HDMI LVDS 工程学习记录

王氏大王

15小时前更新

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720p HDMI 透传工程 — 涵盖 TMDS 编解码、LVDS 差分 IO、SERDES 原语、相位对齐算法、跨时钟域设计

一、背景知识：HDMI 与 TMDS

1.1 HDMI 物理层

HDMI 使用 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling） 串行差分传输，包含：

通道	内容	本工程速率（720p）
DATA[0]（蓝）	B[7:0] + HS + VS（消隐期）	742.5 Mbps
DATA[1]（绿）	G[7:0]	742.5 Mbps
DATA[2]（红）	R[7:0]	742.5 Mbps
CLK	像素时钟（74.25MHz编码为固定码 `1111100000`）	74.25 MHz

1.2 TMDS 编码原理（8b10b，非标准）

TMDS 不是标准 8b10b，而是 DVI/HDMI 专用编码方案：

 原始 8bit 像素数据
     ↓ 第一步：异或/同或（选择 1 个数少的结果），得到 9bit
     ↓ 第二步：DC 平衡（记录累计极性，决定是否取反），得到 10bit
 
 10bit 中：
   bit[9]  = 是否取反
   bit[8]  = 异或/同或选择位
   bit[7:0]= 编码后数据
 
 消隐期（HS/VS/DE=0）：发送固定控制字（CTRL TOKEN）
   CTRLTOKEN0 = 10'b1101010100  (HS=0, VS=0)
   CTRLTOKEN1 = 10'b0010101011  (HS=1, VS=0)
   CTRLTOKEN2 = 10'b0101010100  (HS=0, VS=1)
   CTRLTOKEN3 = 10'b1010101011  (HS=1, VS=1)

要点：控制字（CTRL TOKEN）的特殊编码使其在统计上极不可能出现在正常像素数据中，接收端专门检测这些固定码型来进行字对齐和相位校准。

1.3 TMDS 接收时序关系

  串行数据 ─────┐
                ├──→ ISERDES (1:10解串) ──→ 10bit 并行 ──→ TMDS解码 ──→ 8bit 像素
  位时钟         │
 (742.5MHz) ────┘
     ↑
   pll_5x × 5
     ↑
   CLKIN (74.25MHz，来自TMDS CLK通道)

二、工程整体架构

A板（发送）

 video_pll(50→74.25MHz)
     ↓ pix_clk
 sync_vg → pattern_vg → rgb2tmds → LVDS TX → [HDMI线缆]
               ↑                        ↑
          视频时序          tmds_encoder + outputserdes

B板（接收透传）

 [HDMI线缆] → LVDS RX → tmds2rgb → [rx_vid_de/hs/vs/data]
                                         ↓
                               rgb2tmds → LVDS TX → [显示器]

三、TX 路径详解

3.1 视频时序生成（`sync_vg`）

标准视频时序由水平/垂直计数器产生，720p@60Hz 参数：

 H_TOTAL=1650  H_ACT=1280  H_SYNC=40  H_BP=220  H_FP=110
 V_TOTAL=750   V_ACT=720   V_SYNC=5   V_BP=20   V_FP=5
 像素时钟=74.25MHz

输出：hs（水平同步）、vs（垂直同步）、de（数据有效）、act_x/y（当前像素坐标）

3.2 图案生成（`pattern_vg`）

根据 act_x 和 act_y 坐标生成 RGB 测试图案（彩条/渐变）。

3.3 TMDS 编码（`tmds_encoder`，每通道一个）

 // 消隐期：输出控制字
 // 有效期：8bit RGB → TMDS 8b10b 编码 → 10bit
 // 蓝色通道（i=0）特殊：pc0=HS，pc1=VS 编入控制字中

3.4 串行化（`outputserdes`）

使用 MASTER+SLAVE 两片 GTP_OSERDES_E2 级联实现 10:1 DDR 并串转换：

 10bit 并行（pixelclk=74.25MHz）
     ↓ GTP_OSERDES_E2 (DDR10TO1)
 1bit 串行（serialclk=371.25MHz，DDR等效742.5Mbps）
     ↓ GTP_OUTBUFDS
 TMDS 差分输出 (LVDS25，VCCIO=2.5V)

关键：Slave 提供 bit[9:8]，Master 提供 bit[7:0]，通过 cascade 连接。CLK 通道固定发送 10'b1111100000（无需编码）。

四、RX 路径详解（核心难点）

4.1 时钟恢复（`tmds_input_clk_serdes`）

 HDMI CLK 差分输入
     ↓ GTP_INBUFGDS（差分→单端）
     ↓ GTP_CLKBUFG（进全局时钟网络）
     ↓ pll_5x（74.25MHz → 74.25MHz + 371.25MHz）
          ↓              ↓
     tmds_clk_1x    tmds_clk_5x
    (像素时钟)       (串行采样时钟)

