zhuǎn)換為DVI連接器至SMA,可通過SMA電纜與評估板相連接。一旦信號到達(dá)FPGA,將進(jìn)行處理并環(huán)回至TX SERDES通道。然后，通過SMA電纜傳輸數(shù)據(jù)送回到電路板上的SMA至DVI適配器，并終在顯示器上進(jìn)行比較。ECP2M集成了用來接收和發(fā)送三個DVI T M D S數(shù)據(jù)流的代碼。在FPGA內(nèi)完成字節(jié)對齊和同步邏輯，并將數(shù)據(jù)存入FIFO.在傳輸方向，ECP2M從FIFO中取得數(shù)據(jù)，以10位的模式直接傳送至SERDES.該設(shè)計(jì)確?？稍贔IFO中三個DVI/HDMI通道完全對齊。

利用內(nèi)置的SERDES和可以從萊迪思半導(dǎo)體公司得到的參考設(shè)計(jì)，ECP2M可以成功地實(shí)現(xiàn)接收和/或傳送DVI/HDMI接口功能。通過使用FPGA技術(shù)和參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員能夠很快地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的其余部分，并無縫地連接到一個DVI/ HDMI接口，以滿足他們自己的特殊要求。

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