Распиновка HDMI: тип A, C и D

Распиновка HDMI тип A

Контакты стоят на язычке гнезда в два ряда со сдвигом на полшага: десять нечётных сверху, девять чётных снизу. Если смотреть в гнездо широкой стороной корпуса вверх, контакт 1 — крайний правый в верхнем ряду, контакт 19 — крайний левый.

Каждая пара TMDS занимает три соседних номера: прямой провод, экран и инверсный провод. В кабеле у каждой пары свой экран, и он приходит на средний контакт тройки; на плате экраны соединяют с общим проводом — так они подключены на типовой схеме TI TPD12S016. Контакт 17 — отдельный общий провод для DDC и CEC, он же обратный провод питания +5 В.

Разъём соединяется в три этапа: сначала корпус, затем контакты 1–17 и 19 и последним — контакт 18 (+5 В). Приёмник не имеет права выставлять HPD, пока не увидит +5 В от источника, поэтому сигнал подключения не появится раньше, чем все остальные контакты сомкнутся.

Кроме трёх распространённых разъёмов, спецификация 1.3 описывает 29-контактный тип B с двумя каналами TMDS, а версия 1.4 — автомобильную систему разъёмов.

Распиновка mini HDMI (тип C) и micro HDMI (тип D)

Mini HDMI появился в версии 1.3 как разъём для мобильных устройств с тем же набором сигналов, что у типа A. Micro HDMI добавила версия 1.4: HDMI Licensing представляла его как разъём для телефонов и камер с видео до 1080p. У mini HDMI все 19 контактов стоят в один ряд, у micro HDMI — в два ряда, как у типа A.

Номера у трёх разъёмов не совпадают, поэтому кабель или переходник mini или micro — тип A соединяет контакты по сигналам:

Для типов A и C номера взяты из таблиц 4-1 и 4-3 спецификации HDMI 1.3, где контакт Utility ещё называется Reserved; для типа D — из даташита Würth Elektronik и типовой схемы TPD12S016, порядок выводов которой повторяет разъём.

Служебные линии: +5 В, HPD, DDC и CEC

+5 В: сколько тока можно взять

Источник подаёт +5 В на контакт 18 всё время, пока использует DDC или TMDS. На разъёме источника напряжение должно быть 4,8–5,3 В, на входе приёмника допускается 4,7–5,3 В. Источник обязан выдать не меньше 55 мА и ограничить ток при перегрузке значением не больше 0,5 А. Приёмник вправе взять не больше 50 мА, а когда включён в сеть — не больше 10 мА.

Этого хватает, чтобы прочитать EDID у выключенного монитора, но не для питания внешних устройств: гарантированы только 55 мА. Готовые микросхемы порта HDMI — TI TPD12S521 и TPD12S016 — подают +5 В через ключ с ограничением тока 55 мА. На плате с ПЛИС стоит следить и за нижней границей: Digilent предупреждает, что при питании Arty Z7 от USB напряжение может опуститься до 4,75 В — ниже 4,8 В, которых требует HDMI, — и для выхода HDMI советует внешний блок питания.

HPD: как источник узнаёт о подключении

Hot Plug Detect — сигнал от приёмника к источнику: контакт 19 у типов A и C, контакт 1 у micro HDMI. Приёмник выставляет высокий уровень 2,4–5,3 В при выходном сопротивлении 1 кОм ± 20 %, и часто это просто резистор 1 кОм от линии +5 В, которую прислал сам источник. Источник считает высоким уровень от 2,0 В, низким — до 0,8 В.

Высокий уровень HPD означает только одно: EDID можно читать. Включён ли приёмник и выбран ли на нём этот вход, по HPD не понять. Если содержимое EDID меняется, приёмник опускает HPD минимум на 100 мс, и источник перечитывает EDID. Раз многие приёмники просто подтягивают HPD к +5 В, источнику, по словам спецификации, может понадобиться подтяжка своего входа HPD к земле: иначе неподключённый вход висит в воздухе и его трудно отличить от высокого уровня.

DDC и EDID

DDC — это шина I²C в режиме Standard-mode, 100 кГц, подробнее о протоколе — в статье о шине I²C. Ведущий — источник, ведомое устройство — память EDID в приёмнике с 7-битным адресом 0x50: байт A0h — запись номера ячейки, A1h — чтение. EDID состоит из блоков по 128 байт; чтобы читать дальше первых 256 байт, E-DDC добавляет указатель сегмента по адресу 60h (0x30 в 7-битной записи), и всего доступно до 32 Кбайт.

Подтяжки SCL и SDA к +5 В стоят в источнике, 1,5–2 кОм, а в приёмнике допускается только подтяжка 47 кОм на SCL. Ёмкость линии — до 50 пФ у источника и приёмника и до 700 пФ у кабеля; на такую нагрузку рассчитаны ускорители фронтов в TPD12S016 (до 750 пФ). EDID должен быть доступен через 20 мс после появления +5 В, даже если монитор выключен.

