I2S总线

一、概述

I2S总线是飞利浦公司（现为NXP）为了解决日益增多的音频处理设备和音频IC之间可以标准化传输音频信号而开发的一种总线标准。它一共定义了三根线，分别是串行时钟线CLK（也叫位时钟线BCLK）、帧同步线LRCK（也叫字选择线WS）和串行数据线SD。

二、总线特征

1. 总线一共由三根线组成
2. 总线协议定义了主设备和从设备，产生串行时钟信号和帧同步信号的设备是主设备，接受这两个信号作为输入信号的设备叫从设备
3. 支持全双工和半双工通信
4. 包括左右两个声道

三、总线协议详情

1. I2S简单系统模型

上图列出了三种应用模式，在第一种（左上角）模式中，发送设备（TRANSMITTER）产生所有信号，发送设备是主设备，接收设备是从设备；在第二种（右上角）模式中，接收设备（RECEIVER）产生时钟信号CLK和帧同步信号LRCK，所以接收设备是主设备，发送设备（TRANSMITTER）是从设备，从设备发送数据；在第三种（中间）模式中，时钟信号CLK和帧同步信号LRCK由控制器（CONTROLLER）产生，所以控制器是主设备，发送设备和接收设备都是从设备，数据有发送设备传输到接收设备。

2. I2S信号详解

 2.1 时钟信号CLK

 时钟信号的频率取决于采样频率、量化深度。

时钟信号频率 = 采样频率 x 量化深度x 2

假设采样频率是44.1KHz，量化深度是16bit，那么时钟频率CLK = 44.1 x 16 x 2 = 1.4112 MHz，其中2表示左右两个声道。

2.2 帧同步信号LRCK

帧同步信号等于采样频率，用于切换左右声道的数据。当LRCK为高电平时（逻辑为1），数据信号线上传输的是右声道的数据，反之则为左声道数据。

2.3 数据信号

数据信号线上的数据用二进制补码来表示，先传输最高位（MSB）。如果接收设备与发送设备的字长不匹配，当发送设备字长大于接收设备时，低位数据会被丢掉；当发送设备字长小于接收设备时，低位数据补0.

3. I2S时序模式

根据SD相对于SCK和WS位置的不同，I2S分为三种不同的时序模式，分别为标准I2S模式、左对齐模式和右对齐模式。

3.1 标准I2S模式

上升标准模式也叫Phillips模式，是由标准左对齐格式再延迟一个时钟周期变化来的。时序如下图所示，左声道的数据MSB在帧同步信号下降沿之后第二个时钟信号上升沿有效，右声道数据的MSB在帧同步信号上升沿之后第二个时钟信号沿有效。

3.2 左对齐模式

 下图为左对齐模式的时序图，和标准模式对比可以看出，左对齐模式的数据的MSB没有相对于时钟信号延迟一个时钟。左对齐模式的左声道的数据MSB在帧同步信号上升沿之后时钟信号的第一个上升沿有效；右声道的数据MSB在帧同步下降沿之后时钟信号第一个上升沿有效。左对齐模式的优点在于，由于在帧同步信号变化后的第一个时钟信号上升沿就开始采样，它不需要关心左右声道数据的字长，只要帧同步信号的时钟周期足够长。左对齐的方式支持16-32bit字长格式。

 3.3 右对齐模式

右对齐模式也叫日本格式，EIAJ (Electronic Industries Association of Japan) 或SONY格式，下图为右对齐模式时序图。右对齐模式左声道的数据LSB在帧同步信号下降沿的前一个时钟信号上升沿有效，右声道的数据LSB在帧同步信号上升沿的前一个时钟信号上升沿有效。相比于左对齐模式，右对齐模式的不足在于接收设备必须事先知道待传数据的字长。