解锁隐藏功能，HDMI® CEC规格分析与功能介绍

Peter Lee，GRL台北实验室

您是否曾在生活中遇到以下情景？结束一天忙碌的工作，回家想看一部电影好好放松，此时要拿出好几个遥控器，将电视、机上盒、音响逐一开启并进行节目设定，当然有时候您还可能找不到遥控器，如此繁复的操作难免令人烦躁沮丧。如果您今天使用的影音设备皆支持CEC功能，情况可就大为不同了！以上恼人的问题将不复存在！让我们一起来看看CEC究竟是什么神奇的技术吧！

HDMI CEC是什么？哪些情况下可以使用？

CEC的全名为Consumer Electronics Control，是一项由HDMI协会所开发的技术与功能，专为HDMI介面所设计。设计初衷是要让消费者能够使用「一个」遥控器来控制并操作所有的HDMI连接装置，简化繁复的影音设备操作（如家庭剧院等），带给使用者更方便的生活体验。以目前常见的One Touch Play功能为例，若同时使用支援CEC功能的机上盒及电视，使用者只要按下机上盒的开机按钮，电视也会跟着开启，并且自动切换输入端口，播放机上盒的影音内容，这听起来是不是很神奇呢？

为了实现多个影音设备的控制，需要采用一套完整且一致的传输协议规范。目前HDMI协会发布了两个版本的CEC规范，分别为CEC 1.4与CEC 2.0。CEC 2.0是基于CEC 1.4版本进行扩充，虽然其支援的功能较多，但原则上是采用相同的物理及协议架构。

HDMI CEC传输架构与原理，如何控制连接的HDMI产品？

CEC技术物理层介绍

CEC为单线双向沟通技术，物理层上只需要单一CEC接脚就能与所有连结装置进行沟通。在HDMI连接网路上，装置间的CEC线路设计要求相连，因此HDMI产品无论是否支援CEC功能，均要配置CEC接脚并满足特定的电气规范，确保即使有不支援CEC的装置连接于网路中，其余设备依然能正常运作。

对于不支持CEC功能的HDMI装置，除了HDMI影音数据需传输正确外，CEC电容、电阻、电压也要符合规范，才能被认证为是合格的HDMI装置。

以下是相关的CEC线路电气规范：

1. 为了避免连结装置对线路造成过大电容负载，Source（发送端）产品最大电容容许值为150pf，Sink（接收端）产品则为200pf。

2. 一般而言，若产品有多个HDMI输入端（如电视），输入端间的CEC线路必须相连（举例来说：输入端1与输入端2之间的电阻值需小于5欧姆）。若产品有多个输出端，其CEC线路间不能相连（举例来说，输出端1与输出端2之间的电阻值需大于1M欧姆）。若产品为Repeater类型，则要依其是否为CEC_Root_Device，来设计输出端及输入端间CEC的线路相连情形。

3. 在产品断电时，CEC线路上的漏电流需小于1.8uA。且无论在产品开机、关机、休眠（若支援）三种状态时，在外部上拉或下拉的测试条件下，CEC线路上的电压皆需要在特定范围内。

   

   图1: 支持HDMI CEC的产品须遵守的电气规范（来源：HDMI Spec 1.4b）

4. 若产品支持CEC功能，为确保产品能输出正确的CEC信号，除了满足前面提及的三点规范外，还需符合下图规范。CEC线路在闲置状态时，线路电压需透过27k欧姆电阻上拉至2.5至3.63V间，以维持在逻辑1的状态。开始传输信息后，需要拉低线路电压至0至0.6V以代表逻辑0。另外CEC并非高速传输介面，上升与下降时间的要求分别小于250us以及50us即可。

   

   图2: 支持HDMI CEC的产品须遵守的电气规范–电压（来源：HDMI Spec 1.4b）

CEC技术协议层介绍

CEC传输过程，通常需要一个Initiator以及一个或以上的Follower组成。Initiator负责传输讯号，Follower负责接收讯号。一段完整的CEC讯号，放大来看是由许多的 bit 组成，bit可再细分为Start bit与Data bit。

• Start bit格式：Initiator未传输CEC信息时，CEC线路上为逻辑1。要开始传输信息时，会将线路拉低至逻辑0（图3）。Start bit的格式仅在此处使用，Follower收到此格式的信息后就会准备接收后续data bit。

  

  图3: HDMI CEC Start bit格式（来源：HDMI Spec 1.4b）

• Data bit格式：Start bit传输过后，紧接着传输的是Data bit，逻辑1和0须依照图四格式输出。Initiator会使用逻辑1和0传输数据，而Follower会使用逻辑0来回复ACK。

  

  图4: HDMI CEC Data bit 格式（取自 HDMI Spec 1.4b）

• Header/Data Block格式：每10个Data bit可以组成更大的单位，称为Header/Data Block（参图五）。前面八个Information bits根据用途能用来传输Data、Logical address、Opcodes等讯息。最后两个EOM以及ACK bit有以下用途：

  1. EOM (End of message)：用来告知Follower这是不是最后传输的Data block，1代表讯息已传输完成，0则代表后续仍有数据传输。

  2. ACK (Acknowledge)：Initiator固定将ACK设置为1，Follower会借由回复ACK，来反应是否有成功接收资讯。注意Follower会因为传输模式的不同(Direct/broadcast)，ACK有不同的回复方法。若Initiator传输信息给单一follower，这类信息称为Direct message，follower可将ACK设置为0，代表正确接收信息。若Initiator传输信息给复数个follower，这类信息称为Broadcast message，follower可将ACK设置为0，代表没有正确接收信息。因此当Initiator监测到ACK为0，则可能代表有一个或以上的follower没有成功接收信息，反之若ACK为1，代表所有follower均正确接收。

     

