雙核嵌入式處理器的HDMI高清接口設(shè)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(tǒng)的圖像要求越來越高，傳統(tǒng)的VGA模擬顯示已經(jīng)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(shù)字高清系統(tǒng)的設(shè)計[1]，該設(shè)計可以較好地提升嵌入式系統(tǒng)圖像質(zhì)量。

DM6446是TI公司推出的雙核芯片，該芯片包括1個ARM子系統(tǒng)、1個DSP子系統(tǒng)和1個視頻處理子系統(tǒng)（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(chǎn)的符合HDMI1.3標準的HDMI發(fā)送芯片[3]。圖1是本設(shè)計的系統(tǒng)框圖。攝像頭采集的信號經(jīng)過視頻解碼芯片TVP5146之后轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn)

圖1 HDMI系統(tǒng)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(tài)參數(shù)的配置。在完成芯片的基本配置之后通過設(shè)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(guī)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(shù)據(jù)。加密認證之后，SiI9134開始輸出經(jīng)過加密的音視頻數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)并顯示實際的圖像。如果認證失敗，則顯示器無法解密發(fā)送端加密后的數(shù)據(jù)，將顯示雪花點信號。

圖2 HDMI工作時序圖

本系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 HDMI代碼流程圖

3 HDCP加密認證實現(xiàn)

HDCP版權(quán)內(nèi)容保護機制是HDMI系統(tǒng)的一項重要功能。為了對數(shù)字影像的內(nèi)容加以保護，HDMI發(fā)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(shù)據(jù)進行解析。加密認證的主要過程如圖4所示。HDMI發(fā)送芯片SiI9134首先需要產(chǎn)生一組64 bit的隨機數(shù)AN。此處只要將HDCP_CTRL寄存器的TX_ANSTOP位置1，SiI9134芯片就會產(chǎn)生一組隨機數(shù)。發(fā)送端將產(chǎn)生的隨機數(shù)AN通過DDC I2C接口寫入顯示器EDID （Extended Display Identification Data）對應(yīng)的寄存器空間。之后發(fā)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(jù)獲得的AN和AKSV就能計算出Ri′。為了實現(xiàn)密鑰互換，發(fā)送端從顯示器讀取BKSV，并計算出Ri。最后，發(fā)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(fā)送端啟動數(shù)據(jù)加密，開始傳輸經(jīng)過加密的音/視頻數(shù)據(jù)，而顯示器則可以根據(jù)密鑰對音/視頻數(shù)據(jù)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(tǒng)是雙I2C結(jié)構(gòu)的。SiI9134和顯示器都屬于從設(shè)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(guān)寄存器，SiI9134 I2C控制寄存器在獲得來自DM6446的命令之后再發(fā)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(xiàn)

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(xiàn)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(jù)此信息來顯示圖像[5]。傳統(tǒng)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(zhì)是為視頻的發(fā)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(shù)據(jù)長度和校驗和，其中前3 byte為固定值，而校驗和需要根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來計算。從0x44寄存器開始的15 byte是實際的控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(xiàn)AVI信息幀的傳輸，首先需要配置好相關(guān)控制參數(shù)，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(shè)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(wěn)定之后才能打開。因為SiI9134工作在內(nèi)同步模式下，需要從DM6446內(nèi)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(xiàn)方法類似。

5 HDMI與DVI的兼容性設(shè)計

考慮到現(xiàn)在有的LCD顯示器只支持DVI接口，而不支持HDMI接口，所以要設(shè)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(zhuǎn)換頭即可實現(xiàn)。而更多的兼容性設(shè)計主要體現(xiàn)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(shù)時可以先將所有HDMI功能都實現(xiàn)，只是在檢測到所連接的顯示器不支持HDMI時將某些功能關(guān)閉。所以對顯示器EDID的參數(shù)檢測是實現(xiàn)HDMI與DVI兼容性顯示的關(guān)鍵。

對于所連接顯示器的參數(shù)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(guī)范規(guī)定，CEA EDID數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡?個時序擴展段中要包含VSDB（Vendor Specific Data Block）信號[7]。如果是HDMI設(shè)備，就能找到一個有效的VSDB，它包含一個24 bit的HDMI數(shù)據(jù)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(yīng)用設(shè)計[J].電視技術(shù)，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(shù)字電視的HDMI1.3接收芯片點評[J].電視技術(shù)，2007，31（10）：41－43.

[4]沈璐.HDMI接口在音視頻接收系統(tǒng)中的設(shè)計與開發(fā)[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(shù)，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(shè)備中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2008（1）：115.