Granite River Labs, GRL
李清宇 Peter Lee
您是否曾在生活中遇到以下情景？結束一天忙碌的工作，回家想看一部電影好好放鬆，此時要拿出好幾個遙控器，將電視、機上盒、音響逐一開啟並進行節目設定，當然有時候您還可能找不到遙控器，如此繁複的操作難免令人煩躁沮喪。如果您今天使用的影音設備皆支援CEC功能，情況可就大為不同了！以上惱人的問題將不復存在！讓我們一起來看看CEC究竟是什麼神奇的技術吧！
HDMI CEC是什麼？哪些情況下可以使用？
CEC的全名為Consumer Electronics Control，是一項由HDMI協會所開發的技術與功能，專為HDMI介面所設計。設計初衷是要讓消費者能夠使用「一個」遙控器來控制並操作所有的HDMI連接裝置，簡化繁複的影音設備操作（如家庭劇院等），帶給使用者更方便的生活體驗。以目前常見的One Touch Play功能為例，若同時使用支援CEC功能的機上盒及電視，使用者只要按下機上盒的開機按鈕，電視也會跟著開啟，並且自動切換輸入端口，播放機上盒的影音內容，這聽起來是不是很神奇呢？
為了實現多個影音設備的控制，需要採用一套完整且一致的傳輸協議規範。目前HDMI協會發布了兩個版本的CEC規範，分別為CEC 1.4與CEC 2.0。CEC 2.0是基於CEC 1.4版本進行擴充，雖然其支援的功能較多，但原則上是採用相同的物理及協議架構。
HDMI CEC傳輸架構與原理，如何控制連接的HDMI產品？
CEC技術物理層介紹
CEC為單線雙向溝通技術，物理層上只需要單一CEC接腳就能與所有連結裝置進行溝通。在HDMI連接網路上，裝置間的CEC線路設計要求相連，因此HDMI產品無論是否支援CEC功能，均要配置CEC接腳並滿足特定的電氣規範，確保即使有不支援CEC的裝置連接於網路中，其餘設備依然能正常運作。
對於不支援CEC功能的HDMI裝置，除了HDMI影音數據需傳輸正確外，CEC電容、電阻、電壓也要符合規範，才能被認證為是合格的HDMI裝置。
以下是相關的CEC線路電氣規範：
- 為了避免連結裝置對線路造成過大電容負載，Source（發送端）產品最大電容容許值為150pf，Sink（接收端）產品則為200pf。
- 一般而言，若產品有多個HDMI輸入端（如電視），輸入端間的CEC線路必須相連（舉例來說：輸入端1與輸入端2之間的電阻值需小於5歐姆）。若產品有多個輸出端，其CEC線路間不能相連（舉例來說，輸出端1與輸出端2之間的電阻值需大於1M歐姆）。若產品為Repeater類型，則要依其是否為CEC_Root_Device，來設計輸出端及輸入端間CEC的線路相連情形。
- 在產品斷電時，CEC線路上的漏電流需小於1.8uA。且無論在產品開機、關機、休眠（若支援）三種狀態時，在外部上拉或下拉的測試條件下，CEC線路上的電壓皆需要在特定範圍內。
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圖1: 支援HDMI CEC的產品須遵守的電氣規範（來源：HDMI Spec 1.4b） - 若產品支援CEC功能，為確保產品能輸出正確的CEC訊號，除了滿足前面提及的三點規範外，還需符合下圖規範。CEC線路在閒置狀態時，線路電壓需透過27k歐姆電阻上拉至2.5至3.63V間，以維持在邏輯1的狀態。開始傳輸訊息後，需要拉低線路電壓至0至0.6V以代表邏輯0。另外CEC並非高速傳輸介面，上升與下降時間的要求分別小於250us以及50us即可。
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圖2: 支援HDMI CEC的產品須遵守的電氣規範-電壓（來源：HDMI Spec 1.4b）
CEC技術協議層介紹
CEC傳輸過程，通常需要一個Initiator以及一個或以上的Follower組成。Initiator負責傳輸訊號，Follower負責接收訊號。一段完整的CEC訊號，放大來看是由許多的 bit 組成，bit可再細分為Start bit與Data bit。
- Start bit格式：Initiator未傳輸CEC訊息時，CEC線路上為邏輯1。要開始傳輸訊息時，會將線路拉低至邏輯0（圖3）。Start bit的格式僅在此處使用，Follower收到此格式的訊息後就會準備接收後續data bit。
