HDMI и DisplayPort: практическое введение

Прежде чем сдвинется хотя бы один пиксель, источник должен знать, что дисплей подключён и что он может принимать. Этот обмен идёт по двум медленным проводам, и именно здесь начинаются большинство проблем «нет сигнала».

Краткий ответ

HDMI: три линии данных плюс тактовый сигнал (TMDS), дифференциальная передача 100 Ω, а также DDC, HPD и +5 V.
DisplayPort: 1–4 линии, 100 Ω, AC-связь через 100 nF, плюс AUX и HPD.
EDID— это EEPROM с интерфейсом I2C, который источник считывает по DDC (HDMI) или AUX (DP). Нет EDID — нет изображения.
HPDсообщает источнику, что дисплей подключён; без него многие источники так и не запускаются.

1. HDMI: TMDS-линии

HDMI TMDS data lanes, clock, DDC and hot-plug detect — Рисунок 1 — Три пары данных и одна пара тактового сигнала, а также медленные провода боковой полосы (sideband), которые обеспечивают работу канала.

HDMI 2.0 передаёт 6 Gb/s на линию (18 Gb/s суммарно) по TMDS с DC-связью, дифференциальное сопротивление 100 Ω. HDMI 2.1 переходит на FRL: четыре линии, до 12 Gb/s каждая, 48 Gb/s суммарно, с другим кодированием и AC-связью в некоторых реализациях.

TMDS передаёт видео как непрерывный поток с выделенной тактовой линией; FRL передаёт данные пакетами и встраивает тактовый сигнал. Поэтому плата, спроектированная для TMDS, не поддерживает FRL на полной скорости автоматически — PHY, разъём и разводка должны быть рассчитаны на это.

Группа сигналов	Что она делает	Симптом неисправности
TMDS / FRL lanes	Video and audio	Sparkles, dropouts, no video
DDC (I2C)	EDID read, HDCP	Wrong resolution, black screen
HPD	"Display connected"	Source never wakes the link
+5 V	Powers the EDID EEPROM	No EDID, so no picture
CEC	Remote control passthrough	Remote does not control the source

2. DisplayPort: линии и AC-связь

DisplayPort main link lanes with AC coupling and AUX channel — Рисунок 2 — Каждая линия основного канала имеет AC-связь с 100 nF; AUX и HPD обеспечивают обнаружение.

DisplayPort использует 1, 2 или 4 линии основного канала, дифференциальное сопротивление 100 Ω, с последовательной AC-связью 100 nF на каждой линии. DP 1.4 работает в режиме HBR3 на скорости 8.1 Gb/s на линию (32.4 Gb/s суммарно); DP 2.0 добавляет скорости UHBR с кодированием 128b/132b.

Тренировка линии — это то, чего нет в HDMI: источник и приемник согласуют размах напряжения, предыскажение и количество линий, пока каждая линия не станет безошибочной. Если тренировка не проходит, соединение откатывается к меньшему числу линий или более низкой скорости — и симптомом становится более низкое разрешение, а не неработающее соединение.

Comparison table of HDMI 2.0 and DisplayPort 1.4 characteristics — Рисунок 3 — Тот же класс разъемов, другие электрические правила. Не переносите допущения трассировки HDMI на DP.

Аспект	HDMI 2.0	DP 1.4
Lanes	3 data + clock	1–4
Rate per lane	6 Gb/s	8.1 Gb/s (HBR3)
Coupling	DC (TMDS)	AC, 100 nF
Discovery	DDC + HPD	AUX + HPD
Power pin	+5 V, 50 mA	3.3 V, up to 500 mA

3. Диалог перед видеосигналом

Sequence from hot-plug detect to EDID read and mode selection — Рисунок 4 — HPD, затем EDID, затем режим. Пропустите шаг, и источнику не с чем работать.

Приёмник устанавливает HPD (уровень, а не импульс на некоторых устройствах).
Источник подаёт питание на шину DDC/AUX и считывает EDID — блоки по 128 байт с указанием количества расширений.
Источник разбирает список таймингов и выбирает режим, который принимает дисплей.
Для HDMI затем следует аутентификация HDCP; для DP тренировка канала выполняется для каждой линии.

