I2S 协议

• 参考
  • NXP 《I2S bus specification》
  • NXP 《I2S在Kinetis上的应用 》
  • https://www.python100.com/html/R62183SDTAU0.html
  • https://blog.51cto.com/u_15459030/5225825

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• I2C相关内容见tag.

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1. I2S概述

1.1 为什么需要I2S

• I2S是I2C的变种，全称：InterIc-Sound. 专门为传输音频数据而设计的。
• I2S 相较于I2C和SPI有以下优点
  • 更低的延迟：由于I2S数据传输是连续的，不需要等待ACK信号的回复，I2S只需要使用WS和SCK信号进行数据的同步；响应速度更快。
  • 更高的精度：I2C一次可以传输8位的数据，但是I2S可以传输16/24位的数据，对于高精度的音频设备，I2S能够满足要求。

1.2 I2S 三条总线

• 之前介绍I2C有两条总线:SCL/SDA。而I2S有三条总线如下。
  • SCK(Continuous Serial Clock)：串行时钟，也称为位时钟BCLK。
    • SCK的时钟频率 = 声道数 * 采样频率 * 采样位数。
  • WS(Word Select)：字段（声道）选择信号，也称为帧时钟LRCK。
    • 其频率等于采样频率。
    • 在I2S模式下：WS=1，表示传递的是右声道数据。WS=0，表示传递的是左声道数据。后面有介绍，其它模式不同。
  • SD(Serial Data)：串行数据。
• 控制器（Controller）产生SCK信号和WS信号，控制器可以是Transmitter也可以是Receiver，也可以是单独设计的控制模块。
  

1.3 I2S的三种操作模式

• 图片来自TI的TLV320AIC3104的数据表，其中WCLK为LRCLK信号，BCLK为SCK信号。
• 无论哪种模式，串行数据都是以二进制补码进行传输的，且先传输MSB，LSB的位置取决于I2S的位宽，长会被截断，短会被补零。
• 根据下面的波形可以看到：I2S模式，WS=0->左，WS=1->右;而左对齐和右对齐和I2S模式规定相反。
• 不同的模式决定了解码方式也不同。
• 根据SD和WCLK情况可分为三种模式：
  • I2S模式
    • 在WCLK下降沿之后的一个BCLK周期的上升沿采到的数据有效。
    • WCLK在BCLK下降沿变化，发送方在BCLK下降沿改变数据，而接收方在BCLK上升沿采样数据。
      
  • 左对齐模式
    • 相较于I2S模式，没有延迟一个BCLK周期。
    • 不需要关心数据的长度，只会对LSB进行处理，截取/补零；但是MSB不会有问题。
    • 发送方在BCLK下降沿改变数据，而接收方在BCLK上升沿采样数据。
      
  • 右对齐模式
    • 不足：接收设备需要事先知道传输数据的长度，否则可能会导致MSB被截断
      
• 对于I2S模式和左对齐模式，可以允许发送端和接收端数据长度不同，因为接收端和发送端可以进行相应的截断和补0.
  • 为了保证数据音频信号的正确传输，发送端和接收端最好使用相同的数据格式和长度。

2. I2S 应用

• 注意：这里只讨论I2S模式，不讨论左对齐/右对齐模式。
• 讨论基于DMA和中断的乒乓缓冲区方案，旨在降低用于处理音频数据流的CPU开销。
• 为什么需要该方案
  • 采样率一般会在8KHz-48KHz之间，甚至可以更高。如果使用CPU去处理每个中断，那么系统效率会非常低。
  • 另外大部分的音频算法会累积音频流中的数据形成缓冲数据块，之后再对缓存数据块进行处理。

2.1 方案概述

• 具体方案结构框图如下图所示。
  • 其中R和L分别代表右通道/左通道。每个通道都有用于乒乓操作的两个缓冲区（红色和黑色）。
    • 乒乓相关知识可以看这篇博客。
  • 我对框图的工作模式理解是
    • 前面介绍，缓冲区被划分为四块；我们这里看红色和黑色两部分。红色部分我们使用DMA将其传送到I2S TX模块。
      • 根据要求假设N为缓冲区中采样数据数量，DMA传送了N个采样数据之后，DMA会向CPU发起一个中断。
    • 中断期间，CPU执行音频解码算法之后获得的输出数据，并将输出数据填充到缓冲区。
    • 可以看到存在一个乒乓的工作模式：
      • T1：中断：CPU计算完成，将数据送到缓冲区R_TX0。与此同时DMA在搬移R_TX1的数据。
      • T2：DMA搬移结束后再次触发中断，此时DMA继续搬移R_TX0中的数据。CPU完成计算，并将数据送到缓冲区R_TX1中。
      • 依次类推，形成乒乓的工作模式。
  • 注意：考虑到音频信号具有较强的实时性要求，因此，所有计算都必须在下个中断发生之前完成，否则会导致系统故障。
    

2.2 I2S 的 FIFO 特性

• I2S 的 FIFO 从DMA中读数据，FIFO中的数据会交替发送到左右通道；判断依据可选择FIFO中是否存在空数据。
  • 如下图所示，当FIFO的空数据计数为2时，就会让DMA加载一条数据进入左通道，一条数据进入右通道。
    

2.3 DMA 和中断 配置

• 2.1节中有介绍到DMA和中断CPU处理之间的乒乓工作模式。下面会依据实例详细介绍。
• 下图可以看到，共有四个数据块，每个数据块有四个采样，每个采样都有四个字节。
  • DMA的访问顺序是左右通道交叉，如：0x00,0x20,0x04,0x24...
• 乒乓操作实现
  • 当DMA读取地址经过0x00,0x20...到达0x2c时，TX0内的所有数据都已经发送完毕，发起一个中断。
  • 随后，CPU进行算法计算，并将数据填充到BLOCK0和BLOCK2中；与此同时，DMA处理BLOCK1和BLOCK3。
  • 当DMA到达地址0x3c时，会发起另一个中断。
  • 随后，CPU进行算法计算，并将数据填充到BLOCK1和BLOCK3中；与此同时，DMA处理BLOCK0和BLOCK2。