FPGA+ADV7511实现HDMI显示

一、前言

　　目前FPGA成为了视频图像实时处理的主要平台。显示作为图像应用设备的必要功能，对整体系统处理效果非常关键。HDMI是现阶段主流的显示接口，本文基于ADV7511芯片的HDMI显示系统，讲述HDMI显示过程中的一些原理和经验总结。

二、色彩空间转换

　　之前通过VGA接口显示图像时只清楚RGB图像格式，对YUV了解甚少。YUV是指亮度参量和色度参量分开表示的像素格式，而这样分开的好处就是不但可以避免相互干扰，还可以降低色度的采样率而不会对图像质量影响太大。所以HDMI显示中，经常选择YUV来表示图像信息。要想将图像的YUV信息送入ADV7511，首先需要完成RGB到YUV的格式转换。两种格式分析以及互转公式具体见参考文献1，这里只给出RGB转YUV的标准公式。

1. Y = (0.257 * R) + (0.504 * G) + (0.098 * B) + 16
2. Cb = U = -( 0.148 * R) - (0.291 * G) + (0.439 * B) + 128
3. Cr = V = (0.439 * R) - (0.368 * G) - (0.071 * B) + 128

　　上述三个公式均为乘加操作，调用MAC计算较为方便。在运算过程中首先整体向左移位将所有系数变为整数，再进行乘加操作，最后右移得到最终结果[2]。

三、HDMI显示原理及ADV7511芯片使用

　　HDMI接口通过三组TMDS串行差分信号来完成数据传输功能，示意图如下：

　　高速传输接口都是一个套路，编码->并串转换->串并转换->解码。HDMI传输流程细节见参考文献3。我们更多只关注ADV7511的核心用户侧接口及使用方式。ADV7511的内部结构如图：

　　左侧画红框的引脚是我们需要用到的。同步传输首先需要时钟CLK和数据D。然后是行场同步和数据有效指示HSYNC VSYNC DE。该芯片支持多种数据格式和工作模式，利用IIC总线的SDA和SCL读写内部控制寄存器。芯片内寄存器非常多，ADV7511 grogramming guide中的section3 -quick start guide给出了必要的配置向导[4]。其中输入视频格式配置最为重要，本文使用的是YUV 422 ，8bit，DDR with separate sync，left justified模式中的syle 2。

　　如图，这种模式下只用到了D[35:0]这36bit引脚中的[23:16]。配置寄存器地址为0X15和0X16。

　　我们再来看看ADV7511 hardware user's guide[5]中给出的DDR采样模式接口时序图。

　　FPGA端可利用ODDR原语输出双边沿采样数据。

四、显示Demo及效果

　　自定义HDMI显示IP的用户侧接收VGA格式数据，接口侧连接ADV7511芯片。用户接口包括：RGB HSYNC YSYNC DE。VGA图像数据格式在之前的博文中已有讲述[6]，注意两点：

1 HSYNC YSYNC是负脉冲

2 DE = HS_DE & YS_DE

　　上图是黑白格显示例程。从显示效果来看系统工作正常。

参考文献

1 YUV格式分析 - arm-linux - 博客园 http://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2012/02/15/2396763.html

2 （原创）用verilog实现RGB格式图像到YCbCr或YUV格式的转换及其验证方法 （RGB2YCrCb）（RGB2YUV） - 任怀鲁 - 博客园

https://www.cnblogs.com/lunix/archive/2011/07/31/rgb2yuv_design_verification.html

3 HDMI介绍与流程 - TaigaComplex求职中 - 博客园 https://www.cnblogs.com/TaigaCon/p/3840653.html

4 ADV7511 PROGRAMMING GUIDE. Low-Power HDMI 1.4 Compatible Transmitter with Audio Return Channel. - Revision G - PDF https://docplayer.net/30916605-Adv7511-programming-guide-low-power-hdmi-1-4-compatible-transmitter-with-audio-return-channel-revision-g.html

5 ADV7511 Design Support Files - Documents - Video - EngineerZone https://ez.analog.com/video/w/documents/794/adv7511-design-support-files

6 FPGA驱动VGA显示静态图片 - 没落骑士 - 博客园 https://www.cnblogs.com/moluoqishi/p/9544146.html