По EDID источник решает, перед ним устройство HDMI или DVI. Если в первом блоке расширения CEA нет блока HDMI VSDB с идентификатором IEEE 0x000C03, приёмник считается монитором DVI: источник передаёт только видео в RGB, без звука и служебных пакетов.

CEC: управление с одного пульта

CEC (Consumer Electronics Control) — однопроводная шина, общая для всех устройств системы: внутри устройства линии CEC всех входов и единственного выхода соединены между собой. Выходы — с открытым стоком, в каждом устройстве подтяжка 27 кОм ± 5 % к 3,3 В. На выходе ноль — от 0 до 0,6 В, единица — от 2,5 до 3,63 В.

Бит длится 2,4 мс: при нуле линия 1,5 мс в низком уровне, при единице — 0,6 мс; стартовый бит — 3,7 мс в низком уровне из 4,5 мс. Это около 400 бит/с — достаточно для команд пульта. Даже устройство без поддержки протокола CEC обязано не мешать линии: в выключенном состоянии ток утечки с неё — не больше 1,8 мкА. В справочных документах спецификации CEC указан европейский стандарт AV.link (CENELEC EN 50157).

Контакты 14 и 19: ARC и HDMI Ethernet Channel

В HDMI 1.3 контакт 14 зарезервирован: провод в кабеле есть, а на устройствах он не подключён. Версия 1.4 назвала его Utility и сделала из пары 14 и 19 канал HEAC — HDMI Ethernet and Audio Return Channel. По нему телевизор отправляет звук обратно на ресивер или саундбар (ARC), а устройства обмениваются данными Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с в обе стороны (HEC). Сигнал HPD остаётся на контакте 19 — канал HEAC делит с ним провод. ARC работает по любому кабелю HDMI, а для HEC нужен кабель с маркировкой «with Ethernet».

TMDS: как передаётся изображение

TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) — дифференциальная передача с токовым выходом. Приёмник подтягивает каждый провод пары к напряжению AVcc = 3,3 В ± 5 % резистором 50 Ом ± 10 % — это и согласованная нагрузка линии, и уровень единицы. Источник отбирает ток и опускает провод до уровня нуля; размах на одном проводе — 400–600 мВ, на паре — вдвое больше.

Каждый канал данных превращает 8 бит в 10-битный символ с минимумом переходов и выровненной постоянной составляющей и передаёт его за один период такта TMDS. Такт идёт по своей паре и при 24-битном цвете равен пиксельной частоте; глубокий цвет на 30, 36 или 48 бит поднимает частоту такта. Например, 640×480 при 60 Гц (точнее, 59,94 Гц) — это 25,175 МГц и около 252 Мбит/с на пару. Поддерживать этот режим обязан любой приёмник HDMI, работающий с форматами 60 или 50 Гц, — это тот же режим, что и у VGA. Форматы с пиксельной частотой ниже 25 МГц, например 480i с 13,5 МГц, передают повтором пикселей.

В HDMI 1.3 частота такта доходит до 340 МГц, то есть 3,4 Гбит/с на пару. Кабели делятся на две категории: первая рассчитана на частоту такта до 74,25 МГц, вторая — до 340 МГц.

HDMI 2.1 и 2.2: FRL вместо TMDS

В HDMI 2.0 скорость TMDS выросла до 6 Гбит/с на пару. HDMI 2.1 добавил режим FRL (Fixed Rate Link): данные идут по трём или четырём линиям со скоростью 3, 6, 8, 10 или 12 Гбит/с на каждую, а пара TMDS Clock (контакты 10 и 12 типа A) становится четвёртой линией данных. Четыре линии по 12 Гбит/с дают 48 Гбит/с — на эту полосу рассчитан кабель Ultra High Speed HDMI. Спецификация HDMI 2.2 поднимает полосу до 96 Гбит/с с кабелем Ultra96.

Разъём и назначение контактов при этом не меняются: гнездо HDMI 2.1 тип A имеет те же 19 контактов. Тексты спецификаций 2.x закрыты, поэтому подробностей кодирования FRL здесь нет. Для разработчика важнее другое: на скоростях HDMI 2.0 и 2.1 между выходом и разъёмом бывает нужен повторитель (redriver), например TI TDP1204, а защиту от разрядов приходится выбирать по скорости: у ST HDMIULC6-4SC6, например, в даташите указаны скорости до 3,2 Гбит/с.

