IIS-I2S音頻總線(xiàn)知識(shí)

1、IIS音頻總線(xiàn)學(xué)習(xí)（一）數(shù)字音頻技術(shù)一、聲音的基本概念 聲音是通過(guò)一定介質(zhì)傳播的連續(xù)的波。圖1 聲波重要指標(biāo)：1. 振幅：音量的大小2. 周期：重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔3. 頻率：指信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)聲音按頻率分類(lèi)：圖2 聲音的頻率(語(yǔ)音信號(hào)頻率范圍：300Hz-3kHz)聲音的傳播攜帶了信息，它是人類(lèi)傳播信息的一種主要媒體。聲音的三種類(lèi)型：1. 波形聲音：包含了所有聲音形式2. 語(yǔ)音：不僅是波形聲音，而且還有豐富的語(yǔ)言?xún)?nèi)涵(抽象提取特征意義理解)3. 音樂(lè)：與語(yǔ)音相比，形式更規(guī)范。音樂(lè)是符號(hào)化的聲音。二、聲音的數(shù)字化1.聲音信號(hào)的類(lèi)型 模擬信號(hào)(自然界、物理) 數(shù)字信號(hào)(計(jì)算機(jī))2.聲音數(shù)字化過(guò)

2、程圖3聲音數(shù)字化過(guò)程3.聲音數(shù)字化過(guò)程示意圖圖4聲音數(shù)字化過(guò)程示意圖4.聲音數(shù)字化三要素采樣頻率量化位數(shù)聲道數(shù)每秒鐘抽取聲波幅度樣本的次數(shù)每個(gè)采樣點(diǎn)用多少二進(jìn)制位表示數(shù)據(jù)范圍使用聲音通道的個(gè)數(shù)采樣頻率越高聲音質(zhì)量越好數(shù)據(jù)量也越大量化位數(shù)越多音質(zhì)越好數(shù)據(jù)量也越大立體聲比單聲道的表現(xiàn)力豐富，但數(shù)據(jù)量翻倍11.025kHz22.05 kHz44.1 kHz8位25616位65536單聲道立體聲5.聲音數(shù)字化的數(shù)據(jù)量音頻數(shù)據(jù)量采樣頻率量化位數(shù)聲道數(shù)/8(字節(jié)/秒)采樣頻率(kHz)量化位數(shù)(bit)數(shù)據(jù)量(KB/s)單聲道立體聲11.025810.7721.351621.5343.0722.05821

3、.5343.071643.0786.1344.1843.0786.131686.13172.27三、音頻的文件格式1.WAV文件WAV是Microsoft/IBM共同開(kāi)發(fā)的PC波形文件。因未經(jīng)壓縮，文件數(shù)據(jù)量很大。特點(diǎn)：聲音層次豐富，還原音質(zhì)好2.MP3文件MP3(MPEG Audio layer3)是一種按MPEG標(biāo)準(zhǔn)的音頻壓縮技術(shù)制作的音頻文件。特點(diǎn)：高壓縮比(11:1)，優(yōu)美音質(zhì)3.WMA文件WMA(Windows Media Audio)是Windows Media格式中的一個(gè)子集(音頻格式)。特點(diǎn)：壓縮到MP3一半4.MIDI文件MIDI(樂(lè)器數(shù)字接口)是由一組聲音或樂(lè)器符號(hào)的集合。

4、特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量很小，缺乏重現(xiàn)自然音四、數(shù)字音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)1.音頻壓縮方法概述圖5壓縮編碼技術(shù)是指用某種方法使數(shù)字化信息的編碼率降低的技術(shù)音頻信號(hào)能壓縮的基本依據(jù)：聲音信號(hào)中存在大量的冗余度；人的聽(tīng)覺(jué)具有強(qiáng)音能抑制同時(shí)存在的弱音現(xiàn)象。音頻信號(hào)壓縮編碼的分類(lèi)：無(wú)損壓縮(熵編碼)霍夫曼編碼、算術(shù)編碼、行程編碼有損壓縮波形編碼-PCM、DPCM、ADPCM 、子帶編碼、矢量量化參數(shù)編碼-LPC混合編碼-MPLPC、CELP2.音頻壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明電話(huà)語(yǔ)音質(zhì)量G.711采樣8kHz，量化8bit，碼率64kbpsG.721采用ADPCM編碼，碼率32kbpsG.723采用ADPCM有損壓縮，碼率24

