隨著超高清視頻與高幀率顯示需求的提升，大帶寬視頻接口被廣泛應(yīng)用，其中HDMI是使用最廣泛的音視頻傳輸接口。AMDFPGA憑借其高性能的邏輯資源和穩(wěn)定的高速串行接口，可以幫助用戶輕松實(shí)現(xiàn)HDMI2.1接口的產(chǎn)品部署。本文將以ZCU106開發(fā)板為基礎(chǔ)，介紹HDMI2.1的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)常見調(diào)試問題給出解決思路。

HDMI2.1接口概述

High-Definition Multimedia Interface(HDMI)是一種傳輸音視頻數(shù)據(jù)的專用接口。目前最新的版本為HDMI 2.1，最大帶寬48Gbps，最大可支持8K30Hz RGB無壓縮的數(shù)據(jù)傳輸。

HDMI2.1在兼容HDMI2.0 TMDS傳輸模式的前提下，新增了FRL模式傳輸，并且可在TMDS和FRL模式之間任意切換，全方位兼容用戶使用需求。

AMD HDMI2.1 IP介紹

AMD HDMI2.1子系統(tǒng)支持最高12Gb/s@4lanes線速率并向下兼容HDMI2.0協(xié)議。子系統(tǒng)還支持可選的HDCP1.4和HDCP2.3加解密功能，并且已經(jīng)通過CTS認(rèn)證測(cè)試。

AMD HDMI2.1子系統(tǒng)支持16nm和7nm器件，最小器件為AU20P，并且在-1、-1LV、-2LV有速率限制，在選型時(shí)需要注意。

基于AMD FPGA實(shí)現(xiàn)的HDMI2.1方案需要兩個(gè)IP配合使用，分別是HDMI Phy Controller和HDMI2.1 subsystem。下面分別進(jìn)行介紹。

HDMI Phy Controller：

HDMI Phy Controller主要負(fù)責(zé)高速串行數(shù)據(jù)的物理層收發(fā)，包括TMDS或FRL模式下的數(shù)據(jù)編解碼、時(shí)鐘恢復(fù)、電氣均衡等，簡化串行收發(fā)器的使用。

接口介紹：

HDMI PHY Controller由多個(gè)子模塊組成，如下圖所示。

PHY Control/Status Manager模塊實(shí)現(xiàn)軟核對(duì)IP的寄存器和中斷控制，所有模塊的狀態(tài)和控制信號(hào)均由該模塊通過axi-lite總線與CPU或軟核通信。

NI-DRU用于支持較低線速率的應(yīng)用，如TMDS模式下的640x480@60Hz分辨率，線速率時(shí)鐘為25MHz，該時(shí)鐘通過GTREFCLK管腳接入QPLL或CPLL，但時(shí)鐘頻率小于QPLL(61.25MHz)和CPLL(50MHz)的最小工作頻率，此時(shí)通過NI-DRU功能仍然可以正?；謴?fù)出視頻數(shù)據(jù)。

User Clock Source模塊負(fù)責(zé)管理HDMI子系統(tǒng)的時(shí)鐘資源，例如HDMI2.1 RX子系統(tǒng)需要三個(gè)時(shí)鐘輸入到FPGA內(nèi)部，分別是TMDS模式下的隨路時(shí)鐘、FRL模式下的參考時(shí)鐘以及NI-DRU時(shí)鐘。

IP配置：

以HDMI2.1-RX為例，協(xié)議選擇HDMI2.1，最大線速率為12Gbps，時(shí)鐘模塊建議選擇MMCM，這樣可以很好的支持小數(shù)時(shí)鐘頻率。RX子系統(tǒng)需要三個(gè)外部輸入的時(shí)鐘：

Rx Ref clock selection：TMDS模式下的隨路時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率跟隨分辨率變化；

FRL Ref clock selection：FRL模式下參考時(shí)鐘，-2器件頻率為400MHz，-1器件頻率為200MHz；

NI-DRU Ref clock Selection：提供給DRU模塊的時(shí)鐘，以恢復(fù)低線速率視頻數(shù)據(jù)，可以與FRL參考時(shí)鐘共用一個(gè)；

所有提供給GT的參考時(shí)鐘的抖動(dòng)要求不超過±100PPM，ni-dru參考時(shí)鐘頻率誤差不能超過±10 kHz。

HDMI2.1 Subsystem

HDMI2.1 Subsystem主要負(fù)責(zé)從PHY層捕獲HDMI流，從HDMI流中解析數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為視頻和音頻流。

