从零开始设计并实现HDMI显卡

廖雪峰 / 文章 / ... / Reads: 9615 Edit

从零开始设计并实现VGA显卡一文中,我们已经设计并实现了一个VGA显卡。

遗憾的是,现在VGA接口的显示器几乎找不到了,因为显示器的主流接口都是HDMI,某些高端显示器还有更先进的DP接口。如果只实现VGA接口,那我们还得找一条VGA到HDMI的转接头。因此,在VGA显卡的基础上,今天,我们把接口直接升级到HDMI,这样就可以直接用HDMI线输出到显示器了!

在编写代码前,我们先简单介绍一下计算机显示接口的几个标准:

  1. VGA接口:这是最早由IBM用于电脑显示器的视频接口,它输出的是RGB模拟信号;
  2. DVI接口:为了改进VGA使用模拟信号的缺点,DVI使用一种TMDS(最小化传输差分信号)实现了RGB数字编码,但是很快就被更新的HDMI接口取代了;
  3. HDMI接口:和DVI接口一样使用TMDS全数字传输,但可以同时传输视频和音频,而且不限于电脑显示器,它支持电视、平板等任何显示设备;
  4. DP接口:专门为4K/8K/16K显示器设计,最新2.0版本有80Gbps的超大带宽。

今天我们来实现主流的HDMI Type A接口,它长这样:

hdmi-a

HDMI接口主要信号线包括两条TDMS时钟信号,6条TDMS数据信号分别传输RGB数据。因为HDMI是纯数字接口,RGB分量都是8bit,因此,和VGA使用RGB-565不同,HDMI的RGB是888,即24bit。

和VGA接口类似的是,HDMI使用的行场同步信号与VGA完全一致,因此,我们要输出640x480@60Hz,可以复用VGA的电路,在vga_ctrl模块的基础上,再添加一个hdmi_ctrl模块,把VGA信号输出转换为HDMI信号。

因为HDMI输出24bit的RGB信号,所以我们要修改一下vga_ctrl,添加一个参数RGB_WIDTH来表示输出的RGB位宽:

module vga_ctrl #(
    parameter PIX_REQ_OFFSET = 1, // default to 1
    parameter RGB_WIDTH = 16 // 16 = RGB-565, 24 = RGB-888
)
(
    input  wire clk,
    input  wire rst_n,
    input  wire [RGB_WIDTH-1:0] in_rgb,

    output wire hsync,
    output wire vsync,
    output wire pix_data_req,
    output [9:0] pix_x,
    output [9:0] pix_y,
    output pix_valid,
    output wire [RGB_WIDTH-1:0] out_rgb
);

对应的index_color_to_rgb负责把索引色转换成RGB,需要将原来输出16bit的RGB修改为24bit:

module index_color_to_rgb (
    input wire [3:0] color_index,
    output reg [23:0] color_rgb
);
    always @ (*) begin
        case (color_index)
            4'd0: color_rgb = 24'b00000000_00000000_00000000;
            4'd1: color_rgb = 24'b00000000_00000000_10101010;
            4'd2: color_rgb = 24'b00000000_10101010_00000000;
            ...
        endcase
    end
endmodule

实现HDMI输出的关键是把并行信号转换成串行信号,一个8bit分量需要编码为10bit串行数据,所以需要两个时钟:一个25MHz的VGA时钟,另一个5x即125MHz时钟实现串行编码,最后,把串行信号进行差分编码输出:

hdmi-ctrl

TMDS编码规则比较简单,但流程比较繁琐,因此,我们直接从网上下载一个现成的编码器,实现hdmi_ctrl模块,然后在顶层模块中把vga_ctrl输出到hdmi_ctrl,最后输出的信号就是HDMI信号:

vga-hdmi

我们仿真验证无误后,就可以综合并写入FPGA。写入FPGA后连接显示器测试,如果一切无误,显示器会显示我们初始化RAM的字符:

可以从GitHub下载源码。

参考:野火HDMI显示器驱动设计与验证

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Author: 廖雪峰

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