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一文解析HDMI spec传输协议

电子设计 ? 2021-01-03 09:24 ? 次阅读

本文从软件工程师角度对HDMI spec进行解析,基于的spec版本为1.4,也是设备支持最多最成熟的版本,目前最新版本为2.0。

1 概述

HDMI(High-Definition Multiface Interface)是Hitachi, Panasonic, Philips, SiliconImage, Sony, Thomson, Toshiba几家公司共同发布的一款音视频传输协议,主要用于DVD, 机顶盒等音视频source到TV,显示器等sink设备的传输。传输基于的是TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)协议。此外,使用TMDS也是DVI标准的主要特点 。

2 物理结构

o4YBAF9uJ66AJ8nwAAEIH6oEpqE809.jpg

上图是HDMI block结构图,可以看出HDMI用于audiovisual source和sink之间的连接,HDMI cable由3组差分信号传输TMDS数据,1组差分信号传输clock。此外,HDMI还有一个DDC的通道连接到sink的EDID。CEC和HEAC都是HDMI的可选协议。

pIYBAF9uJ7CACfkMAAEI8ywZ3vU070.jpg

HDMI定义了五种类型的connector,上图是最常见的type A。
1-9是TMDS data传输用到的引脚,共有三组;
10-12是TMDS clock传输用到的引脚,共有一组,TMDS clock就是pixel clock;
13是CEC引脚,一种消费电子兼容的传输协议;
14是保留引脚;
15,16是DDC的引脚,DDC是基于I2C协议传输,故引脚为SCL和SDA;
17是接地;
18是+5V power;
19是HPD引脚,用于建立连接。

3 传输

概述

HDMI传输由三组TMDS通道和一组TMDS clock通道组成,TMDS clock的运行频率是video信号的pixel频率,在每个cycle,每个TMDS data通道发送10bit数据。

o4YBAF9uJ7KANEHwAAFfDG6L-As778.jpg

上图是HDMI传输的示意图,从图中可知,HDMI传输如下四种类型数据:
(1)Preamble控制信息,图中的CTLx,可用来表示后面传输的是data island还是video data。通过channel1和2的D[1:0]传输,占用4bit。
(2)Data Island,即数据包,如Audio数据包。通过3个channel的D[3:0]传输,占用12bit。
(3)Video Data,视频数据。示意图中传输的是RGB格式图像,R,G,B分别通过channel2,1,0传输,每个颜色8bit,共24bit。
(4)HSYNC, VSYNC。使用channel0的D[1:0]传输,占用2bit。
8bit的数据在source经过TMDS encoder后得到10bit数据,经过serializer后串行输出;在sink端先进行复原成10bit的数据,再通过TMDS decoder得到8bit的源数据。
此外,HDMI视频是stream式的传输,不涉及packet式的传输。

o4YBAF9uJ7SAOzN4AACtqzXYuns208.jpg

上图是传输720x480p video的hdmi timing图。
在video data period,有效的video数据进行传输;
在data island period,audio和auxiliary数据以包的形式进行传输;
在control period,CTLx和HSYNC, SYNC进行传输。
data island period和control period都是在消隐区进行。图中行消隐占用138像素,场消隐占45行。

pIYBAF9uJ7WAG7kZAABqw4W2kFM940.jpg

上图中是对时序图中描述的三种period分别传输的数据和编码类型进行说明。video数据从8bit/channel encode后变为10bit/channel, data island的packet数据从4bit/channel encode后为10bit/channel, control数据从2bit/channel encode为10bit/channel。

Control Period

o4YBAF9uJ7aAVhZTAACRc-Uie_c589.jpg

只有两种类型的preamble信息组合,CTL0:3=1000代表接下来的是video data period,CTL0:3=1010代表接下来的是data island period。HSYNC, VSYNC此时也有可能发生变化。

Video Data Period

video data period以2个字符(pixel)长度的leading gurad band开始,guard band如下:
ch0: q_out[9:0] = 0b1011001100
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b1011001100

Data Island Period

data island period传输audio数据和辅助数据,辅助数据包括Infoframe和其他用于音视频信息描述的数据。data island period以2个字符长度的leading guard band开始,并以2个字符宽度的trailing guard band 结束。guard band如下:
ch0: q_out[9:0] = n.a
ch1: q_out[9:0] = 0b0100110011
ch2: q_out[9:0] = 0b0100110011
data island传输的packet类型和格式详见spec说明。