     图5: Header/Data Block格式（来源：HDMI Spec 1.4b）

  综合以上内容，一段完整的CEC指令依照顺序会由Start bit、Header Block、许多的Data Block组成。Initiator可藉由传输不同的 Data Block内容，对连接的Follower进行不同的功能控制。

  如何透过HDMI CEC功能遥控链接产品？

  CEC的物理&逻辑位置分配

  在现实社会中，如果我们要请远方的朋友帮忙做事，通常会透过邮件或电话沟通，这样的过程会需要两个重要参数，一个是朋友的邮件地址或电话号码，另一个则是正确的指示。

  同样的，为了让Follower正常运作，Initiator除了传送正确的指示外，也需要传送至正确的Follower位置。一个CEC装置会同时拥有物理位置与逻辑位置，物理位置指的是该装置在连结树状图中的节点位置，而逻辑位置则是反映该装置的产品类型。由于每一位消费者连接产品的方式都不同，因此物理位置和逻辑位置皆不能采用固定位置，需要随着不同的连接方法来调整，确保Initiator在所有情况下都能传送讯息到正确的装置。

  物理位置的分配，是透过DDC线路以及Sink EDID来实现。一般来说，电视会是整个CEC连接树状图最末端的装置，称为CEC Root Device，其物理位置为四码并固定是0.0.0.0。那么其他的连接装置，要如何有规则的获得物理位置呢？以图6为例，假设有AV装置连接至电视的输入端2，装置会使用DDC线路读取电视输入端2的EDID，并将读取到的VSDB中的物理位置值2.0.0.0，设置成自身的物理位置。若该AV装置拥有输入端，会藉由将输入端的编号迭加上自身的物理位置2.0.0.0以产生新的物理位置，并放入对应输入端的EDID内，因此DVD拨放器连接AV装置的输入端1后，获得的物理位置就会是2.1.0.0。如果按照这样的方式继续扩展装置树状图，理论上CEC装置最多能组成五阶的连接网路，每阶最多能有15个装置。值得注意的是，实际应用时无法连结15台以上的装置，这是因为装置过多将会造成线路过大电容负载，影响传输讯号品质。

  

  图6: 物理位置分配图（来源：HDMI Spec 1.4b）

  每个CEC装置除了有物理位置外，还会获得专属的逻辑位置，来反映装置的产品类型（参图8），像TV对应的逻辑位置是0，而机上盒可使用的逻辑位置是3、6、7、10之一。细心的读者可能会有个疑问，如果有多个重复功能的装置连结至网路中，要如何分配逻辑位置呢？重复装置的逻辑位置分配，会透过CEC中的Polling message来实现。Polling message指的是一段只有Header Block的信息，其中Initiator和Destination的逻辑位置相同，EOM bit设置为1。我们接下来以生活应用举例，来看当消费者将PS5、Xbox等电视游乐器连接至TV，会如何进行逻辑位置分配。

  支持CEC的HDMI装置连结逻辑应用

  当消费者连结所有装置后，TV会发出（逻辑位置0->逻辑位置0）的Polling message，由于此时没有其余装置回应ACK，TV就会取得该逻辑位置0。接着依照时间顺序，假设第一个连接至TV的是PS5游乐器，它会送出一段Polling message（逻辑位置4->逻辑位置4），由于没有其余装置回应ACK，PS5就会取得逻辑位置4。而最晚连结至TV的Xbox，也会先尝试送出Polling message（逻辑位置4->逻辑位置4），但此时PS5已占用该逻辑位置，所以PS5会对此信息回复ACK，代表成功接收。因为逻辑位置4已被占用，Xbox会再尝试送出下一个Polling message（逻辑位置8->逻辑位置8），此时没有其余装置回应ACK，Xbox就会取得逻辑位置8。

  总结来说，每当连接或断开一个CEC装置，装置就会依照上述流程，自动的分配物理、逻辑位置，形成一个新的装置连结网路。

  

  图7: Polling message结构（来源：HDMI Spec 1.4b）

  

  图8: HDMI CEC装置逻辑位置（来源：HDMI Spec 1.4b）

  HDMI规范中CEC架构的稳定沟通机制

  CEC架构中使用了以下两种方式，以提供稳定的资讯传输：

  1. 再传输：Initiator传输CEC讯息后，若Follower没有回应ACK或是Follower在不对的时间点将CEC线路电压拉低，这代表着传输讯息有误或Follower来不及处理讯息，因此规范允许Initiator可尝试再次传输相同讯息，最多5次。

  2. 仲裁：由于CEC线路上只允许单一Initiator传输讯息，为了避免多个Initiator同时传输讯号导致输出异常，CEC定义了的Signal free time（参图9），Initiator需要等待Signal free time过后才能传输讯息。从图9中可以看出，Initiator传输所需的Signal free time时间最短，代表仲裁优先度最高，有较高机会成功传输讯息。

     

     图9: Signal free time（来源：HDMI Spec 1.4b）

  结论

  HDMI介面特有的CEC功能，可以让消费者简化影音设备操作，带来更好的使用者体验，也减少了生活中恼人的繁复。为了确保消费者所购买支持CEC的影音设备皆拥有正常的功能，设备上市前应送往第三方认证测试实验室进行测试，并依照HDMI规范通过相关的CEC认证测试。本文介绍了CEC基础电性以及协议层规范，希望让读者了解CEC操作原理、更清楚地掌握产品规格，顺利通过认证测试。

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  参考文献

  1. High-Definition Multimedia Interface Specification version 1.4b

  GRL 台湾测试工程师 李清宇 Peter Lee

  国立成功大学材料系硕士毕业。三年 HDMI 测试经验，熟悉 HDMI2.1 与 HDCP 技术测试。GRL 技术文章作者及演讲讲师。