概念流水账：PHY、PCS、PRBS

最进带的一个小兄弟做接口测试，负责HDMI。

师傅这个PHY指的是什么？
怎么凯哥还在问我PCS正常不？
这两个有什么关系吗？

心中难免有点小小嘲弄，竟然对一些很基础的问题和概念竟然不知道。

但是我立马纠正了自己的想法，因为很久之前我刚刚入职工作接触也是这样，但是随着时间的推移，不断的在一个领域耳濡目染，一定会有所积累，所以不要泄气，加油呀！

小奕，这是哥专门给你的写的。

我记得当年面试的适合，很喜欢考计算机网络，其中计算机网络有一个OSI七层协议模型，很喜欢考这个。

HDMI协议栈分为四层，与TCP/IP模型类似但针对音视频传输优化

其中当时考的关键点在传输层和网络层。当时没有太留意PHY层，其实这个PHY层和HDMI的PHY是一样的。PHY在核心功能定位上存在共性（均属于物理层信号处理），只不过应用场景和所属协议标准不一样。

与以太网PHY相比，HDMI PHY更强调​​实时性​​和​​信号保真度​​，而弱化了网络协议所需的​​错误重传​​和​​流量控制​​机制。在SoC设计中，HDMI PHY通常作为独立IP核实现，需通过HDMI CTS（Compliance Test Specification）认证。

到这里你的认识是PHY就是平时的HDMI的线的接口。

然后实际上PHY是一个芯片，通过这颗芯片把来自上层的数据进行转换成相应的信号，通过物理链接的cable线缆，传出去或者接受转换送给上层。

下面展示一下主要工作：

HDMI PHY架构（以HDMI 2.1为例）
┌───────────────────────────────┐
│         视频/音频处理引擎         │
│  - 色彩空间转换（RGB/YUV444/422）│
│  - HDR元数据封装（ST 2084/2086） │
└──────────────┬──────────────┘│ TMDS/FRL协议封装▼
┌───────────────────────────────┐
│         传输通道控制模块          │
│  - 通道分配（3数据+1时钟通道）   │
│  - 链路训练（Link Training）     │
└──────────────┬──────────────┘│ 差分信号生成▼
┌───────────────────────────────┐
│        信号调制与驱动模块         │
│  - TMDS编码（8b/10b）            │
│  - FRL调制（16/32/48Gbps模式）   │
│  - 预加重（Pre-emphasis）        │
└──────────────┬──────────────┘│ 物理介质接口▼[HDMI线缆]

那是怎么和上层（数据链路层）对接的呢？

怎么去拿到数据的。这里Data Link leyer和MAC有点类似。

HDMI控制架构
┌─────────────┐       ┌─────────────┐
│  视频源处理器  │       │  HDMI MAC层  │
│  - GPU渲染    │◄----►│  - HDCP引擎  │
│  - 音频DSP    │  DDC  │  - EDID管理  │
└───────┬───────┘       └───────┬───────┘│ TMDS/FRL数据流          │ I2C控制▼                        ▼
┌───────────────────────────────┐
│          HDMI PHY芯片           │
└───────────────────────────────┘

这个时候回看一下HDMI协议的架构，每层对应的应用。

我知道你还有点疑惑？怎么讲了这么久的PHY，不见PCS，这是PHY的晚辈还是同辈？

在HDMI协议架构中，​​PCS（物理编码子层）​​与​​PHY（物理层设备）​​是包含与被包含的层级关系。PCS作为PHY内部的核心功能模块，承担着数据编码与协议适配的关键职责。

HDMI的物理层（PHY）是一个复合功能模块，内部包含多个子层：

• ​​PCS（Physical Coding Sublayer）​​：负责数据编码与协议适配（如TMDS/FRL编码）
• ​​PMA（Physical Medium Attachment）​​：处理并串转换与时钟恢复
• PMD（Physical Medium Dependent）​​：驱动物理介质（如线缆驱动与信号整形）