三个传输阶段的过渡过程如下图所示:

pIYBAF9uJ7mAIZQpAAIDWKeXjd4475.jpg

(1) 左一是control period, 分别占用三个channel的D[1:0],channel 0传输HSYNC, VSYNC, channel1,2 传输Preamble
(2) 左二是data island period,分别占用了三个channel的D[3:0],channel 0的D[1:0]传输HSYNC, VSYNC, channel0的D[3:2]传输packet header, channel 1,2的D[3:0]传输packet。并且两端以guard band隔离
(3)右二接下来又是control period
(4)右一是 video data island, 占用了全部三个通道,并且开始以guard band 隔离

4 Video

支持三种pixel encoding:RGB4:4:4, YCbCr4:4:4, YCbCr4:2:2
video format除了CEA-861-D中格式外,还会支持一些较特殊的格式
color depth可支持一个像素24, 30, 36和48bits
下面分别是24bit/pixel的RGB444, YCbCr422, YCbCr444的pixel encoding示意图。RGB444每个颜色占8bit, YCbCr422中Y占12bit,C占12bit,YCbCr444中Y,Cb,Cr都占用8bit。

o4YBAF9uJ7uAfBrqAADXqmUhBFo316.jpg

pIYBAF9uJ7yAUiVeAAEUf_bGzZc682.jpg

pIYBAF9uJ76AHR9hAACwUbKyUAM370.jpg

Deep Color模式
Pixel Packing
24 bit mode: 1 pixel/group, 1 fragment/group
30 bit mode: 4 pixel/group, 5 fragment/group
36 bit mode: 2 pixel/group, 3 fragment/group
48 bit mode: 1 pixel/group, 2 fragment/group
1fragment/TMDS clock, 如30bit下的4pixel,需要5次传输完成,每次1个fragment。

o4YBAF9uJ8CAN9lZAAFCWCxQnn4434.jpg

5 Audio
Audio数据以Audio Sample Packet或High Bitrate Audio Stream Packet的形式传输,但是HDMI没有传输audio clock,因此sink设备需要进行audio clock regeneration。原理如下:

pIYBAF9uJ8GAeEdbAADpRKt5vh8128.jpg

128?fs=N×fTMDS/CTS
N和CTS会在Audio Clock Regeneration Packet中进行传输,TMDS clock可通过硬件获取,因此sink端可算出source传输的audio clock。

6 Control

InfoFrame

Infoframe以Infoframe packet的形式传输,它的大小不超过30字节加上一个checksum字节。具体infoframe的格式及内容需要查看spec。
AVI(Auxiliary Video Information) Infoframe
Audio Infoframe
HDMI Vendor Specific Infoframe, 传输4kx2k或3D格式时需要发送此packet

EDID & DDC

sink设备在ROM中存放EDID信息,source在收到HPD后会通过DDC通道读取EDID得到显示设备的属性。EDID包含两部分,前128字节符合EDID1.3数据结构,128字节的扩展EDID,符合CEA extension verison3。CEA extension verison3如下图所示。

pIYBAF9uJ8WAVeyrAAM5BBKFbpI518.jpg

HDMI VSDB

HDMI sink设备在第一个扩展EDID中包含HDMI VSDB,source在读取EDID后会根据是否有此block来判断设备是HDMI还是DVI。

Hotplug

source会监测HPD pin的状态,当source和sink连接后,如果HPD为高电平,说明sink设备正常可以工作,source可通过DDC读取EDID,如果为低电平,说明sink已断开。
sink可通过拉低HPD超过100ms来向source表明EDID发生了变化,此时source会重新读取EDID。

