基于FPGA的DVI/HDMI接口实现

基于ECP2M的接收功能实现
DVI/HDMI参考设计有发送和接收功能。在接收端，ECP2M利用内置模块SERDES恢复T M DS信号，通过SERDES内的时钟和数据恢复(CDR)电路完成这个处理。CDR电路将每个串行的T M DS通道转换至10位，并将具有同步时钟的数据传送至FPGA接口，然后在FPGA中进行数据处理达到同步。这要求有三个级别的同步，分别是在本文中称为“字节对齐”的10位同步、通道调整、多通道对齐。文章的后面讨论这些步骤。接下来是自动检测正在运行的数据流的分辨率(480p、720p、1080p或1080i)，并调整物理编码子层(PCS)参数。当在这些分辨率之间动态切换时，应保证优化运行。针对发送端，没有必要进行字节和通道对齐。10位模式的PCS是用来使数据串行化，并与液晶显示屏通信。
ECP2M/ECP3的CMLSERDES输入(见图3的接收信号流)收到T M DS三个通道的信号(0、1，和2)数据。由于DVI/HDMI的信号不采用标准的8B/10B编码，SERDES后面的PCS设置成10位模式(旁路)。T M DS信号传输使用对本协议唯一的四个对齐的字符(不同于8B/10B方式)。串行器与SERDES的CDR传递10位的原始数据，FPGA进行字节对齐。DVI/HDMI链路连接能以多个不同的频率发送数据，自动检测逻辑被用来检测正在传送的是哪种分辨率，并配置PCS以便在SERDES锁相环中实现锁定。

图3：HDMI/DVI链路的原理框图。

接收同步
一旦10位数据在FGPA中，执行上述定义的三个步骤(字节对齐、通道对齐、多通道对齐)是必须的。字节对齐：设计确定在数据流的哪里是10位数据字节的开始和结束。在FPGA结构中使用有限状态机(FSM)来完成这一任务。把数据流的第一个和第二个10位组合在一起，形成一个20位的总线；然后分解至9位、10位总线。在这一阶段，数据与对齐的字符进行比较，当字符顺序发生了8次(称为单通道对齐)，同步信号有效。状态图如图4所示。

图4：接收同步的状态图。

同步检测之后，对齐数据的字节写入FIFO。当所有三个通道都完成了“通道对齐”，就可以写入FIFO，至此通道对齐的任务就结束了。在这一阶段，FPGA将等待直到FIFO处于半满状态，并在同一时间(多通道对齐)对三个FIFO进行读操作 。这将保证三个通道对齐，并同步。
基于ECP2M的发送功能实现
ECP2M传送锁相环有最佳的操作范围，预定义的范围为：Low、MedLow、 Med、MedHigh 和High。通过SCI总线，所有这些范围在ECP2M中都是动态配置的。因为有各种各样的显示分辨率，针对理想的输出率，DVI/HDMI参考设计必须有SERDES组。例如，如果要求一个720p的HDMI显示，即742.5Mbps，SERDESPCS必须设置在适当的范围(MedLow)。显示的数据是放置在一个由DVI/HDMI参考设计定义的FIFO中。同步从三个T M DS的每个通道中读取数据，然后将FIFO的数据移至PCS，再用SERDES进行传输。PCS设置成10位模式，串行输出FIFO的数据。在这一阶段，采用合适的时钟，数据将被转换为新的T M D S 流，使接收器恢复信号，如果配上显示器，就会出现图像。具体原理见图5。

图5：DVI/HDM传输原理图。

系统演示和验证
这个DVI/HDMI参考设计是经过检验和验证的，并遵守相关规范。莱迪思已经实现了DVI环回演示，展示了设计的功能。可用ECP2M50E-SEVSERDES评估板和其它硬件来进行演示，莱迪思半导体公司提供评估板和其他硬件。除了电路板之外，系统演示还需要DVI至SMA的接口卡、各种DVI和SMA电缆、一个DVI源和监视器。整个演示和测试设置如图6所示。

图6：DVI/HDMI参考设计的演示和测试设置。

通过DVI至DVI或HDMI到DVI电缆，从笔记本电脑的接口得到DVI/HDMI数据流。DVI至SMA接口卡将转换为DVI连接器至SMA，可通过SMA电缆与评估板相连接。一旦信号到达FPGA，将进行处理并环回至TXSERDES通道。然后，通过SMA电缆传输数据送回到电路板上的SMA至DVI适配器，并最终在显示器上进行比较。ECP2M集成了用来接收和发送三个DVI T M DS数据流的代码。在FPGA内完成字节对齐和同步逻辑，并将数据存入FIFO。在传输方向，ECP2M从FIFO中取得数据，以10位的模式直接传送至SERDES。该设计确保可在FIFO中三个DVI/HDMI通道完全对齐。
利用内置的SERDES和可以从莱迪思半导体公司得到的参考设计，ECP2M可以成功地实现接收和/或传送DVI/HDMI接口功能。通过使用FPGA技术和参考设计，设计人员能够很快地实现设计的其余部分，并无缝地连接到一个DVI/ HDMI接口，以满足他们自己的特殊要求。