基于FPGA的HDMI设计-明德扬科教(mdy-edu.com)

HDMI是一种数字视频接口，易于从现代FPGA驱动。
让我们看看它是如何工作的。

连接器

标准的HDMI连接器称为“A型”，有19个引脚。在19个引脚中，有8个是特别感兴趣的，因为它们形成了4个TMDS差分对来传输实际的高速视频信息。

TMD时钟+和时钟-
TMDs data 0+和data 0-
TMDs data 1+和data 1-
TMDs data 2+和data 2-

我们从FPGA到HDMI连接器的连接非常简单.我们使用8个FPGA引脚配置为4个差分TMDS输出。

视频信号

让我们创建一个640x480 RGB 24 bpp@60 Hz视频信号。这是每帧307200像素，因为每个像素都有24位(红色、绿色和蓝色8位)，在60 Hz时，HDMI链路传输0.44Gbps的“有用”数据。

但是视频信号通常也有一个“离屏”区域，HDMI接收器(电视或监视器)用于一些家务管理。我们的640x480帧实际上是作为800x525帧发送的。

考虑到这一点，我们需要一个24.5MHz像素时钟来达到每秒钟60帧，但是HDMI指定了一个25 MHz的最小像素时钟，所以我们使用它(这可以获得61 Hz的帧速率)。

TMD信号

FPGA有4个TMDS差分对来驱动。
首先，TMDS时钟只是像素时钟，所以它在25 MHz运行。另外3对发出红色、绿色和蓝色的信号，所以我们得到了类似的信号。

其实事情有点复杂。HDMI要求我们对数据进行置乱，并在每条彩色车道上增加2位，所以我们有10位而不是8位，而链路以每像素30位的速度结束。hdmi接收机需要加扰和额外的位，以便正确地同步和获取dvi和hdmi规范中的每个车道模式细节。

源代码

首先是视频发生器。我们使用了几个计数器，它们穿过800x525像素区域.

reg [9:0] CounterX;  // counts from 0 to 799 always @(posedge pixclk) CounterX <= (CounterX==799) ? 0 : CounterX+1; reg [9:0] CounterY;  // counts from 0 to 524 always @(posedge pixclk) if(CounterX==799) CounterY <= (CounterY==524) ? 0 : CounterY+1;

创建hsync和vsync信号.。

wire hSync = (CounterX>=656) && (CounterX<752); wire vSync = (CounterY>=490) && (CounterY<492); wire DrawArea = (CounterX<640) && (CounterY<480);

产生一些红，绿，蓝的信号(每个8位).

wire [7:0] red = {CounterX[5:0] & {6{CounterY[4:3]==~CounterX[4:3]}}, 2'b00}; wire [7:0] green = CounterX[7:0] & {8{CounterY[6]}}; wire [7:0] blue = CounterY[7:0];

通过三个“TMDS_编码器”实例将其扩展到10位。

wire [9:0] TMDS_red, TMDS_green, TMDS_blue;
TMDS_encoder encode_R(.clk(pixclk), .VD(red  ), .TMDS(TMDS_red)  , .CD(2'b00)        , .VDE(DrawArea));
TMDS_encoder encode_G(.clk(pixclk), .VD(green), .TMDS(TMDS_green), .CD(2'b00)        , .VDE(DrawArea));
TMDS_encoder encode_B(.clk(pixclk), .VD(blue ), .TMDS(TMDS_blue) , .CD({vSync,hSync}), .VDE(DrawArea));

现在，我们为每个像素时钟周期发送三个10位值。我们把25 MHz的时钟乘以10来产生一个250 MHz的时钟.

wire clk_TMDS, DCM_TMDS_CLKFX; DCM_SP #(.CLKFX_MULTIPLY(10)) DCM_TMDS_inst(.CLKIN(pixclk), .CLKFX(DCM_TMDS_CLKFX), .RST(1'b0)); BUFG BUFG_TMDSp(.I(DCM_TMDS_CLKFX), .O(clk_TMDS));  // 250 MHz

在250 MHz频率下使用三个移位寄存器.

reg [3:0] TMDS_mod10;  // modulus 10 counter always @(posedge clk_TMDS) TMDS_mod10 <= (TMDS_mod10==9) ? 0 : TMDS_mod10+1; reg TMDS_shift_load; always @(posedge clk_TMDS) TMDS_shift_load <= (TMDS_mod10==9); reg [9:0] TMDS_shift_red, TMDS_shift_green, TMDS_shift_blue; always @(posedge clk_TMDS) begin TMDS_shift_red   <= TMDS_shift_load ? TMDS_red   : TMDS_shift_red  [9:1];
    TMDS_shift_green <= TMDS_shift_load ? TMDS_green : TMDS_shift_green[9:1];
    TMDS_shift_blue  <= TMDS_shift_load ? TMDS_blue  : TMDS_shift_blue [9:1]; end

将TMDS数据发送到FPGA之外。

OBUFDS OBUFDS_red  (.I(TMDS_shift_red  [0]), .O(TMDSp[2]), .OB(TMDSn[2])); OBUFDS OBUFDS_green(.I(TMDS_shift_green[0]), .O(TMDSp[1]), .OB(TMDSn[1])); OBUFDS OBUFDS_blue (.I(TMDS_shift_blue [0]), .O(TMDSp[0]), .OB(TMDSn[0])); OBUFDS OBUFDS_clock(.I(pixclk), .O(TMDSp_clock), .OB(TMDSn_clock));

完整的源代码是可用的。这里.