HDCP

涉及内容较多,会在单独章节中讲解。

编辑:hfy

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NUP4202W1 用于高速数据线的电涌保护器 低电容
NUP2114 ESD保护阵列
4浪涌抑制器旨在保护高速数据线免受ESD影响。超低电容和高水平的ESD保护使该器件非常适合在USB 2.0高速应用中使用。 特性 低电容0.8 pF AECQ101合格且PPAP能力SNUP2114 低钳位电压 站立电压:5 V 低漏洞 每个人体模型的3B级(超过8 kV)和每个机器型号的C级(超过400 V)的ESD等级 以下IEC标准的保护: IEC 6100042 4级ESD保护 UL可燃性等级为94 V0 这是一个无铅设备 汽车和其他应用的前缀需求ng独特的站点和控制变更要求 应用 高速通信线路保护 USB 2.0高速数据线和电源线保护 MP3,千兆以太网,笔记本电脑,数字视频接口(DVI)和HDMI。 显示器和平板显示器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-05 02:02 ? 345次 阅读
NTSB40200CTG 沟槽肖特基整流器40A 200V
200CTG是我们新推出的双通道40A 200V超低正向电压沟槽双肖特基整流器。这种新技术可以降低正向压降,而无需平面肖特基整流器的高反向漏电折衷。该平台还可在很宽的温度范围内提供非常稳定的开关特性,是开关电源的理想输出整流器,包括笔记本电脑和上网本适配器,ATX和平板显示器。 特性 用于极低正向电压和低泄漏的基于精细光刻沟槽的肖特基技术 具有特殊功能的快速切换温度稳定性 低功率损耗和低工作温度 实现监管合规的更高效率 低热阻 高浪涌能力 这些器件无铅,无卤素/无BFR 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-04 08:02 ? 274次 阅读
NHP820LFS 采用LFPAK封装的8 A 200 V平面超快速整流器
LFPAK超快速整流器采用紧凑的热效封装,可提供快速开关性能和软恢复。 LFPAK封装是DPAK的绝佳替代产品,其封装性能几乎与电路板空间的一半不相同。它的低调使其成为平板显示器和垂直间隙有限的其他应用的理想选择。该器件在整个温度范围内具有低泄漏,因此非常适合需要低静态电流的应用 特性 ?新软件包提供检查和探测AfterBoard安装功能 低正向压降 ?175°C工作结温 吸收与PowerTemperature Cycling相关的应力的卓越能力 汽车和其他应用的NRV前缀需要独特的站点和控制变更要求; AEC-Q101Qualified和PPAP Capable 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 应用 空间受限汽车应用中DPAK的优秀替代方案 高温操作的极低泄漏 紧凑型便携式消费类应用中的输出整流 与感应负载一起使用的续流二极管 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-04 02:02 ? 221次 阅读
NHP620LFS 采用LFPAK封装的6 A 200 V平面超快速整流器
LFPAK超快速整流器采用紧凑的热效封装,可提供快速开关性能和软恢复。 LFPAK封装是DPAK的绝佳替代产品,其封装性能几乎与电路板空间的一半不相同。它的低调使其成为平板显示器和垂直间隙有限的其他应用的理想选择。该器件在整个温度范围内具有低泄漏,因此非常适合需要低静态电流的应用 特性 新软件包提供检查和探测AfterBoard安装功能 低正向压降 175°C工作结温 吸收与PowerTemperature Cycling相关的应力的卓越能力...
发表于 08-04 01:02 ? 294次 阅读
NHP420LFS 采用LFPAK封装的4 A 200 V平面超快速整流器
LFPAK超快速整流器采用紧凑的热效封装,可提供快速开关性能和软恢复。 LFPAK封装是DPAK的绝佳替代产品,其封装性能几乎与电路板空间的一半不相同。它的低调使其成为平板显示器和垂直间隙有限的其他应用的理想选择。该器件在整个温度范围内具有低泄漏,因此非常适合需要低静态电流的应用 特性 新软件包提供检查和探测AfterBoard安装功能 低正向压降 175°C工作结温 吸收与PowerTemperature Cycling相关的应力的卓越能力 汽车和其他应用的NRV前缀需要独特的站点和控制变更要求; AEC-Q101Qualified和PPAP Capable 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 应用 空间受限汽车应用中DPAK的优秀替代方案 高温操作的极低泄漏 紧凑型便携式消费类应用中的输出整流 与感应负载一起使用的续流二极管 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-04 01:02 ? 332次 阅读
NLPS591 用于显示器的完全可配置的端口伴侣
1是一款可完全配置的显示应用程序端口伴侣。该器件支持4种外部可选模式:(1)4通道自动检测逻辑电平转换器模式,(2)CRT模式,(3)HDMI模式和(4)DisplayPort(DP)模式。该设备为连接的显示器提供可切换的电源,并为不同的显示模式提供必要的电平转换。它还在连接器侧提供高级ESD保护。 特性 支持的模式:4通道逻辑电平转换器(LT)模式; CRT模式; HDMI模式; DisplayPort(DP)模式 宽VCCA工作范围:1.65 V至5.5 V 宽VIN范围:3.0至5.5 V(电源模式); 1.65 V至5.5 V(电平转换器模式) 低RDSON负载开关:300 m @ VIN = 3.3 V 负载开关的软启动控制 提供保护:过流,过压,反向驱动 电源负载开启时消耗:...