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圖3: HDMI CEC Start bit格式（來源：HDMI Spec 1.4b）
- Data bit格式：Start bit傳輸過後，緊接著傳輸的是Data bit，邏輯1和0須依照圖四格式輸出。Initiator會使用邏輯1和0傳輸數據，而Follower會使用邏輯0來回覆ACK。
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圖4: HDMI CEC Data bit 格式（取自 HDMI Spec 1.4b）
- Header/Data Block格式：每10個Data bit可以組成更大的單位，稱為Header/Data Block（參圖五）。前面八個Information bits根據用途能用來傳輸Data、Logical address、Opcodes等訊息。最後兩個EOM以及ACK bit有以下用途：
1. EOM (End of message)：用來告知Follower這是不是最後傳輸的Data block，1代表訊息已傳輸完成，0則代表後續仍有數據傳輸。
2. ACK (Acknowledge)：Initiator固定將ACK設置為1，Follower會藉由回覆ACK，來反應是否有成功接收資訊。注意Follower會因為傳輸模式的不同(Direct/broadcast)，ACK有不同的回覆方法。若Initiator傳輸訊息給單一follower，這類訊息稱為Direct message，follower可將ACK設置為0，代表正確接收訊息。若Initiator傳輸訊息給複數個follower，這類訊息稱為Broadcast message，follower可將ACK設置為0，代表沒有正確接收訊息。因此當Initiator監測到ACK為0，則可能代表有一個或以上的follower沒有成功接收訊息，反之若ACK為1，代表所有follower均正確接收。.png?width=481&height=179&name=Header_Data%20Block%E6%A0%BC%E5%BC%8F(%E4%BE%86%E6%BA%90HDMI%20Spec%201.4b).png)
圖5: Header/Data Block格式（來源：HDMI Spec 1.4b）
綜合以上內容，一段完整的CEC指令依照順序會由Start bit、Header Block、許多的Data Block組成。Initiator可藉由傳輸不同的 Data Block內容，對連接的Follower進行不同的功能控制。
如何透過HDMI CEC功能遙控連結產品？
CEC的物理&邏輯位置分配
在現實社會中，如果我們要請遠方的朋友幫忙做事，通常會透過郵件或電話溝通，這樣的過程會需要兩個重要參數，一個是朋友的郵件地址或電話號碼，另一個則是正確的指示。
同樣的，為了讓Follower正常運作，Initiator除了傳送正確的指示外，也需要傳送至正確的Follower位置。一個CEC裝置會同時擁有物理位置與邏輯位置，物理位置指的是該裝置在連結樹狀圖中的節點位置，而邏輯位置則是反映該裝置的產品類型。由於每一位消費者連接產品的方式都不同，因此物理位置和邏輯位置皆不能採用固定位置，需要隨著不同的連接方法來調整，確保Initiator在所有情況下都能傳送訊息到正確的裝置。
物理位置的分配，是透過DDC線路以及Sink EDID來實現。一般來說，電視會是整個CEC連接樹狀圖最末端的裝置，稱為CEC Root Device，其物理位置為四碼並固定是0.0.0.0。那麼其他的連接裝置，要如何有規則的獲得物理位置呢？以圖6為例，假設有AV裝置連接至電視的輸入端2，裝置會使用DDC線路讀取電視輸入端2的EDID，並將讀取到的VSDB中的物理位置值2.0.0.0，設置成自身的物理位置。若該AV裝置擁有輸入端，會藉由將輸入端的編號疊加上自身的物理位置2.0.0.0以產生新的物理位置，並放入對應輸入端的EDID內，因此DVD撥放器連接AV裝置的輸入端1後，獲得的物理位置就會是2.1.0.0。如果按照這樣的方式繼續擴展裝置樹狀圖，理論上CEC裝置最多能組成五階的連接網路，每階最多能有15個裝置。值得注意的是，實際應用時無法連結15台以上的裝置，這是因為裝置過多將會造成線路過大電容負載，影響傳輸訊號品質。
