雙核嵌入式處理器的HDMI高清接口設計*

李 靜，安 康，孫亞萍

（杭州師范大學錢江學院 電氣機械工程系，浙江 杭州 310012）

1 引言

人們對于嵌入式系統的圖像要求越來越高，傳統的VGA模擬顯示已經無法完全滿足客戶的需求。筆者介紹了一種基于TMS320DM6446（簡稱DM6446）雙核處理器的HDMI數字高清系統的設計[1]，該設計可以較好地提升嵌入式系統圖像質量。

DM6446是TI公司推出的雙核芯片，該芯片包括1個ARM子系統、1個DSP子系統和1個視頻處理子系統（VPSS），其中VPSS包括1個視頻前端（VPFE）和1個視頻后端（VPBE）[2]。SiI9134 是 Silicon Image 公司生產的符合HDMI1.3標準的HDMI發送芯片[3]。圖1是本設計的系統框圖。攝像頭采集的信號經過視頻解碼芯片TVP5146之后轉換成8 bit BT.656信號送給DM6446視頻前端。DM6446視頻前端對圖像做放大、去隔行、白平衡等處理之后將其送給視頻后端，視頻后端將視頻數據按照16 bit BT.601格式送給HDMI芯片SiI9134，SiI9134最后將HDMI信號送給高清顯示器顯示。

2 HDMI工作流程及實現

圖1 HDMI系統框圖

圖2是HDMI芯片工作時序圖。首先需要對SiI9134做復位并將Mute位置1，之后完成對音/視頻工作頻率、工作模式、音/視頻路徑等靜態參數的配置。在完成芯片的基本配置之后通過設置輸出使能位打開輸出，并同時開啟通用控制信息幀（GCP）傳輸，GCP在圖像的消影期間傳輸，主要用于傳輸附加控制信息。此時因為GCP中的Mute位為1，所以顯示器接收到此標志位之后并不顯示實際圖像，而只輸出消屏（Blank）信號，也就是整個圖像為黑屏。之后SiI9134啟動圖像的HDCP（High-Bandwidth Digital Content Protection）加密認證。SiI9134只有通過認證識別到符合HDCP規范的顯示器并相互交換密鑰之后，顯示器才能正常顯示加密數據。加密認證之后，SiI9134開始輸出經過加密的音視頻數據，并將Mute位清0，重新打開GCP傳輸。顯示器接收到GCP并識別到Mute位為0之后開始解密數據并顯示實際的圖像。如果認證失敗，則顯示器無法解密發送端加密后的數據，將顯示雪花點信號。

圖2 HDMI工作時序圖

本系統的軟件實現流程圖如圖3所示。

圖3 HDMI代碼流程圖

3 HDCP加密認證實現

HDCP版權內容保護機制是HDMI系統的一項重要功能。為了對數字影像的內容加以保護，HDMI發送端對視頻信號先加密后傳輸，而接收端只有通過認證并獲取密鑰之后才能對加密的數據進行解析。加密認證的主要過程如圖4所示。HDMI發送芯片SiI9134首先需要產生一組64 bit的隨機數AN。此處只要將HDCP_CTRL寄存器的TX_ANSTOP位置1，SiI9134芯片就會產生一組隨機數。發送端將產生的隨機數AN通過DDC I2C接口寫入顯示器EDID （Extended Display Identification Data）對應的寄存器空間。之后發送端將自己的密鑰AKSV傳送給顯示器并將其寫入DDC_AKSV地址。顯示器根據獲得的AN和AKSV就能計算出Ri′。為了實現密鑰互換，發送端從顯示器讀取BKSV，并計算出Ri。最后，發送端讀回顯示器計算得出的Ri′并與Ri做比較，如果兩者相等則加密認證通過。之后發送端啟動數據加密，開始傳輸經過加密的音/視頻數據，而顯示器則可以根據密鑰對音/視頻數據進行解密[2]。

SiI9134和HDMI顯示器之間的HDCP加密通信過程都是通過DDC I2C接口完成的。從圖5可以看出，HDMI系統是雙I2C結構的。SiI9134和顯示器都屬于從設備，無法直接通信，所以需要DM6446先通過與SiI9134之間的I2C接口控制其相關寄存器，SiI9134 I2C控制寄存器在獲得來自DM6446的命令之后再發起和顯示器之間的I2C通信。