为什么需要 pll_5x：接收到的 74.25MHz TMDS 时钟只是像素级频率，ISERDES 需要 5 倍的 371.25MHz 来对 742.5Mbps 的数据进行 DDR 采样（371.25×2=742.5Msps）。

4.2 解串与延迟调整（`tmds_input_data_serdes`）

 差分数据输入
     ↓ GTP_INBUFDS（差分→单端）
     ↓ GTP_IODELAY_E2（输入延迟，5ps/step，动态可调）
     ↓ GTP_ISERDES_E2 MASTER（捕获 bit[7:0]）
       GTP_ISERDES_E2 SLAVE （捕获 bit[9:8]）
     ↓ 数据位序翻转（GTP_OSERDES 输出是反序的）
     ↓ 10bit 并行数据

IDELAY 的作用：精细调整数据采样时刻，找到信号眼图中心。步长 5ps，范围 0-247 步（0-1235ps）。

BITSLIP 的作用：当 10bit 字边界对齐错误时，移动一个比特位，重新建立字对齐。最多需要 10 次 BITSLIP 遍历所有可能对齐。

4.3 相位对齐状态机（`phasealign`）—— 最复杂的模块

核心思路：利用 TMDS 消隐期发送的固定 CTRL TOKEN，自动搜索正确的 IDELAY 步数和 BITSLIP 次数。

 ┌─────────────────────────────────────────────────────┐
 │                   状态机执行流程                       │
 │                                                       │
 │   ST_RESET → ST_IDLE                                  │
 │                  │                                    │
 │          在这里等待 CTRL TOKEN 或 超时（50μs）         │
 │                  │                  │                 │
 │            token出现           超时，信号不对          │
 │                  ↓                  ↓                 │
 │              ST_TOKEN        ST_JITTER_ZONE           │
 │                  │                  ↓                 │
 │         稳定16个 pix_clk     ST_INC_DELAY             │
 │                  ↓           (delay_cnt+1)            │
 │           ST_ALIGN_PASS      ST_DELAY_OVERTEST        │
 │            (锁定完成✅)            │                   │
 │                           若delay<64: → ST_IDLE 重试  │
 │                           若delay=64: → ST_ALIGN_ERROR│
 │                                            ↓          │
 │                                       触发 BITSLIP    │
 │                                       复位重试最多10次 │
 └─────────────────────────────────────────────────────┘

两个关键时钟域的协作：

pix_clk（74.25MHz）：运行 FSM 主体，检测 TOKEN，计数 BITSLIP 延迟
clk_200m（200MHz）：运行超时计数器（200MHz 更稳定，且时钟频率固定，pix_clk 失锁时不稳定）
跨时钟域：timeout_rst_pix → 200m（2-flop同步），timeout_max_200m → pix（2-flop同步）

IDELAY 搜索参数（优化后）：

 Findeye_MAXDelay = 64   // 64步×5ps = 320ps，>pll_5x最大偏移±270ps
 Timeout_total_cnt= 10000  // @200MHz=50μs，覆盖完整H-blank(4.99μs/行)

4.4 通道对齐（`channel_align`）

三路通道（R/G/B）的 phasealign 完成时刻可能不同，传播延迟也有差异。需要 FIFO 补偿通道间延迟差：

 // 原理：
 // 1. 各自 phasealign 完成（all_pligned）后，各通道数据写入 FIFO
 // 2. 等待三通道都ready，统一开始读FIFO
 // 3. 读指针对齐保证三路数据时间对齐
 // GTP_FIFO18K_E1 原语，因位宽不能为10，用了 channel_fifo_10to10（自定义FIFO）

4.5 TMDS 解码（`decoder`）

 // 消隐期：识别CTRL TOKEN → 输出 HS/VS，pvde=0
 // 有效期：反 TMDS 解码
 //   bit[7:0] = (bit[9]=1) ? ~data[7:0] : data[7:0]   // 反转还原
 //   反差分解码：(bit[8]=1)? XOR还原 : XNOR还原        // 差分解码
 // 输出：8bit 像素数据 + pvde + hs + vs

五、时钟架构总览

 sys_clk (50MHz)
 ├── pll_sys → clk_200m (200MHz)
 │   用途：① phasealign 超时计时  ② 热插拔恢复计数器
 │
 └── video_pll → pix_clk (74.25MHz) + pix_clk_5x (371.25MHz)
     [仅A板使用，B板已移除]
 
 HDMI RX CLK 输入 (74.25MHz)
 └── pll_5x → tmds_clk_1x (74.25MHz) + tmds_clk_5x (371.25MHz)
     用途：① ISERDES 采样时钟
           ② B板 TX 编码器时钟（与RX同源，无需CDC）
           ③ LED 计数器时钟（指示RX锁定状态）