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圖6: 物理位置分配圖（來源：HDMI Spec 1.4b）
每個CEC裝置除了有物理位置外，還會獲得專屬的邏輯位置，來反映裝置的產品類型（參圖8），像TV對應的邏輯位置是0，而機上盒可使用的邏輯位置是3、6、7、10之一。細心的讀者可能會有個疑問，如果有多個重複功能的裝置連結至網路中，要如何分配邏輯位置呢？重複裝置的邏輯位置分配，會透過CEC中的Polling message來實現。Polling message指的是一段只有Header Block的訊息，其中Initiator和Destination的邏輯位置相同，EOM bit設置為1。我們接下來以生活應用舉例，來看當消費者將PS5、Xbox等電視遊樂器連接至TV，會如何進行邏輯位置分配。
支援CEC的HDMI裝置連結邏輯應用
當消費者連結所有裝置後，TV會發出（邏輯位置0->邏輯位置0）的Polling message，由於此時沒有其餘裝置回應ACK，TV就會取得該邏輯位置0。接著依照時間順序，假設第一個連接至TV的是PS5遊樂器，它會送出一段Polling message（邏輯位置4->邏輯位置4），由於沒有其餘裝置回應ACK，PS5就會取得邏輯位置4。而最晚連結至TV的Xbox，也會先嘗試送出Polling message（邏輯位置4->邏輯位置4），但此時PS5已占用該邏輯位置，所以PS5會對此訊息回覆ACK，代表成功接收。因為邏輯位置4已被占用，Xbox會再嘗試送出下一個Polling message（邏輯位置8->邏輯位置8），此時沒有其餘裝置回應ACK，Xbox就會取得邏輯位置8。
總結來說，每當連接或斷開一個CEC裝置，裝置就會依照上述流程，自動的分配物理、邏輯位置，形成一個新的裝置連結網路。
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圖7: Polling message結構（來源：HDMI Spec 1.4b）
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圖8: HDMI CEC裝置邏輯位置（來源：HDMI Spec 1.4b）
HDMI規範中CEC架構的穩定溝通機制
CEC架構中使用了以下兩種方式，以提供穩定的資訊傳輸：
- 再傳輸：Initiator傳輸CEC訊息後，若Follower沒有回應ACK或是Follower在不對的時間點將CEC線路電壓拉低，這代表著傳輸訊息有誤或Follower來不及處理訊息，因此規範允許Initiator可嘗試再次傳輸相同訊息，最多5次。
- 仲裁：由於CEC線路上只允許單一Initiator傳輸訊息，為了避免多個Initiator同時傳輸訊號導致輸出異常，CEC定義了的Signal free time（參圖9），Initiator需要等待Signal free time過後才能傳輸訊息。從圖9中可以看出，Initiator傳輸所需的Signal free time時間最短，代表仲裁優先度最高，有較高機會成功傳輸訊息。
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圖9: Signal free time（來源：HDMI Spec 1.4b）
結論
HDMI介面特有的CEC功能，可以讓消費者簡化影音設備操作，帶來更好的使用者體驗，也減少了生活中惱人的繁複。為了確保消費者所購買支援CEC的影音設備皆擁有正常的功能，設備上市前應送往第三方認證測試實驗室進行測試，並依照HDMI規範通過相關的CEC認證測試。本文介紹了CEC基礎電性以及協議層規範，希望讓讀者了解CEC操作原理、更清楚地掌握產品規格，順利通過認證測試。
參考文獻
- High-Definition Multimedia Interface Specification version 1.4b
作者
GRL台灣測試工程師 李清宇 Peter Lee
國立成功大學材料系碩士畢業。三年 HDMI 測試經驗，熟悉 HDMI2.1 與 HDCP 技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2023/03/02 AN-230302-TW
