音频(二)——I2S 协议

I2S 协议详解

信号线定义

各个信号线的功能及描述见下表

信号线	描述
MCLK	主时钟，也叫系统时钟(Sys Clock)，为了使系统间能够更好的同步，MCLK的频率=256fs 或384fs(fs 指采样频率)
SCLK	串行时钟，也叫位时钟(BCLK)，对应数字⾳频的每⼀位数据，SCLK 都有⼀个脉冲。SCLK 的频率=2x采样频率x采样位数
LRCLK	帧时钟，⽤于切换左右声道的数据。LRCLK（Left/Right CLOCK），LRCLK 的频率 = 采样频率
SDATAI	串行数据输入，用二进制补码表示的音频数据输入信号(MSB->LSB：数据由高位到低位依次传输)
SDATAO	串行数据输出，用二进制补码表示的音频数据输出信号(MSB->LSB：数据由高位到低位依次传输)

根据 data 相对于 LRCLK 与 BCLK 位置的不同，I2S 协议一般分为 5 种不同的模式，发送端和接收端必须使用相同的数据格式。

• 飞利浦(I2S)标准模式
• 左(MSB)对齐标准模式
• 右(LSB)对齐标准模式
• PCM/DSP 模式
  • PCM/DSP 模式 A
  • PCM/DSP 模式 B

相关术语

• MSB：表示数据的最高 BIT 位
• LSB：表示数据的最低 BIT 位
• PCM：Pulse Code Modulation - 脉冲编码调制
• TDM：Time Division Multiplexing - 时分复用
• slot：槽 - 是指某个通道的一帧数据
• slot_num：槽的个数
• slot_width：一帧数据的位数

位宽与位深

位宽

根据上面公式 SCLK 的频率=2x采样频率x位宽，可以得到 I2S 的数据位宽

$$位宽=\frac{SCLK/BCLK}{2LRCLK}=\frac{SCLK/BCLK}{2fs}$$

位深

表示音频数据量化后的精度

例如，在下文出现的图中，位宽均为 32 位，位深可以设置为 16/20/24 等

需要注意在 I2S/LJ/RJ 模式中，位宽/位深 是由 master 决定的

32位位宽，32位位深

• I2S mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，32位位深 bit depth
• 2通道

时序如下

32位位宽，24位位深

• I2S mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，24位位深 bit depth
• 2通道

时序如下

32位位宽，20位位深

• I2S mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，20位位深 bit depth
• 2通道

时序如下

32位位宽，16位位深

• I2S mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，16位位深 bit depth
• 2 通道

时序如下

I2S format

飞利浦 (I2S) 标准模式

• 数据在跟随 LRCLK 传输的 BCLK 的第二个上升沿时传输 MSB，其他位一直到 LSB 按顺序传
• 传输依赖于字长、BCLK 频率和采样率(BCLK=Fs x 声道数 x 采样位数)
• 在每个采样的 LSB 和下一个采样的 MSB 之间都应该有未用的 BCLK 周期
• LRCLK 为 0 传输左声道数据，LRCLK 为 1 传输右声道数据

飞利浦标准模式的 I2S 传输协议如下所示：

I2S left

I2S 左对齐标准

• 标准左对齐格式的数据的 MSB 没有相对于 BCLK 延迟一个时钟。左对齐格式的左右声道数据的 MSB 在 LRCLK 边沿变化后 BCLK 的第一个上升沿有效
• LRCLK 为 1 传输左声道数据，LRCLK 为 0 传输右声道数据，这也飞利浦标准刚好相反
• 左对齐格式的优点在于，由于在 LRCLK 变化后的第一个 BCLK 上升沿就开始采样，它不需要关心左右声道数据的字长
• 从波形可以看出 I2S 模式属于左对齐模式中的一种特例，由左对齐模式数据延迟一个 BCLK 时钟周期变化而来。
  

I2S right

I2S 右对齐标准

• 也叫日本格式，sony 格式。相比于标准左对齐格式，标准右对齐的不足在于接收设备必须事先知道待传数据的字长
• 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 是右对⻬的，所以称为右对⻬标准）
• LRCLK 为 1 传输左声道数据，LRCLK 为 0 传输右声道数据
  

PCM/DSP format

PCM 接口分为两种常用操作模式：DSP A mode 和 DSP B mode,统称为 DSP mode

基于 DSP mode，PCM 接口可以配置支持 TDM(Time Division Multiplexing)数据传输。可以支持传输多个声道的数据，允许多个设备同时使用总线。由于没有统一的标准，不同厂商在 TDM 实现的时序上略有差异。

• 在 PCM 模式中 LRCLK 的高低不再代表不同通道的数据，它是一个比特宽的脉冲，标志着一帧的开始
• PCM 只有⼀个起始信号，并且对数据进行对齐，使左通道数据紧跟着右通道数据。为剩余的位进行零填充
• 数据和帧时钟可以配置为在 BCLK 的上升沿或下降沿有效

PCM 和 I2S 的区别于数据相对于帧时钟（FSYNC/WS）的位置、时钟的极性和帧的长度。其实，I2S 上传输的也是 PCM 类型的数据，因此可以说 I2S 是 PCM 接口的特例。

相比于 I2 S接口，PCM 接口应用更加灵活。通过时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）方式，PCM 接口支持同时传输多达 N 个（N>8）声道的数据，减少了管脚数目

TDM不像I2S有统一的标准，不同的IC厂商在应用TDM时可能略有差异，这些差异表现在时钟的极性、声道配置的触发条件和对闲置声道的处理等

PCM/DSP format A

• DSP A:FSYNC 有效后，数据在 BCLK 的第 2 个上升沿(下降沿)有效(one bit clock delay)
  
• TDM mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，16位位深 bit depth
• 4 通道
  时序如下
  

PCM/DSP format B

• DSP B: FSYNC 有效后，数据在 BCLK 的第 1 个上升沿(下降沿)有效(no delay)
  
• TDM mode
• MSB first
• 32位位宽 word width，16位位深 bit depth
• 4 通道
  时序如下
  

在DSP B 模式内，数据延迟一个bit clock 周期有效就是 DSP A 模式。可见 A 是 B 的特例。

不同厂商对 Mode A 和 Mode B 定义可能有所差别，PCM 帧同步模式大致可以分为两种

• 长帧模式 - long frame sync
  • FSYNC 脉冲宽度等于 1 个 slot 的长度，slot 在 TDM 中表示的是传输单个声道所占用的位数。注意，slot 的位数并不一定等于音频的量化深度。比如 slot 可能为 32 bit，其中包括 24 bit 有效数据位（Audio Word） + 8 bit 零填充（Zero Padding）

• 短帧模式 - short frame sync
  • FSYNC 脉冲宽度等于 1 个 BCLK 周期长度