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1. 实验简介

实验目的：

      完成 HDMI 回环实验

实验环境：

      Window11

      PDS2022.2-SP6.4

硬件环境：

      MES2L676-100HP

2. 实验原理

      HDMI 输入接口采用宏晶微 MS7200 HMDI 接收芯片，HDMI 输出接口采用宏晶微 MS7210 HMDI 发送芯片。 芯片兼容 HDMI1.4b 及以下标准视频的 3D 传输格式，最高分辨率高达 4K@30Hz，最高采样率达到 300MHz， 支持 YUV 和 RGB 之间的色彩空间转换，数字接口支持 YUV 及 RGB 格式。

      MS7200 和 MS7210 的 IIC 配置接口与 FPGA 的 IO 相连，通过 FPGA 的编程来对芯片进行初始化和配置操作。

      MES2L100HP 开发板上将 MS7200 的 SA 管脚下拉到地，故 IIC 的 ID 地址为 0x56，将 MS7210 的 SA 管脚 上拉到电源电压，故 IIC 的 ID 地址为 0xB2。

2.1. 显示原理

      下图表示一个 8*8 像素的画面，图中每个格子表示一个像素点，显示图像时像素点快速点亮的过程按表格中 编号的顺序逐个点亮，从左到右，从上到下，按图中箭头方向的“Z”字形顺序。

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      以上图为例，每行 8 个像素点，每完成一行信号的传输，会转到下一行信号传输，直到完成第 8 行数据的传输， 就完成了一个画面的数据传输了，一个画面也称为一场或一帧，显示每秒中刷新的帧数称为帧率。比如 1920*1080P 像素，就是 1 行有效像素点 1920，一场有效行为 1080 行。

      每个像素点的像素值数据，对应每个像素点的颜色。常见的像素值表示格式比如：RGB888，RGB 分别代表： 红 R,绿 G，蓝 B，888 是指 R、G、B 分别有 8bit，也就是 R、G、B 每一色光有 28=256 级阶调，通过 RGB 三色光的 不同组合，一个像素上最多可显示 24 位的 256*256*256 =16,777,216 色。

      HDMI 显示的数据源采用 verilog 编写的显示时序产生模块 sync_vg 实现上图的时序，彩条生成模块 pattern_vg 根据像素点所在位置，即列数和行数确定像素值，实现彩条图案。

2.2. HDMI_PHY 配置

      MS7200 为 HMDI 接收芯片，MS7210 为 HMDI 发送芯片，芯片的 IIC 配置接口已与 FPGA 的 IO 相连，芯片 正常使用需要通过 FPGA 的对芯片进行初始化和配置操作。寄存器配置切忌修改。具体配置可以参考 demo。

3. 接口列表

顶层模块接口如下所示：

4. 工程说明

      系统时钟 sys_clk 通过 pll 锁相环 IP 分出 cfg_clk 给到 ms72xx_ctl 模块，该模块通过 IIC 配置 MS7200 与 MS7210 芯片。HDMI 输入的数据经过 MS7200 芯片解码后转成标准 RGB 格式的数据输入到 FPGA 中。再将该数 据输出到 MS7210 芯片。MS7210 将 RGB 格式的数据编码成 TMDS 信号对外输出。