接口介紹：

HDMI子系統(tǒng)主要為三部分組成，如下圖所示。HDMI Receiver Core主要功能為負(fù)責(zé)HPD握手、解析音頻、視頻流和HDR數(shù)據(jù)，AXI-lite接口負(fù)責(zé)與軟核進(jìn)行寄存器和中斷通信，HDCP為可選功能，實(shí)現(xiàn)HDCP1.4和HDCP2.3加解密功能。

IP配置：

IP提供了axi-stream和native video接口供用戶內(nèi)部邏輯使用。

當(dāng)使用axis-stream接口時(shí)，用戶需要外部提供s_axis_video_clk，時(shí)鐘頻率要求s_axis_video_clk >= HActive*Vactive*Frame Rate/PPC。

當(dāng)使用native video接口時(shí)，PPC固定為4，視頻數(shù)據(jù)時(shí)鐘域?yàn)関ideo_clk，該時(shí)鐘來自hdmi phy controller。Tmds模式下，該時(shí)鐘為像素時(shí)鐘，頻率與分辨率成比例，如3840x2160@60Hz時(shí)，該時(shí)鐘為4400*2250*60/4=148.5MHz；在FRL模式下，該時(shí)鐘為固定的400MHz。

Frl_clk為固定的450MHz，可以使用內(nèi)部mmcm或pll產(chǎn)生，供給IP使用。

參考設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)：

實(shí)現(xiàn)HDMI2.1接口需要GT外部添加適當(dāng)?shù)腅Q或retimer以滿足HDMI電氣特性。AMD官方推薦使用安森美NB7NQ621M或TI TMDS1204。

對(duì)于HDMI-RX接口，第四條lane在tmds模式下傳輸?shù)氖请S路時(shí)鐘，在frl模式下傳輸數(shù)據(jù)，因此需要將第四lane同時(shí)接入GT Refclk管腳和GT RX管腳。推薦器件：FUSB340TMX實(shí)現(xiàn)1分2功能。

軟件設(shè)計(jì)：

以ZCU106開發(fā)板為例，AMD提供了帶有HDCP功能的HDMI-RX和HDMI-TX passthrough例程：

Vivado工程：

Vitis工程：

常見問題及調(diào)試方法

1. 使能NI-DRU功能后，顯卡推小分辨率無法lock，dru時(shí)鐘顯示為1Hz：

出現(xiàn)此問題是因?yàn)樘峁┙odru模塊的參考時(shí)鐘誤差超過了±10kHz，可以考慮更換精度更高的晶振，也可以修改軟件中的時(shí)鐘檢測(cè)參數(shù)暫時(shí)解決，方法如下：

將原來的最大最小值范圍擴(kuò)到可以覆蓋板上晶振的輸出頻率，此時(shí)dru模塊會(huì)恢復(fù)正常。

如下圖所示為NI-DRU功能正常運(yùn)行時(shí)的打印信息：

當(dāng)檢測(cè)到輸入當(dāng)前分辨率隨路時(shí)鐘小于CPLL最低限制（50MHz）時(shí)，DRU功能自動(dòng)使能，并開始計(jì)算CPLL、MMCM的分頻系數(shù)：

CPLL：

fPLLClkin=400MHz，此時(shí)計(jì)算出線速率時(shí)鐘為2500MHz，即在2.5Gbps的線速率下對(duì)低速數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣。使用ila抓取GTH配置寄存器0x0003，配置數(shù)據(jù)為0x1C61，其中bit8-5為RX_DATA_WIDTH，這里對(duì)應(yīng)值為3，即RX_DATA_WIDTH=20bit，此時(shí)rxoutclk=2500/20=125MHz。

2. 選擇native video接口時(shí)，ppc固定為4，tmds模式下video_de的寬度為Hactive/4，如下圖：

當(dāng)分辨率為FRL速率時(shí)，video_de信號(hào)并不是Hactive/4，此時(shí)需要配合video_cke_out使用，當(dāng)video_de和video_cke_out同時(shí)為高電平時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的video_data為有效像素點(diǎn)：

3. HDMI PHY Controller可以放在Block Design外面例化，此時(shí)可以通過修改GT_wizard以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)GT Quad的RX運(yùn)行HDMI2.1，TX實(shí)現(xiàn)其它協(xié)議的功能或TX運(yùn)行HDMI2.1，RX運(yùn)行其它協(xié)議：

參考資料

PG333 HDMI-PHY-Controller

PG351 HDMI2.1 Receiver Subsystem Product Guide

UG576 Ultrascale GTH Transceivers