六、跨时钟域（CDC）设计要点

6.1 单信号跨域：2-flip同步器

 // 将 clk_200m 域的信号同步到 rx_pix_clk 域
 reg [1:0] sync_ff;
 always @(posedge rx_pix_clk or negedge async_rst) begin
     if (!async_rst)  sync_ff <= 2'b00;
     else             sync_ff <= {sync_ff[0], signal_200m};
 end
 wire signal_pix = sync_ff[1];

注意：若目标时钟（rx_pix_clk）可能停振（如 PLL 失锁），必须将导致时钟停止的信号加入 async reset sensitivity list，否则同步器会冻结，无法正确复位。

6.2 本工程中的 CDC 场景

信号	源域	目标域	方式
`timeout_max`	`clk_200m`	`pix_clk`	2-flop 同步
`timeout_rst`	`pix_clk`	`clk_200m`	2-flop 同步
`rx_recovery_done`	`clk_200m`	`rx_pix_clk`	2-flop + async rst（含 `!rx_tmds_locked`）

七、关键 FPGA 原语说明

原语	作用	本工程参数
`GTP_INBUFGDS`	差分输入→全局时钟缓冲	CLK通道
`GTP_INBUFDS`	差分输入→单端	DATA通道，无时钟网络
`GTP_CLKBUFG`	全局时钟缓冲	CLK通道，进全局时钟网
`GTP_IODELAY_E2`	输入延迟，5ps/step	`DELAY_STEP_SEL="PARAMETER"`，动态控制
`GTP_ISERDES_E2`	串并转换，1:10，DDR	MASTER+SLAVE级联，BITSLIP使能
`GTP_OSERDES_E2`	并串转换，10:1，DDR	MASTER+SLAVE级联，DDR10TO1模式
`GTP_OUTBUFDS`	单端→差分输出	TMDS模式，LVDS25
PLL原语	时钟频率/相位合成	`video_pll`/`pll_sys`/`pll_5x`

八、IO 约束要点

使用紫光同创 PDS 工具的 .fdc 约束文件：

 # 创建时钟约束
 create_clock -name {sys_clk} [get_ports {sys_clk}] -period {20.000}
 
 # IO 属性约束
 define_attribute {p:tmds_data_p[2]} {PAP_IO_STANDARD} {LVDS25}
 define_attribute {p:tmds_data_p[2]} {PAP_IO_LOC} {K19}
 define_attribute {p:tmds_data_p[2]} {PAP_IO_VCCIO} {2.5}

LVDS TX 引脚	IO标准	VCCIO
`tmds_data/clk _p/n`	`LVDS25`	2.5V

LVDS RX 引脚	IO标准	额外设置
`i_rx_tmds_data/clk_p/n`	`LVDS25`	`BUS_KEEPER=NONE`，`DIFF_IN_TERM_MODE=OFF`

九、调试手段

9.1 在线逻辑分析仪（PAP_MARK_DEBUG）

紫光同创 PDS 支持类似 Vivado ILA 的在线调试，在需要观测的信号上添加属性：

 wire [9:0] data_10bit_ori; /* synthesis PAP_MARK_DEBUG="true" */

综合后在 PDS 中配置抓取条件，可在 FPGA 运行时捕获内部信号波形，对 phasealign 调试非常有用。

9.2 LED 状态指示

 // LED 由 RX 恢复时钟(74.25MHz)驱动，闪烁频率约 0.7Hz
 assign led = pwm_cnt[29:25];
 // LED 均匀闪烁 → RX 时钟正常
 // LED 全亮/全灭 → pll_5x 未锁定或 clk 停振

十、设计要点与学习总结

序号	要点
1	TMDS 编码是 DVI/HDMI 专用，不是标准 8b10b，消隐期发固定 CTRL TOKEN
2	RX 时钟恢复=先用 INBUFGDS 接收差分时钟，再用 pll_5x 生成 5×采样时钟
3	ISERDES 解串后数据有位反转，需用 `generate` 语句对 10bit 做逐位翻转
4	IDELAY 调细采样点（5ps级），BITSLIP 调字对齐（1bit级），两者配合完成对齐
5	phasealign 用 CTRL TOKEN 作为”锚点”检测对齐，需保证每个延迟点的等待时间>一个消隐区间
6	B板透传：TX 时钟必须与 RX 恢复时钟同源，避免引入跨时钟域问题
7	热插拔复位：包含 pll_5x 失锁的复位信号，必须进入 async reset sensitivity list，防止时钟停振后寄存器冻结
8	RX 恢复计数器应使用始终稳定的时钟（200MHz），不应用可能停振的 rx_pix_clk
9	三通道独立对齐后，需 FIFO 做通道间时延补偿，再统一释放数据
10	IDELAY 搜索范围应覆盖 pll_5x 锁定后最大相位不确定性（约±270ps=54IDELAY步）

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