圖4 HDCP加密認證過程

圖5 HDMI雙I2C接口示意圖

4 HDMI信息幀的實現

HDMI允許在視頻信號消隱期間傳輸信息幀（Infoframe）。HDMI共有7種格式的信息幀，本文以最常用的輔助視頻信息幀（AVI）的實現加以說明。AVI信息幀主要包含視頻色空間、圖像畫面比例、是否縮放、SDTV/HDTV等信息。顯示器接收到這些信息之后就可以更好地顯示畫面。例如在AVI信息幀中指定當前圖像的色空間為YUV4∶2∶2格式，顯示器就可以根據此信息來顯示圖像[5]。傳統的VGA和DVI等接口就沒有此功能，所以只能傳送RGB格式的信號。信息幀的本質是為視頻的發送端和接收顯示端添加了一個通信的機制。AVI信息幀的格式如表1所示。表中前4 byte分別是信息幀標志位、版本號、數據長度和校驗和，其中前3 byte為固定值，而校驗和需要根據所傳輸的數據來計算。從0x44寄存器開始的15 byte是實際的控制數據，數據的意義可以參見EIA標準文檔 CEA-861-B[6]。

表1 AVI信息幀定義

為了實現AVI信息幀的傳輸，首先需要配置好相關控制參數，然后將0x40～0x52（不包括0x43）寄存器的值按unsigned char類型做累加，最后將累加和按位取反得到校驗和并將其填入0x43寄存器。之后將INF_CTRL1寄存器的AVI_PRT和AVI_EN位同時置1，打開AVI信息幀輸出。AVI_RPT代表重復模式，也就是每一幀圖像的控制期都傳輸AVI信息幀。在設計時一定要注意AVI_EN使能位必須在軟件Power up使能和輸入時鐘及時序穩定之后才能打開。因為SiI9134工作在內同步模式下，需要從DM6446內同步信號中獲取同步信息，所以要先打開DM6446的視頻輸出，再打開AVI信息幀傳輸。其他種類信息幀的實現方法類似。

5 HDMI與DVI的兼容性設計

考慮到現在有的LCD顯示器只支持DVI接口，而不支持HDMI接口，所以要設計一種兼容兩種模式的輸出方案。在硬件接口上，只要通過一個普通的HDMI-DVI轉換頭即可實現。而更多的兼容性設計主要體現在軟件方面。DVI相比HDMI，主要是不支持音頻、信息幀、YUV色彩空間等。在軟件編寫子函數時可以先將所有HDMI功能都實現，只是在檢測到所連接的顯示器不支持HDMI時將某些功能關閉。所以對顯示器EDID的參數檢測是實現HDMI與DVI兼容性顯示的關鍵。

對于所連接顯示器的參數檢測主要是通過SiI9134 DDC I2C接口獲取顯示器E2PROM中存儲的EDID信息。EIA/CEA 861B規范規定，CEA EDID數據傳輸的第1個時序擴展段中要包含VSDB（Vendor Specific Data Block）信號[7]。如果是HDMI設備，就能找到一個有效的VSDB，它包含一個24 bit的HDMI數據識別符，其值為0x000C03。只要SiI9134從顯示器EDID空間查找到該描述符就認為其所連接的是HDMI顯示器，并將全局變量bHDMI置1，開啟所有HDMI功能。反之，如果無法查找到有效的VSDB標識符，軟件就將bHDMI清0，只開啟DVI功能。此外，為了更好地兼容DVI顯示，可以通過讀取顯示器EDID信息來判斷所接顯示器的類型，從而決定是否開啟HDMI的全部功能。

[1]董慶敏，羅鍵.HDMI接口標準及應用設計[J].電視技術，2007，31（2）：32-34.

[2]TexasInstrumentsIncorporated.TMS320DM6446digitalmedia Systemon-Chip[EB/OL].[2009-10-20].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm6446.pdf.

[3]沈璐，鄭善賢.用于數字電視的HDMI1.3接收芯片點評[J].電視技術，2007，31（10）：41－43.

[4]沈璐.HDMI接口在音視頻接收系統中的設計與開發[D].長沙：湖南大學，2007.

[5]姜巧巧，馮維，王身鴻.基于Davinci平臺視頻縮放操作的改進[J].電視技術，2008，32（8）：31-32.

[6]Electronic Industries Alliance.A DTV profile for uncompressed high speed digital interfaces，EIA standards EIA/CEA-861-B[S].2002.

[7]陳建英.EDID在HDMI高清設備中的應用[J].電子產品世界，2008（1）：115.