5、kbpsG.728采用LD-CELP壓縮技術(shù)，碼率16kbps調(diào)幅廣播質(zhì)量G.722采樣16kHz，量化14bit，碼率224(64)kbps高保真立體聲MPEG音頻采樣44.1kHz，量化16bit，碼率705kbps (MPEG三個(gè)壓縮層次，384-64kbps)五、聲卡1.聲卡的主要功能聲卡是負(fù)責(zé)錄音、播音和聲音合成的一種多媒體板卡。其功能包括：錄制、編輯和回放數(shù)字音頻文件控制和混合各聲源的音量記錄和回放時(shí)進(jìn)行壓縮和解壓縮語(yǔ)音合成技術(shù)(朗讀文本)具有MIDI接口(樂(lè)器數(shù)字接口)2.芯片類(lèi)型 CODEC芯片(依賴(lài)CPU，價(jià)格便宜) 數(shù)字信號(hào)處理器DSP(不依賴(lài)CPU)I2S音頻總線(xiàn)學(xué)習(xí)（二

6、）I2S總線(xiàn)協(xié)議一、I2S總線(xiàn)概述 音響數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸是多媒體技術(shù)的重要組成部分。眾多的數(shù)字音頻系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，例如數(shù)字音頻錄音帶、數(shù)字聲音處理器。對(duì)于設(shè)備和生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)化的信息傳輸結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。I2S(InterIC Sound)總線(xiàn)是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，該總線(xiàn)專(zhuān)責(zé)于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。二、I2S總線(xiàn)規(guī)范I2S總線(xiàn)擁有三條數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)：1、SCK: (continuous serial clock) 串行時(shí)鐘 對(duì)應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCK都有1個(gè)脈沖。SCK的頻率=2采樣頻率采樣位數(shù)。

7、2、WS: (word select) 字段（聲道）選擇 用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。WS的頻率采樣頻率。 命令選擇線(xiàn)表明了正在被傳輸?shù)穆暤馈?WS為“1”表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)。 WS為“0”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。 WS可以在串行時(shí)鐘的上升沿或者下降沿發(fā)生改變，并且WS信號(hào)不需要一定是對(duì)稱(chēng)的。在從屬裝置端，WS在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿發(fā)生改變。WS總是在最高位傳輸前的一個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)生改變，這樣可以使從屬裝置得到與被傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)同步的時(shí)間，并且使接收端存儲(chǔ)當(dāng)前的命令以及為下次的命令清除空間。3、SD: (serial data) 串行數(shù)據(jù) 用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。I2S格式的信號(hào)無(wú)論

8、有多少位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的最高位總是被最先傳輸(在WS變化(也就是一幀開(kāi)始)后的第2個(gè)SCK脈沖處)，因此最高位擁有固定的位置，而最低位的位置則是依賴(lài)于數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。也就使得接收端與發(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(bǔ)足剩余的位(常補(bǔ)足為零)。這種同步機(jī)制使得數(shù)字音頻設(shè)備的互連更加方便，而且不會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位。為了保證數(shù)字音頻信號(hào)的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應(yīng)該采用相同的數(shù)據(jù)格式和長(zhǎng)度。當(dāng)然，對(duì)I2S格式來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以不同。對(duì)于系統(tǒng)而言，產(chǎn)生SCK和WS的信號(hào)端就是主設(shè)備，用MASTER表

