1、前言

本设计使用Xilinx原语和自己手写的代码实现了HDMI发送功能，纯verilog手写，有源码，也提供封装好的IP，你喜欢用例化的方式就用源码，你喜欢搭建BD工程就用IP，目前IP的适应器件为zynq，如果是用7系列FPGA的兄弟可以改一下芯片型号即可使用。
这个HDMI发送模块我已在项目中多次使用，稳定性和实用性可以保证，最大支持1080P@60Hz帧率。
本文详细描述了设计方案，工程代码编译通过后上板调试验证，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像传输领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；
关于HDMI的理论介绍这里不多说，请自行搜索，很简单，本文只讲如何代码层级实现的干货。

2、设计思路和框架

HDMI编码框图如下：
在这里插入图片描述 Encoder 模块负责对数据进行编码,Serializer 模块对编码后的数据进行并串转换,最后
通过 OBUFDS 转化成 TMDS 差分信号传输。
整个系统需要两个输入时钟,一个是视频的像素时钟 Pixel Clk,另外一个时钟 Pixel Clk x5 的频率是像
素时钟的五倍。由前面的简介部分我们知道,并串转换过程的实现的是 10:1 的转换率,理论上转换器需要一个 10 倍像素时钟频率的串行时钟。这里我们只用了一个 5 倍的时钟频率,这是因为 OSERDESE2 模块可以实现 DDR 的功能,即它在五倍时钟频率的基础上又实现了双倍数据速率。
TMDS 连接的时钟通道我们采用与数据通道相同的并转串逻辑来实现。通过对 10 位二进制序列10’b11111_00000 在 10 倍像素时钟频率下进行并串转换,就可以得到像素时钟频率下的 TMDS 参考时钟。
另外需要注意的是,图中左下脚 HDMI 的音频/附加数据输入在本次实验中并未用到,因此以虚线表示。

TMDS 编码算法

Encoder 模块完成TMDS 编码算法，dvi_encoder 模块按照 DVI 接口规范中 TMDS 编码算法对输入的 8 位像素数据以及 2 位行场同步信号进行编码。该模块是 Xilinx 应用笔记 XAPP460 中所提供的编码模块,其具体实现的编码算法如下图所示: 在这里插入图片描述 TMDS 通过逻辑算法将 8 位字符数据通过最小转换编码为 10 位字符数据,前 8 位数据由原始信号经运
算后获得,第 9 位表示运算的方式,1 表示异或 0 表示异或非。经过 DC 平衡后(第 10 位),采用差分信号传输数据。第 10 位实际是一个反转标志位,1 表示进行了反转而 0 表示没有反转,从而达到 DC 平衡。
接收端在收到信号后,再进行相反的运算。TMDS 和 LVDS、TTL 相比有较好的电磁兼容性能。这种算
法可以减小传输信号过程的上冲和下冲,而 DC 平衡使信号对传输线的电磁干扰减少,可以用低成本的专用电缆实现长距离、高质量的数字信号传输。
算法中各个参数的含义如下图所示:
在这里插入图片描述 Encoder 模块顶层接口如下：

module dvi_encoder (input            clkin,    // pixel clock inputinput            rstin,    // async. reset input (active high)input      [7:0] din  ,    // data inputs: expect registeredinput            c0   ,    // c0 inputinput            c1   ,    // c1 inputinput            de   ,    // de inputoutput reg [9:0] dout      // data outputs
);

代码部分并不复杂，就是将TMDS 编码算法的流程图翻译成了 verilog语言。

OSERDESE串并转换

TMDS 编码之后的数据由 Serializer 模块进行并串转换，通过调用 OSERDESE2 原语来实现 10:1 的并串转换。原语是 Xilinx 器件底层硬件中的功能模块,它使用专用的资源来实现一系列的功能。相比于 IP 核,原语的调用方法更简单,但是一般只用于实现一些简单的功能。
需要注意的是,一个 OSERDESE2 只能实现最多 8:1 的转换率,在这里我们通过位宽扩展实现了 10:1
的并串转换,如下图所示:
在这里插入图片描述 OSERDESE2 位宽扩展通过两个 OSERDESE2 模块来实现,其中一个作为 Master,
另一个作为 Slave,通过这种方式最多可实现 14:1 的并串转换。需要注意的是,在位宽扩展时,Slave 模块的数据输入端只能使用 D3 至 D8。
OSERDESE串并转换模块顶层接口如下：

module serializer_10_to_1(input              reset,              input              paralell_clk,       input              serial_clk_5x,    input   [9:0]   paralell_data,     output 		 serial_data_out    );