发表于 08-01 03:02 ? 204次 阅读
FSA642S 低功耗三端口 高速MIPI开关
S是一款双向,低功耗,高速模拟开关。引脚输出旨在简化差分信号布局,并配置为三极双掷开关(TPDT)。 FSA642S针对两台MIPI设备(如摄像机或LCD显示器和板载多媒体应用处理器(MAP))之间的切换进行了优化.FSA642S兼容移动行业处理器接口(MIPI)的要求。低电容设计允许FSA642S切换频率超过500 MHz的信号。卓越的通道间串扰抗扰度可最大限度地减少干扰,并允许传输高速差分信号和单端信号,如MIPI规范所述。 特性 低导通电容:典型值7.0 pF 低导通电阻:典型值7.0Ω 宽-3db带宽:1 GHz典型 24导联UQFN(2.5 x 3.4 mm)封装 8 kV ESD额定值; > 16 kV电源/ GND ESD额定值 终端产品 手机双摄像头应用 手机,数码相机显示器和取景器的双LCD应用 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-01 02:02 ? 247次 阅读
NCV8501 LDO稳压器 150 mA
1是一系列精密微功率稳压器,具有150mA输出电流能力。该系列具有可调节,2.5 V,3.3 V,5.0 V,8.0 V和10 V的输出电压选项,精度在±2.0%之内。满载时,最大压差达到0.6 V. 低静态电流是一种功耗仅为90μA,负载为100μA的特性。该部件适用于所有电池供电的微处理器设备。 微处理器控制逻辑包括一个有效的RESET(带DELAY)和一个标志监视器,可用于向微处理器提供可能即将发生的RESET信号的预警信号。使用标志监视器允许微处理器在RESET关闭微处理器之前完成任何信号处理。有源RESET电路在低至1.0 V的输出电压下正常工作。上电期间RESET功能被激活如果输出电压超出调节限值,则在顺序或正常运行期间。 调节器可防止电池反接,短路和热过载。该器件可承受负载突降瞬变,使其适用于汽车环境。 特性 优势 输出电压选项:可调,2.5 V,3.3 V,5.0 V,8.0 V,10 V,精度+/- 2%/输出电流150mA 严格的监管限制 使用可调延迟复位进行复位 MPU控制 - 设计灵活性 启用 降低静态电流关闭,允许低待机电池耗尽 通过标志/显示器引线或通用比较器预警 系统优势和设计灵活性...
发表于 07-30 15:02 ? 354次 阅读
NCV8501 LDO稳压器 150 mA
LC75760UJA LED驱动器 12通道 恒流
0UJA是12通道LED驱动器,具有移位寄存器电路(串行输入,串联/并联输出),锁存电路,恒流输出型LED驱动器。它可用于照明,背光LED,仪表板警示灯等显示。该LSI具有6ch PWM(脉冲宽度调制)功能,可以对LED进行亮度调节。此外,内置热保护功能和开路/短路/相邻输出短路检测功能。 特性 最高12-ch的LED驱动器输出可以驱动LED直接 - 绝对最大额定值6.8 V,最大工作电压6.3 V - 绝对最大额定值60 mA,最大工作电流50 mA - 输出电流调节功能(256步) - 打开/短路/相邻输出短路检测功能 - 压摆率限制开关功能 串行数据通信支持4-线路串行格式 - 支持3.3 V和5.0 V操作 - 最高工作频率2 MHz 内置6ch PWM功能,用于LED的亮度调节 - 分辨率为128,256,512或1024步 - PWM帧频率可由串行数据控制 建成-in热保护功能(125°C:自动调节PWM,150oC:强制关闭所有LED) 提供ERR输出引脚(125°C温度异常,开路/短路/相邻输出短路异常,LED上拉电源电压异常,外部电阻异常,基本时钟异常,复位动作) 为LSI内部初始化提供RES引脚和内置电压检测类型复位电路(VDET)...
发表于 07-30 11:02 ? 229次 阅读
NCP3334 LDO稳压器 500 mA 低Iq
4是一款高性能,低压差(LDO)线性稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于小至1.0μF的任何类型的电容器都是稳定的。 NCP3334提供反向偏置保护。 特性 线路和负载的高精度(25°C时±0.9%) 500 mA时最大340 mV的低压差电压 38μVrms的低噪声 低关断电流(0.07μA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 当前限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器均可稳定,包括MLCC 没有稳定性所需的最小输出电流 这是无铅设备 应用 PCMCIA卡 手机 Camcoders and Cameras 网络系统,DSL /电缆调制解调器 有线电视机顶盒 MP3 / CD播放器 显示器和监视器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 10:02 ? 173次 阅读
NCP3334 LDO稳压器 500 mA 低Iq
NCP4586 LDO稳压器 150 mA 高PSRR 低噪声
