I2S协议学习笔记

I2S总线协议

1.I2S总线概述

音响数据的采集、处理和传输是多媒体技术的重要组成部分。众多的数字音频系统已经进入消费市场，例如数字音频录音带、数字声音处理器。对于设备和生产厂家来说，标准化的信息传输结构可以提高系统的适应性。

I2S(Inter-IC Sound)总线, 又称集成电路内置音频总线，是飞利浦半导体公司(现为恩智浦半导体公司)针对数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。该总线专门用于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，通过将数据和时钟信号分离，避免了因时差诱发的失真，为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。

2.I2S信号线

I2S总线主要有3个信号线：
(1).串行时钟SCK
串行时钟SCK，也叫位时钟BCLK，对应数字音频的每一位数据，SCK都有1个脉冲。SCK的频率 = 声道数 * 采样频率 * 采样位数。
(2).字段选择信号WS
字段选择信号WS，也叫LRCLK，用于切换左右声道的数据。WS的频率 = 采样频率。
字段选择信号WS表明了正在被传输的声道。I2S Philips标准WS信号的电平含义如下：

WS为0，表示正在传输的是左声道的数据；

WS为1，表示正在传输的是右声道的数据。
(3).串行数据SD
串行数据SD，就是用二进制补码表示的音频数据。I2S串行数据在传输的时候，由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。
(4).主时钟MCLK
一般还有MCLK，主时钟。MCLK的频率 = 128或者256或者512 * 采样频率。
对于系统而言，能够产生SCK和WS的信号端就是主设备，用MASTER表示，简单系统示意图如下：

3.几种常见的I2S数据格式

随着技术的发展，在统一的I2S硬件接口下，出现了多种不同的I2S数据格式，可分为左对齐(MSB)标准、右对齐(LSB)标准、I2S Philips 标准。

对于所有数据格式和通信标准而言，始终会先发送最高有效位(MSB 优先)。

发送端和接收端必须使用相同的数据格式，确保发送和接收的数据一致。

(1).I2S Philips 标准

使用LRCLK信号来指示当前正在发送的数据所属的声道，为0时表示左声道数据。LRCLK信号从当前声道数据的第一个位(MSB)之前的一个时钟开始有效。LRCLK信号在BCLK的下降沿变化。发送方在时钟信号BCLK的下降沿改变数据，接收方在时钟信号BCLK的上升沿读取数据。正如上文所说，LRCLK频率等于采样频率Fs，一个LRCLK周期(1/Fs)包括发送左声道和右声道数据。

对于这种标准I2S格式的信号，无论有多少位有效数据，数据的最高位总是出现在LRCLK变化（也就是一帧开始）后的第2个BCLK脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。如果接收端能处理的有效位数少于发送端，可以放弃数据帧中多余的低位数据；如果接收端能处理的有效位数多于发送端，可以自行补足剩余的位。这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便，而且不会造成数据错位。
I2S Philips 标准时序图如下所示：

(2).左对齐(MSB)标准

在LRCLK发生翻转的同时开始传输数据。该标准较少使用。注意此时LRCLK为1时，传输的是左声道数据，这刚好与I2S Philips标准相反。左对齐(MSB)标准时序图如下所示：

(3).右对齐(LSB)标准

声音数据LSB传输完成的同时，LRCLK完成第二次翻转（刚好是LSB和LRCLK是右对齐的，所以称为右对齐标准）。注意此时LRCLK为1时，传输的是左声道数据，这刚好与I2S Philips标准相反。右对齐(LSB)标准时序图如下所示：