基于FPGA的DVI/HDMI接口實(shí)現方案

　　在消費市場(chǎng)上，平板顯示技術(shù)的增長(cháng)有助于統一接口選擇和降低成本。盡管首個(gè)高清晰度顯示器使用了模擬分量視頻接口（YCrCb），數字技術(shù)，諸如數字視頻接口（DVI）和高清晰度多媒體接口（HDMI）已經(jīng)取代了大多數模擬接口。庭影院市場(chǎng)爆炸式的增長(cháng)需要更新DVI標準。然而，需要一個(gè)龐大連接器的DVI接口限制了對數字版權管理（DRM）的支持，且缺少對單聲道或多聲道音頻的支持。為滿(mǎn)足演變的HDMI標準要求，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(gè)通道的多格式音頻。

　　基于在平板領(lǐng)域中占主導地位的DVI和HDMI協(xié)議，原始設備制造商正在越來(lái)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(kāi)發(fā)。

　　DVI 和 HDMI標準

　　HDMI規范可以傳輸和接收未壓縮的數字流的音頻/視頻標準。它可以將視頻和多聲道音頻組合至單一的數字連接，節省了多條線(xiàn)路連接及相關(guān)成本。對于沒(méi)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(chēng)為最小化傳輸差分信號（TMDS）的信號傳輸技術(shù) . TMDS也有類(lèi)似CML的物理信號傳輸電平（電流模式邏輯）。圖1給出了簡(jiǎn)化的HDMI鏈路框圖。

　　HDMI接口是一種帶有三個(gè)TMDS通道的屏蔽電纜。默認配置是RGB ,每個(gè)通道傳送一種顏色。與DVI不同， HDMI支持亮度及色度的分量（YCbCr 4:4:4和4:2:2），并通過(guò)3個(gè)T M D S鏈路，支持多達8個(gè)音頻通道。分開(kāi)的對線(xiàn)以1/10X TMDS比特率傳送一個(gè)同步時(shí)鐘，另外的線(xiàn)提供了一個(gè)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(gè)連接。接收器恢復信號的功能限制了電纜的長(cháng)度。

　　HDMI鏈路有三種工作周期：視頻數據周期、數據隔離周期和控制周期。它在視頻數據周期傳送有效的視頻，在數據隔離周期傳輸音頻和輔助數據，傳輸時(shí)使用了一系列的數據包。在任何視頻或數據周期之間，需要有控制周期。每個(gè)視頻數據周期開(kāi)始時(shí)，有一個(gè)緊隨護帶的前同步信號，針對從控制周期到視頻周期的過(guò)渡，提供了非常穩定的指示。前同步是8個(gè)連續的預定義字符（10'b1101010100 , 10'b0010101011 , 10'b0101010100 ,和10'b1010101011），護帶是針對每個(gè)通道的2個(gè)連續的獨特字符（通道1 : 10b1011001100 ;通道2 : 10b0100110011 ;通道3 : 10b1011001100）。

　　使用DVI/HDMI實(shí)現系統

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

　?。?）FPGA技術(shù)使得設計人員可以將ASSP串行/解串器（SERDES）與后端定制的特殊設計功能集成在一起，以節省電路板面積。

　?。?）通過(guò)盡可能少地使用元器件、降低成本和功耗來(lái)增加設計的可靠性。

　?。?）讓設計者利用最新的技術(shù)，受益于先進(jìn)的工藝技術(shù)。該標準在1999年批準后不久，開(kāi)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。

　?。?） FPGA擁有寬的溫度選擇范圍，具有針對工業(yè)和汽車(chē)的產(chǎn)品，而大多數離散的DVI和HDMI接口器件是專(zhuān)為消費市場(chǎng)而設計，往往只能在商業(yè)溫度范圍內工作。因此，對于在工業(yè)和汽車(chē)應用方面的嵌入式設計，這可能會(huì )是一個(gè)問(wèn)題。

　?。?）FPGA設計是可移植的，使人們關(guān)注的產(chǎn)品使用壽命得到最大限度延長(cháng)。大多數DVI器件是針對基于PC的應用，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(shí)，這些分立器件或許不再可用，因為制造商可能只愿意為個(gè)人電腦市場(chǎng)提供服務(wù)。

　　所有這些因素使得FPGA解決方案更具有吸引力，而且這也是最前沿的技術(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(shí)間并降低總的成本。此外，FPGA通常有很寬的溫度范圍，并有很長(cháng)的產(chǎn)品生命周期。

　　針對ECP2M和ECP3器件系列，萊迪思（Lattice）半導體公司最近推出了DVI/HDMI接口的參考設計。萊迪思半導體公司的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16個(gè)通道的SERDES,可處理250Mbps~3.125Gbs的數據速率，且無(wú)過(guò)采樣情況。DVI/HDMI是ECP2M和ECP3系列支持的模式之一，能夠實(shí)現這個(gè)設計是因為萊迪思已對T M D S信號傳輸構建了一個(gè)獨特的接口。在DVI/HDMI電纜中， T M D S信號是有一個(gè)外部時(shí)鐘的源同步信號。萊迪思已開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，利用ECP2M或ECP3中內置的SERDES恢復并產(chǎn)生針對T M D S的合適的數據和格式。這種實(shí)現是可能的，因為內置的SERDES有250Mb/s到3.2Gbp/s的寬動(dòng)態(tài)范圍。

　　萊迪思的DVI/HDMI參考設計集成了發(fā)送和接收功能，使得用單芯片解決方案能夠實(shí)現一些有趣的應用程序。例如，可以針對設計使用傳輸方向，從原來(lái)的7:1 LVDS顯示驅動(dòng)器轉換至DVI.在接收端，用接收到的HDMI數據實(shí)現一個(gè)HDMI擴展器，然后將它格式化并通過(guò)另一種接口（如光纖或CAT5）送出。另一種應用是HD-SDI到DVI的轉換，或反之亦然。針對圖形疊加、畫(huà)中畫(huà)和分屏應用，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據流。

　　基于ECP2M的接收功能實(shí)現

　　DVI/HDMI參考設計有發(fā)送和接收功能。在接收端，ECP2M利用內置模塊SERDES恢復T M D S信號，通過(guò)SERDES內的時(shí)鐘和數據恢復（CDR）電路完成這個(gè)處理。CDR電路將每個(gè)串行的T M D S通道轉換至10位，并將具有同步時(shí)鐘的數據傳送至FPGA接口，然后在FPGA中進(jìn)行數據處理達到同步。這要求有三個(gè)級別的同步，分別是在本文中稱(chēng)為“字節對齊”的10位同步、通道調整、多通道對齊。文章的后面討論這些步驟。接下來(lái)是自動(dòng)檢測正在運行的數據流的分辨率（480p、720p、1080p或1080i），并調整物理編碼子層（PCS）參數。當在這些分辨率之間動(dòng)態(tài)切換時(shí)，應保證優(yōu)化運行。針對發(fā)送端，沒(méi)有必要進(jìn)行字節和通道對齊。10位模式的PCS是用來(lái)使數據串行化，并與液晶顯示屏通信。