6是一款CMOS 150 mA线性低压差稳压器,具有低噪声,高纹波抑制,低压差,高输出电压精度和低电源电流。该器件提供三种配置:启用高电平,启用低电平,并在输出端启用高电平和自动放电电路。 NCP4586具有固定输出电压版本,范围为1.2 V至5.0 V,增量为100 mV。它有三种封装可供选择:1mm x 1mm UDFN,SOT82-AB和SOT23-5。有关使能,输出电压和封装的具体配置,请联系您当地的销售办事处。 特性 优势 工作输入电压范围:1.7 V至6.5 V 非常适合电池供电的应用 输出电压范围:1.2 V至5.0 V(步长为0.1 V) 联系当地销售办事处用于自定义电压选项 1%输出电压精度(VOUT> 2 V,TJ = 25C) 目前的折返保护 高PSRR:1 kHz时为80 dB 低压差:320 mV典型值。 150 mA 应用 终端产品 后置电源电压处理器,FPGA,DSP的监管 负载点电压调节 噪声滤波 相机,MP3播放器,便携式摄像机 便携式电话 机顶盒,游戏机,DVR 硬盘驱动器,显示器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 10:02 ? 207次 阅读
NCP3335A LDO稳压器 500 mA 超高精度
5A是一款高性能,低静态电流低压差(LDO)线性稳压器。它具有±0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于小至1.0μF的任何类型的电容器都是稳定的。 NCP3335A LDO线性稳压器还配备了感应和降噪引脚,以提高器件的整体实用性。 NCP3335A提供反向偏置保护。 特性 线路和负载的高精度(25°C时±0.9%) 满载时的UltraLow压降电压(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 Vrms w / 10 nF Cnr和51 Vrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07μA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 当前限制 稳定性仅需1.0μF输出电容 任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5V,1.8V,2.5 V,2.8V,2.85 V,3.0V,3.3 V,5.0 V和可调输出电压 这些是无铅设备 应用 手机 Camcoders and Cameras 网络系统,DSL /电缆调制解调器 PCMCIA卡 Cable SetTop Box MP3 / CD播放器 ...
发表于 07-30 10:02 ? 481次 阅读
NCP3335A LDO稳压器 500 mA 超高精度
LV5980MD 降压转换器 开关稳压器 1通道
MD是1ch DCDC转换器,内置功率Pch MOSFET。推荐的工作范围为4.5V至23V。最大电流为3A。工作电流约为63μA,功耗低。 特性 1ch SBD整流DCDC转换器IC,内置功率Pch MOSFET 轻载模式电流的典型值为63μA 4.5V至23V工作输入电压范围 100mΩ高端开关 输出电压可调至1.235V 振荡频率为370kHz ON / OFF功能 使用P-by-P??方法的内置OCP电路 当连续生成P-by-P??时,它会转移到HICCUP操作 外部电容软启动 欠压锁定,t hermal shutdown 应用 终端产品 负载点DC / DC转换器 机顶盒 DVD /蓝光?驱动程序和硬盘 液晶显示器和电视 办公设备 POS系统 白色家电 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 00:02 ? 159次 阅读
LV52117QA 用于LCD面板的双输出DC-DC转换器
7是一款高电流双输出DC-DC转换器,可产生正电压和负电压。 LV52117特别适用于LCD显示器等电源应用。 特性 集成1.5MHz同步升压和逆变器转换器 2.75V至4.6V输入电压范围 4.6V至5.8V可调正输出(VDCO1) -5.8V至-4.6V可调负输出(VDCO2) 输出电流高达100mA 脉冲跳跃模式低负载条件 过流/短路保护 终端产品 液晶面板 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-30 00:02 ? 310次 阅读
NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能
5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线路和负载的高精度(25℃时+/- 0.9%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 22:02 ? 189次 阅读
NCP81231 降压控制器 USB供电和C型应用
31 USB供电(PD)控制器是一款针对USB-PD C型解决方案进行了优化的同步降压控制器。它们是扩展坞,车载充电器,台式机和显示器应用的理想选择。 NCP81231采用I2C接口,可与uC连接,以满足USB-PD时序,压摆率和电压要求。 NCP81231工作在4.5V至28V 特性 优势 I2C可配置性 允许电压曲线,转换速率控制,定时等 带驱动程序的同步降压控制器 提高效率和使用标准mosfet 符合USB-PD规范 支持usb-pd个人资料 过压和过流保护 应用 终端产品 USB Type C 网络配件 消费者 停靠站 车载充电器s 网络中心 桌面 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 19:02 ? 489次 阅读
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