HDMI и DVI, HDMI и VGA: переходники

Цифровой DVI использует тот же TMDS, поэтому спецификация HDMI требует, чтобы источник HDMI работал с монитором DVI через пассивный переходник, а приёмник HDMI — с источником DVI. В режиме DVI источник передаёт только видео в RGB — без звука и служебных пакетов. Разводку переходника на DVI-D спецификация HDMI 1.3 приводит в приложении C:

Контакты второго канала DVI (4, 5, 12, 13, 20 и 21) и аналоговый VSync DVI-I (8) в таком переходнике не используются.

С VGA так не получится. VGA — аналоговый интерфейс: три сигнала R, G, B размахом 0,7 В и отдельные синхроимпульсы. В разъёме HDMI аналоговых сигналов нет, только цифровые, поэтому пассивный кабель HDMI — VGA работать не может. Нужен активный преобразователь: приёмник HDMI, буфер EDID и три видео-ЦАП, как в микросхеме Chrontel CH7101B. Пассивные переходники DVI — VGA работают по другой причине: в разъёме DVI-I есть отдельные аналоговые контакты C1–C5 (R, G, B, HSync и аналоговая земля) и контакт 8 с VSync.

Подключение к ПЛИС и микроконтроллеру

ПЛИС. Пары TMDS можно выводить прямо с выводов ПЛИС. У Xilinx 7-й серии для этого есть стандарт ввода-вывода TMDS_33 — только в банках HR с напряжением VCCO = 3,3 В; по даташиту Artix-7 размах на паре — 0,4–0,8 В. Нагрузку 50 Ом к 3,3 В на каждом проводе даёт приёмник, поэтому выводы соединяют с разъёмом напрямую — так сделано на плате Digilent Arty Z7. Кодер TMDS и сериализатор, выдающий 10 бит за период такта, реализуют в логике. Проще всего начать с режима DVI: без звука и пакетов, а принять его обязан любой монитор или телевизор HDMI.

Микроконтроллер. В обычных микроконтроллерах выходов TMDS нет. Исключение — RP2350 от Raspberry Pi: его блок HSTX выводит до 300 Мбит/с на каждый из выводов GPIO 12–19, пары образуют соседние выводы, а в каждое ядро встроен кодер TMDS по алгоритму DVI 1.0. Этого хватает на 640×480: 25,175 МГц × 10 бит ≈ 252 Мбит/с на пару. В остальных случаях ставят передатчик с параллельным входом RGB, например TI TFP410 — DVI с пиксельной частотой до 165 МГц; TI указывает его и для выходов HDMI без звука.

Служебные линии. DDC на стороне кабеля подтянута к +5 В, поэтому выводы на 3,3 В подключают к ней через преобразователь уровней. TPD12S016 делает это сам: подтяжки DDC 1,75 кОм к +5 В, подтяжка CEC 27 кОм к 3,3 В, фильтр дребезга на входе HPD и ключ +5 В на 55 мА. Если плата работает приёмником, HPD поднимают, только когда ведомое устройство DDC с EDID уже готово отвечать.

Защита и разводка. Контакты разъёма защищают от электростатических разрядов: TPD12S521 с проходной разводкой под тип A добавляет на линию TMDS 0,8 пФ, TPD12S016 повторяет порядок контактов типов C и D, ST HDMIULC6-4SC6 защищает четыре линии в корпусе SOT23-6L с ёмкостью около 0,6 пФ. Защиту ставят как можно ближе к разъёму, пары разводят с дифференциальным сопротивлением 100 Ом и одинаковой длиной проводов.

Типичные ошибки

• Пассивный кабель HDMI — VGA. Без преобразователя внутри он работать не может: цифровой TMDS не превращается в аналоговый RGB проводами. Рабочие переходники HDMI — VGA всегда активные.
• Нет звука через переходник на DVI. Источник прочитал EDID без блока HDMI и перешёл в режим DVI. Звук в таком режиме не передаётся, его выводят отдельно.
• Нагрузка на +5 В. Гарантированы только 55 мА. Подсветка, вентилятор или плата, запитанная от контакта 18, могут уронить напряжение ниже 4,7 В или вызвать срабатывание защиты источника.
• Номера типа A на разъёмах mini и micro. Сигналы у трёх типов одни, а номера разные: у micro HDMI на контакте 1 HPD, а не пара данных. Распаивайте переходник по таблице сигналов.
• HPD раньше EDID. Собственный приёмник на ПЛИС или микроконтроллере поднимает HPD до того, как ведомое устройство DDC готово отвечать. Это нарушает спецификацию: источник начинает читать EDID, а память ещё не отвечает.
• Логика 3,3 В прямо на DDC. На стороне кабеля линии подтянуты к +5 В, и без преобразователя уровней на выводы ПЛИС попадает 5 В.
• Активный кабель наоборот. Кабели с питанием от разъёма (HDMI Cable Power) направленные: конец с пометкой источника подключают к источнику. Перевёрнутый кабель не повреждается, но и не работает.