5. 代码模块说明

Ms72xx_ctl.v 模块

module ms72xx_ctl(input clk,input rst_n,output init_over,output iic_tx_scl,inout iic_tx_sda,output iic_scl,inout iic_sda
);reg rstn_temp1, rstn_temp2;reg rstn;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)rstn_temp1 <= 1'b0;elserstn_temp1 <= rst_n;endalways @(posedge clk) beginrstn_temp2 <= rstn_temp1;rstn <= rstn_temp2;endwire init_over_rx;wire [7:0] device_id_rx;wire iic_trig_rx;wire w_r_rx;wire [15:0] addr_rx /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire [7:0] data_in_rx;wire busy_rx;wire [7:0] data_out_rx;wire byte_over_rx;wire [7:0] device_id_tx;wire iic_trig_tx;wire w_r_tx;wire [15:0] addr_tx /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire [7:0] data_in_tx;wire busy_tx;wire [7:0] data_out_tx;wire byte_over_tx;ms7200_ctl ms7200_ctl(.clk      (clk),           // input.rstn     (rstn),          // input.init_over(init_over_rx),  // output reg.device_id(device_id_rx),  // output [7:0].iic_trig (iic_trig_rx),   // output reg.w_r      (w_r_rx),       // output reg.addr     (addr_rx),       // output reg [15:0].data_in  (data_in_rx),    // output reg [7:0].busy     (busy_rx),       // input.data_out (data_out_rx),   // input [7:0].byte_over(byte_over_rx)   // input);ms7210_ctl ms7210_ctl(.clk      (clk),           // input.rstn     (init_over_rx),  // input.init_over(init_over),     // output reg.device_id(device_id_tx), // output [7:0].iic_trig (iic_trig_tx),  // output reg.w_r      (w_r_tx),       // output reg.addr     (addr_tx),      // output reg [15:0].data_in  (data_in_tx),   // output reg [7:0].busy     (busy_tx),      // input.data_out (data_out_tx),  // input [7:0].byte_over(byte_over_tx)  // input);wire sda_in     /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire sda_out    /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire sda_out_en /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;iic_dri #(.CLK_FRE    (27'd10_000_000),  // system clock frequency.IIC_FREQ   (20'd400_000),     // I2c clock frequency.T_WR       (10'd1),           // I2c transmit delay ms.ADDR_BYTE  (2'd2),            // I2C addr byte number.LEN_WIDTH  (8'd3),            // I2C transmit byte width.DATA_BYTE  (2'd1)             // I2C data byte number) iic_dri_rx (.clk        (clk),.rstn       (rstn),.device_id  (device_id_rx),.pluse      (iic_trig_rx),     // I2C transmit trigger.w_r        (w_r_rx),         // I2C transmit direction 1:send 0:receive.byte_len   (4'd1),            // I2C transmit data byte length.addr       (addr_rx),         // I2C transmit addr.data_in    (data_in_rx),      // I2C send data.busy       (busy_rx),         // I2C bus status.byte_over  (byte_over_rx),    // I2C byte transmit over flag.data_out   (data_out_rx),     // I2C receive data.scl        (iic_scl),.sda_in     (sda_in),.sda_out    (sda_out),.sda_out_en (sda_out_en));assign iic_sda = sda_out_en ? sda_out : 1'bz;assign sda_in = iic_sda;wire sda_tx_in     /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire sda_tx_out    /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;wire sda_tx_out_en /*synthesis PAP_MARK_DEBUG="true"*/;iic_dri #(.CLK_FRE    (27'd10_000_000),  // system clock frequency.IIC_FREQ   (20'd400_000),     // I2c clock frequency.T_WR       (10'd1),           // I2c transmit delay ms.ADDR_BYTE  (2'd2),            // I2C addr byte number.LEN_WIDTH  (8'd3),            // I2C transmit byte width.DATA_BYTE  (2'd1)             // I2C data byte number) iic_dri_tx (.clk        (clk),.rstn       (rstn),.device_id  (device_id_tx),.pluse      (iic_trig_tx),     // I2C transmit trigger.w_r        (w_r_tx),          // I2C transmit direction 1:send 0:receive.byte_len   (4'd1),            // I2C transmit data byte length.addr       (addr_tx),         // I2C transmit addr.data_in    (data_in_tx),      // I2C send data.busy       (busy_tx),         // I2C bus status.byte_over  (byte_over_tx),    // I2C byte transmit over flag.data_out   (data_out_tx),     // I2C receive data.scl        (iic_tx_scl),.sda_in     (sda_tx_in),.sda_out    (sda_tx_out),.sda_out_en (sda_tx_out_en));assign iic_tx_sda = sda_tx_out_en ? sda_tx_out : 1'bz;assign sda_tx_in = iic_tx_sda;endmodule

      该模块主要完成对 ms7210 和 ms7200 芯片的 IIC 配置。具体代码不详细分析，按照 IIC 协议去完成即可， 然后就是配置 ms7210 和 ms7200 的寄存器即可。以下给出 IIC 协议的时序说明，如下图所示：

      当 SDA 和 SCL 都处于高电平时，表示空闲状态，因此在硬件设计时其实也要通过上拉电阻将信号拉高，表示 空闲。当 SCL 保持高电平时，SDA 拉低时表示 IIC 总线启动，标志一次数据传输的开始，在开始前，IIC 总线必须处 于空闲状态。在数据传输过程中，SDA 上逐位串行传输每一位数据，在 SCL 高电平期间，SDA 必须保持稳定。当 SCL 为低电平时，SDA 才允许改变。

      IIC 总线每次传输一个字节，也就是传输 8 个 bit，每 8bit 后要收到一个来自接收方反馈的 ACK(应答信号)， 该应答信号为高电平时，表示接收方接收字节失败。为低电平时，表示有效。之后，在 SCL 高电平期间，SDA 重新 拉高，则表示传输结束，IIC 总线回到空闲状态。

6. 实验现象

连接好 MES2L100HP 开发板、视频源和显示器；

      注意视频源必须为 1920*1080P@60，下图为设置分辨率步骤，下载程序，可以看到显示器显示与视频源一致的图像。

      上图为 FPGA 的 HDMI_OUT 输出的图像。

      注意事项：

      需要插上 HDMI 接口，板子上电时才会对 HDMI 芯片进行配置，否则将配置失败。

      我们对 HDMI 芯片配置时使用的是 RGB888 协议，如果视频源的颜色格式不是 RGB888，会出现一些问题。 如上图，视频源的颜色格式是 YCbCr444，回环实验中，在显示器上显示视频源的画面，显示器上的画面颜色会偏绿。