Если EDID отсутствует или повреждён, многие источники переключаются на безопасный режим или ничего не показывают. Удивительно частая причина — отсутствие питания +5 V на HDMI: EEPROM питается от источника, поэтому повреждённая дорожка делает чтение невозможным.

Базовый блок EDID занимает 128 байт; предусмотрены необязательные блоки расширения (CEA-861 для HDMI). Базовый блок содержит идентификатор производителя, предпочтительный тайминг и список установленных таймингов; блок расширения содержит видеоформаты, аудиоданные и данные, специфичные для HDMI. Дисплей, который заявляет только 1080p, не даст вам 4K, независимо от возможностей источника.

Когда устройство не работает в 4K, но работает в 1080p, прочитайте EDID и проверьте две вещи: присутствует ли тайминг 4K и заявляет ли HDMI 2.0 VSDB (блок данных, специфичных для производителя) поддержку более высокой скорости.

4. Правила маршрутизации

Routing rules for high-speed display pairs — Рисунок 5 — Та же дисциплина пар, что и в USB 2.0, но с более жёсткими бюджетами потерь.

100 Ω дифференциальное сопротивление, из стека слоёв разъёма, а не из предположения.
Согласовывайте в пределах каждой пары; делайте пары короткими и избегайте переходных отверстий.
Непрерывная земля под парами; область разъёма — это место, где разрезаются плоскости.
Держите линии DDC/AUX и HPD подальше от высокоскоростных пар и защищайте каждый открытый контакт от ESD.
Проверьте максимальную длину трассы PHY; при 6–8 Gb/s бюджет мал.

4b. Количество линий в зависимости от разрешения

Ссылка	Типичное применение
DP 2 lanes, HBR2	1440p at 60 Hz, 1080p high refresh
DP 4 lanes, HBR3	4K at 60 Hz, dual 1440p
HDMI 2.0	4K at 60 Hz (4:2:0 or 4:2:2)
HDMI 2.1 FRL	4K high refresh, 8K

5. Типичные ошибки

Ошибка	Симптом	Исправление
HPD not connected	Source never detects the display	Wire it; verify the level
No +5 V on HDMI	EDID read fails	Check the source-side supply
EDID not programmed	Wrong mode or black screen	Program a valid 128-byte block
DP AC caps missing	Link training fails	100 nF per line, close to TX
90 Ω routing for 100 Ω pairs	Intermittent link at high rate	Re-route per stackup

С основами пары, применимыми к обоим, можно ознакомиться вруководстве по трассировке пары USB 2.0; о размещении защиты у разъема — вруководстве по компоновке ESD.

6. FAQ

Почему мой дисплей показывает «нет сигнала» с заведомо исправным кабелем?

Сначала проверьте HPD и EDID. Большинство случаев «нет сигнала» связаны с боковыми каналами, а не с высокоскоростными линиями.

Можно ли преобразовать HDMI в DisplayPort с помощью кабеля?

Только с активным преобразователем. Протоколы и электрические правила различаются; пассивный кабель не сработает.

Нужны ли новые кабели для HDMI 2.1?

Для 48 Gb/s — да: сертифицированные кабели Ultra High Speed. Старые кабели могут работать только на более низких скоростях.

Почему неверное разрешение?

Список таймингов EDID или резервный режим после неудачного чтения. Считайте EDID по DDC и сравните с возможностями дисплея.

Что такое HDCP?

Защита контента, согласуемая по DDC/AUX. Если аутентификация не удаётся, источник может показывать чёрный экран с сообщением.

Почему мой приёмник не будит источник?

HPD может отсутствовать, быть инвертированным или не иметь нужного уровня. Измерьте его на разъёме, прежде чем что-либо ещё менять.

DP лучше, чем HDMI?

Ни один из них не лучше универсально. DP распространён в мониторах и поддерживает больше линий; HDMI распространён в потребительском AV. Выбирайте по экосистеме, а не по таблице характеристик.