应用层数据 → PCS（编码） → PMA（并串转换） → PMD（信号驱动） → 物理介质

简单总结一下PCS的专项职能​​

• ​​TMDS编码​​：将8bit像素数据转换为10bit传输字符，通过最小跳变算法优化信号完整性
• ​​FRL编码（HDMI 2.1）​​：采用16b/18b编码，提升有效带宽至88.9%
• 协议适配​​：根据EDID协商结果动态切换编码模式（如DVI兼容模式）

那经常说的TMDS和FRL是什么东西？我HDMI都上屏了，怎么凯哥还老问我测没测FRL？他说以前咱们的老芯片没有FRL。

这就是两个传输编码协议，FRL是新出来的协议，与时俱进。详细瞅瞅下面的表：

HDMI2.1有两套协议，分别为TMDS协议和FRL协议。而HDMI2.0已经被取消了，其实HDMI2.0并没有消失，只是换了个名称，其中HDMI2.1 TMDS协议就是取代了原HDMI2.0协议，唯一的区别是多了一个eARC（增强型音频回传通道）；HDMI2.1 FRL则是原来的HDMI2.1标准，支持48Gbps的带宽。
在HDMI的规则，只有支持eARC（增强型音频回传通道）的才能成功更名成为HDMI2.1 TMDS，不支持eARC的就要降级为HDMI1.4b。但就市场行情来看，仍会有部分不支持eARC的电视产品强行升级为HDMI2.1标识，因此购买时需注意分辨，在选购HDMI2.1的产品时，一定要注意HDMI2.1采用的哪种协议模式，只有HDMI FRL才是标准的HDMI2.1接口。

那这一部分的逻辑在哪呢？前面刚刚才说的，TMDS​​和​​FRL​​的实现主要分布在物理层（PHY）的​​PCS（物理编码子层）​​与​​PMA（物理介质附加子层）​​中，两者通过协同工作完成信号编解码与传输适配。

最后还有一个问题？凯哥让我测试的时候，让我打一下prbs，这是干嘛的啊?

哈哈哈，记住​​“甩锅神器”——快速分清是硬件背锅，还是软件背锅！​​

硬件工程师和软件工程师互相扯皮时，PRBS测试结果就是证据！

• 如果PRBS能跑通（误码率低），说明HDMI的​​物理层硬件正常​​（芯片、电路、线缆没问题），问题出在​​协议层​​（比如EDID没读到分辨率、HDCP认证失败）。
• 如果PRBS跑不通，直接锁定​​硬件问题​​，比如：
  • HDMI线质量差（换条超高速认证线试试）
  • 芯片焊接虚了（用热风枪补焊PHY芯片）
  • PCB阻抗不匹配（检查差分线是否100Ω±10%）

凯哥这是让你绕开软件和协议，直接用“乱码”测试硬件电路能不能跑通！​​
→ 如果硬件电路连“乱码”都传不过去，说明硬件肯定有问题，赶紧查电路！
→ 如果“乱码”能传过去，但正常视频不行，说明软件配置有问题，去查协议！

那打prbs我也没仪器？这玩意是芯片的功能？

小伙子，​​HDMI PHY芯片​​ 其实已经内置了一些自检功能，可以通过芯片寄存器配置实现“穷人版PRBS测试啊！就像咱们平时验证视频通路的自建colorbar！

大部分HDMI PHY芯片自带测试模式，只需配置寄存器。反正咱们有。

也有一些原始的方法：

• ​​替换法​​：换一根确认好的HDMI线，如果问题解决 → 原线坏了。
• ​​摸芯片温度​​：PHY芯片工作时会微热，如果冰凉 → 供电可能有问题。
• 听声音​​：把HDMI线靠近收音机，PRBS模式下会有“嘶嘶”高频噪声（无信号时安静）。

以上很多点，展开都需要讲很久，咱们先忍住，后续有需要再深入感兴趣的点。

好了好了，我得去运动了。

小奕加油，小伙子很好学，未来是你的，不过每天别加班这么晚，多回家陪陪女朋友。生活很重要。

师傅你是没女朋友，所以下班不回家才去健身？

。。。你不管。