9、示，簡(jiǎn)單系統(tǒng)示意圖如圖1所示： 圖1 簡(jiǎn)單系統(tǒng)配置和基本接口時(shí)序 另一個(gè)基本的接口時(shí)序圖可以參看圖2所示： 圖2 I2S典型的接口時(shí)序4、時(shí)序要求 在IIS總線(xiàn)中，任何設(shè)備都可以通過(guò)提供必需的時(shí)鐘信號(hào)成為系統(tǒng)的主設(shè)備置，而從屬設(shè)備通過(guò)外部時(shí)鐘信號(hào)來(lái)得到它的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，這就意味著必須重視主設(shè)備和數(shù)據(jù)以及命令選擇信號(hào)之間的傳播延遲，總的延遲主要由兩部分組成：1.外部時(shí)鐘和從設(shè)備的內(nèi)部時(shí)鐘之間的延遲2.內(nèi)部時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)以及命令選擇信號(hào)之間的延遲 對(duì)于數(shù)據(jù)和命令信號(hào)的輸入，外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)的延遲不占據(jù)主導(dǎo)的地位，它只是延長(zhǎng)了有效的建立時(shí)間(set-up time)。延遲的主要部分是發(fā)送端的傳輸延遲

10、和設(shè)置接收端所需的時(shí)間。見(jiàn)圖3和圖4：圖3Timing for IIS Transmitter圖4 Timing for IIS Receiver其中：5、電氣特性輸出電壓: VL 2.4V輸入電壓 VIL=0.8V VIH=2.0V注：目前使用的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，隨著其他IC（LSI）的流行，其他電平也會(huì)支持。 I2S音頻總線(xiàn)學(xué)習(xí)（三）S3C2440的I2S控制器一、I2S控制器結(jié)構(gòu)框圖 S3C2440A的Inter-IC Sound (IIS)總線(xiàn)接口作為一個(gè)編解碼接口連接外部8/16位立體聲音頻解碼IC用于迷你碟機(jī)和可攜式應(yīng)用。IIS總線(xiàn)接口支持IIS總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式和MSB-justifie

11、d數(shù)據(jù)格式。該接口對(duì)FIFO的訪(fǎng)問(wèn)采用了DMA模式取代了中斷。它可以在同一時(shí)間接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1 結(jié)構(gòu)框圖1. 總線(xiàn)接口，寄存器組和狀態(tài)機(jī)（BRFC）：總線(xiàn)接口邏輯和FIFO 訪(fǎng)問(wèn)由狀態(tài)機(jī)控制。2. 5 位雙預(yù)定標(biāo)器（IPSR）：一個(gè)預(yù)定標(biāo)器用于IIS 總線(xiàn)接口的主時(shí)鐘發(fā)生器，另外一個(gè)用作外部編解碼時(shí)鐘發(fā)生器。3. 64 位FIFO（TxFIFO 和RxFIFO）：在發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)到TxFIFO；在接收數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，從RxFIFO 讀取數(shù)據(jù)。4. 主IISCLK 發(fā)生器（SCLKG）：在主設(shè)備模式，串行位時(shí)鐘是從主時(shí)鐘生成。5. 通道發(fā)生器和狀態(tài)機(jī)（CHNC）：IISCLK 和iisl

12、rck 是由通道狀態(tài)機(jī)生成并控制。6. 15 位移位寄存器（SFTR）：在發(fā)送模式下并行數(shù)據(jù)移位成串行數(shù)據(jù)輸出，在接收模式下串行數(shù)據(jù)輸入移位成并行數(shù)據(jù)。二、發(fā)送接收模式1.通常傳輸 IIS 控制寄存器對(duì)于發(fā)送接收FIFO 有一個(gè)FIFO 準(zhǔn)備標(biāo)志位。當(dāng)FIFO 準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果FIFO 非空，F(xiàn)IFO 準(zhǔn)備標(biāo)志位置1。如果FIFO 為空，F(xiàn)IFO 準(zhǔn)備標(biāo)志位置0。當(dāng)接收FIFO非滿(mǎn)，對(duì)于接收FIFO 的FIFO 準(zhǔn)備標(biāo)志位置1。其指出FIFO 準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。如果接收FIFO 為滿(mǎn)，F(xiàn)IFO 準(zhǔn)備標(biāo)志置0。這些標(biāo)志用于決定CPU 讀寫(xiě)FIFO 的時(shí)間。用這種方法當(dāng)CUP 在訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送接收FI

