一文搞懂I2S通信總線

之前我們講過I2C通信總線，本篇博文將講一講I2C的變種：I2S總線。

I2C和I2S都是由Philips公司（2006年遷移到NXP）發(fā)布的串行總線，I2S是在I2C之后發(fā)布，I2S專為傳輸音頻數(shù)據(jù)而設計。

I2S（Inter-IC Sound）總線，又稱集成電路內置音頻總線，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準。采用了獨立的導線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設計，通過將數(shù)據(jù)和時鐘信號分離，避免了因時差誘發(fā)的失真。

I2S總線特點如下：

• 支持全雙工和半雙工模式；

• 支持主、從模式。

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物理特性

I2S總線一般由1根系統(tǒng)時鐘線和3根信號線組成：

• MCLK：稱為主時鐘，也叫系統(tǒng)時鐘（Sys Clock），一般為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步時增加MCLK信號，MCLK的頻率 = 128或者256或者512 * 采樣頻率；

• SCLK（BCLK）：串行時鐘SCLK，也叫位時鐘（BCLK），即對應數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK都有1個脈沖。

  SCK的頻率 = 聲道數(shù) * 采樣頻率 * 采樣位數(shù)；

• LRCK：幀時鐘LRCK，(也稱WS)，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。

  LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)。

  LRCK的頻率等于采樣頻率；

• SDATA（SD）：就是用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。最高位擁有固定的位置，而最低位的位置則是依賴于數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。

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常見的I2S數(shù)據(jù)格式

隨著技術的發(fā)展，在統(tǒng)一的I2S硬件接口下，出現(xiàn)了多種不同的I2S數(shù)據(jù)格式，可分為：I2S Philips標準、左對齊（MSB）標準和右對齊（LSB，也叫日本格式、普通格式）標準。

發(fā)送端和接收端必須使用相同的數(shù)據(jù)格式，確保發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)一致。

2.1、I2S Philips標準

I2S Philips標準時序圖如下圖所示：

使用LRCLK信號表示當前正在發(fā)送數(shù)據(jù)所屬的聲道，LRCLK為“1”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)。LRCLK信號從當前聲道數(shù)據(jù)的第一個位（MSB）之前的一個時鐘開始有效。

LRCLK信號在BCLK的下降沿變化，發(fā)送方在時鐘信號BCLK的下降沿改變數(shù)據(jù)，接收方在時鐘信號BCLK的上升沿讀取數(shù)據(jù)。正如上文所說，LRCLK頻率等于采樣頻率Fs，一個LRCLK周期（1/Fs）包括發(fā)送左聲道和右聲道數(shù)據(jù)。

對于這種標準I2S格式的信號，無論有多少位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的最高位總是出現(xiàn)在LRCLK變化（也就是一幀開始）后的第2個BCLK脈沖處。這就使得接收端與發(fā)送端的有效位數(shù)可以不同。如果接收端能處理的有效位數(shù)少于發(fā)送端，可以放棄數(shù)據(jù)幀中多余的低位數(shù)據(jù)；如果接收端能處理的有效位數(shù)多于發(fā)送端，可以自行補足剩余的位。

這種同步機制使得數(shù)字音頻設備的互連更加方便，而且不會造成數(shù)據(jù)錯位。

2.2、左對齊（MSB）標準

左對齊（MSB）標準時序圖如下圖所示：

該標準較少使用，在LRCLK發(fā)生翻轉的同時開始傳輸數(shù)據(jù)，注意LRCLK為1時，傳輸?shù)氖亲舐暤罃?shù)據(jù)，LRCLK為0時，傳輸?shù)氖怯衣暤罃?shù)據(jù)，這剛好與I2S Philips標準相反。

2.3、右對齊（LSB）標準

右對齊（LSB）標準時序圖如下圖所示：

聲音數(shù)據(jù)LSB傳輸完成的同時，LRCLK完成第二次翻轉（剛好是LSB和LRCLK是右對齊的，所以稱為右對齊標準）。注意LRCLK為1時，傳輸?shù)氖亲舐暤罃?shù)據(jù)，LRCLK為0時，傳輸?shù)氖怯衣暤罃?shù)據(jù)，這剛好與I2S Philips標準相反。