3、顶层源码和IP封装

将各个功能模块进行例化，即完成了本设计，为了适应不同的使用需求，提供源码的同时也将源码进行了IP封装，两者一并提供。
顶层源码如下：

module helai_hdmi_out(input         clk_hdmi     ,input         clk_hdmix5   ,input         reset_n      ,input         i_vga_hs     ,input         i_vga_vs     ,input         i_vga_de     ,	input  [23:0] i_vga_rgb    ,   output        o_hdmi_clk_p ,output        o_hdmi_clk_n ,output [2: 0] o_hdmi_data_p,output [2: 0] o_hdmi_data_n            
);wire        reset;//²¢ÐÐÊý¾Ý
wire [9:0]  red_10bit;
wire [9:0]  green_10bit;
wire [9:0]  blue_10bit;
wire [9:0]  clk_10bit;  //´®ÐÐÊý¾Ý
wire [2:0]  tmds_data_serial;
wire        tmds_clk_serial;//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************   
assign clk_10bit = 10'b1111100000;//Òì²½¸´Î»£¬Í¬²½ÊÍ·Å
asyn_rst_syn reset_syn(.reset_n    (reset_n),.clk        (clk_hdmi),.syn_reset  (reset)    //¸ßÓÐÐ§);//¶ÔÈý¸öÑÕÉ«Í¨µÀ½øÐÐ±àÂë
dvi_encoder encoder_b (.clkin      (clk_hdmi),.rstin	    (reset),.din        (i_vga_rgb[7:0]),.c0			(i_vga_hs),.c1			(i_vga_vs),.de			(i_vga_de),.dout		(blue_10bit)) ;dvi_encoder encoder_g (.clkin      (clk_hdmi),.rstin	    (reset),.din		(i_vga_rgb[15:8]),.c0			(i_vga_hs),.c1			(i_vga_vs),.de			(i_vga_de),.dout		(green_10bit)) ;dvi_encoder encoder_r (.clkin      (clk_hdmi),.rstin	    (reset),.din		(i_vga_rgb[23:16]),.c0			(i_vga_hs),.c1			(i_vga_vs),.de			(i_vga_de),.dout		(red_10bit)) ;//¶Ô±àÂëºóµÄÊý¾Ý½øÐÐ²¢´®×ª»»
serializer_10_to_1 serializer_b(.reset              (reset),                // ¸´Î»,¸ßÓÐÐ§.paralell_clk       (clk_hdmi),                 // ÊäÈë²¢ÐÐÊý¾ÝÊ±ÖÓ.serial_clk_5x      (clk_hdmix5),              // ÊäÈë´®ÐÐÊý¾ÝÊ±ÖÓ.paralell_data      (blue_10bit),           // ÊäÈë²¢ÐÐÊý¾Ý
//    .paralell_data      (10'h146),           // ÊäÈë²¢ÐÐÊý¾Ý.serial_data_out    (tmds_data_serial[0])   // Êä³ö´®ÐÐÊý¾Ý);    serializer_10_to_1 serializer_g(.reset              (reset),.paralell_clk       (clk_hdmi),.serial_clk_5x      (clk_hdmix5),.paralell_data      (green_10bit),//     .paralell_data      (10'h146),   .serial_data_out    (tmds_data_serial[1]));serializer_10_to_1 serializer_r(.reset              (reset),.paralell_clk       (clk_hdmi),.serial_clk_5x      (clk_hdmix5),.paralell_data      (red_10bit),//    .paralell_data      (10'h146),    .serial_data_out    (tmds_data_serial[2]));serializer_10_to_1 serializer_clk(.reset              (reset),.paralell_clk       (clk_hdmi),.serial_clk_5x      (clk_hdmix5),.paralell_data      (clk_10bit),.serial_data_out    (tmds_clk_serial));//×ª»»²î·ÖÐÅºÅ  
OBUFDS #(.IOSTANDARD         ("TMDS_33")    // I/OµçÆ½±ê×¼ÎªTMDS
) TMDS0 (.I                  (tmds_data_serial[0]),.O                  (o_hdmi_data_p[0]),.OB                 (o_hdmi_data_n[0]) 
);OBUFDS #(.IOSTANDARD         ("TMDS_33")    // I/OµçÆ½±ê×¼ÎªTMDS
) TMDS1 (.I                  (tmds_data_serial[1]),.O                  (o_hdmi_data_p[1]),.OB                 (o_hdmi_data_n[1]) 
);OBUFDS #(.IOSTANDARD         ("TMDS_33")    // I/OµçÆ½±ê×¼ÎªTMDS
) TMDS2 (.I                  (tmds_data_serial[2]), .O                  (o_hdmi_data_p[2]), .OB                 (o_hdmi_data_n[2])  
);OBUFDS #(.IOSTANDARD         ("TMDS_33")    // I/OµçÆ½±ê×¼ÎªTMDS
) TMDS3 (.I                  (tmds_clk_serial), .O                  (o_hdmi_clk_p),.OB                 (o_hdmi_clk_n) 
);endmodule

封装后的IP如下：
在这里插入图片描述