13、FO 時(shí)，串行數(shù)據(jù)能被發(fā)送和接收。2.DMA 傳輸 在此模式下，發(fā)送或接收FIFO 對(duì)DMA 控制器是可訪(fǎng)問(wèn)的。在發(fā)送或接收模式下的DMA服務(wù)請(qǐng)求是由FIFO 準(zhǔn)備標(biāo)志自動(dòng)執(zhí)行。3.發(fā)送和接收模式 在此模式下IIS 總線(xiàn)接口可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。三、音頻串行接口格式1.IIS 總線(xiàn)格式 IIS 總線(xiàn)有四線(xiàn)包括串行數(shù)據(jù)輸入（IISDI），串行數(shù)據(jù)輸出（IISDO），左右通道選擇（IISLRCK）和串行位時(shí)鐘（IISCLK）。生成IISLRCK 和IISCLK 的設(shè)備是主設(shè)備。串行數(shù)據(jù)以2 的補(bǔ)碼發(fā)送，MSB(Most Significant Bit 最高位)先發(fā)。因?yàn)榘l(fā)送器和接收器可能有不同的

14、字長(zhǎng)，MSB（最高位）先發(fā)。發(fā)送器不必知道接收器可以處理多少位，接收器也不必知道會(huì)收到多少位。當(dāng)系統(tǒng)字長(zhǎng)大于發(fā)生器的字長(zhǎng)，字為了數(shù)據(jù)發(fā)送而被截?cái)啵ㄗ畹臀槐恢?）。如果接收器接收大于其字長(zhǎng)的位，在LSB（最低位）后的位被忽略。另外，如果接收器收到的位數(shù)小于其字長(zhǎng)，缺少的位被置0。因此MSB 有一個(gè)固定的位置，而LSB 的位置取決于字長(zhǎng)。只要IISLRCK 發(fā)送改變，發(fā)送器在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送下一個(gè)字的MSB。由發(fā)送器發(fā)送的串行數(shù)據(jù)可以和時(shí)鐘信號(hào)的下降沿和上升沿同步。但是，串行數(shù)據(jù)必須在串行時(shí)鐘信號(hào)的上升沿鎖存到接收器。因此當(dāng)同步上升沿的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)有一些限制。左右通道選擇線(xiàn)指出了正在發(fā)送的通道。I

15、ISLRCK 可以在串行時(shí)鐘的下降沿或上升沿被改變，當(dāng)時(shí)其不需要對(duì)稱(chēng)。在從設(shè)備，信號(hào)在串行時(shí)鐘的下降沿或上升沿被鎖存。在MSB 被發(fā)送，IISLRCK 線(xiàn)改變一個(gè)時(shí)鐘周期。此允許發(fā)送器導(dǎo)出用于建立發(fā)送的串行數(shù)據(jù)同步時(shí)序。此外，其使能接收存儲(chǔ)前一個(gè)字且為下一個(gè)字的接收清除輸入。2.MSB JUSTIFIED 格式 MSB JUSTIFIED 總線(xiàn)格式在結(jié)構(gòu)上和IIS 總線(xiàn)格式。唯一和IIS 總線(xiàn)格式的區(qū)別，MSB JUSTIFIED 格式實(shí)現(xiàn)了只要IISLRCK 改變，發(fā)送器總是發(fā)送下一個(gè)字的MSB。圖2 IIS格式和MSB JUSTIFIED數(shù)據(jù)格式四、IIS采集頻率和主設(shè)備時(shí)鐘 I2S主設(shè)備

16、時(shí)鐘頻率可以通過(guò)采樣頻率來(lái)選擇，這是因?yàn)镮2S主設(shè)備時(shí)鐘頻率是由I2S分頻器產(chǎn)生的（主設(shè)備時(shí)鐘頻率=PCLK/預(yù)分頻器值），因此必須選擇合適的預(yù)分頻值和CODECLK的采樣頻率類(lèi)型（256fs或384fs），才能獲得合適的I2SLRCK頻率（I2SLRCK頻率=主設(shè)備時(shí)鐘頻率/CODECLK）。 串行位采用頻率類(lèi)型（16/32/48fs）可以通過(guò)配置信道的串行位數(shù)和CODECLK采樣頻率類(lèi)型來(lái)完成（串行位時(shí)鐘頻率類(lèi)型=CODECLK的采用類(lèi)型/串行數(shù)據(jù)位數(shù)）。五、IIS 總線(xiàn)接口特殊寄存器 I2S相關(guān)的寄存器包括I2S控制寄存器I2SCON、I2S模式寄存器I2SMOD、I2S分頻寄存器I2S

17、PSR、I2SFCON寄存器和FIFO寄存器。1）I2SCON控制寄存器I2SCON控制寄存器物理地址為0x55000000，可讀/寫(xiě)，復(fù)位后值為0x100。寄存器各個(gè)比特位意義如下：8左右聲道標(biāo)記，0=左聲道，1=右聲道；7發(fā)送FIFO就緒標(biāo)記，取0時(shí)表示沒(méi)有就緒，取1時(shí)表示FIFO就緒；6接收FIFO就緒標(biāo)記，取0時(shí)表示沒(méi)有就緒，取1時(shí)表示FIFO就緒；5發(fā)送DMA請(qǐng)求使能，取0時(shí)請(qǐng)求禁止，取1時(shí)請(qǐng)求使能；4接收DMA請(qǐng)求使能，取0時(shí)請(qǐng)求禁止，取1時(shí)請(qǐng)求使能；3發(fā)送通道空閑命令，在空閑狀態(tài)（暫停傳輸）時(shí)，I2SLRCK是不激活的，0表示I2SLRCK產(chǎn)生，1表示不產(chǎn)生；2接收通道空閑命令，

18、在空閑狀態(tài)（暫停傳輸）時(shí)，I2SLRCK是不激活的，0表示I2SLRCK產(chǎn)生，1表示不產(chǎn)生；1I2S預(yù)分頻器使能，取0時(shí)預(yù)分頻器禁止，取1時(shí)預(yù)分頻器使能；0I2S接口使能，取0時(shí)I2S禁止，取1時(shí)I2S使能。2）I2SMOD模式寄存器I2SMOD模式寄存器物理地址為0x55000004，可讀/寫(xiě)，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個(gè)比特位意義如下：8主從模式選擇，取0時(shí)為主模式，取1時(shí)為從模式；7:6發(fā)送/接收模式選擇，00=無(wú)，01=接收模式，10=發(fā)送模式，11=發(fā)送/接收模式；5左右通道優(yōu)先級(jí)，取0時(shí)右通道高左通道低，取1時(shí)右通道低左通道高；4串行接口格式，取0時(shí)I2S兼容格式，取1時(shí)MSB

19、可調(diào)格式；3每通道串行數(shù)據(jù)位，取0時(shí)8位，取1時(shí)16位；2主時(shí)鐘頻率選擇，取0時(shí)主時(shí)鐘是256fs（采樣頻率），取1時(shí)為384fs；1:0串行位時(shí)鐘頻率選擇，00=位時(shí)鐘是16fs，01=位時(shí)鐘是32fs，10=位時(shí)鐘是48fs，11=未定義。3）I2S分頻寄存器I2SPSRI2S分頻寄存器物理地址為0x55000008，可讀/寫(xiě)，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個(gè)比特位意義如下：9:5A預(yù)分頻值，預(yù)分頻器A的除因子，I2S總線(xiàn)接口主時(shí)鐘=MCLK/A預(yù)分頻因子；4:0B預(yù)分頻值，預(yù)分頻器B的除因子，外部CODEC時(shí)鐘=MCKL/B預(yù)分頻因子。4）I2SFCON寄存器I2SFCON寄存器物理地址為0x5500000C，可讀/寫(xiě)，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個(gè)比特位意義如下：15發(fā)送FIFO訪(fǎng)問(wèn)模式選擇，取0時(shí)工作于普通模式，取1時(shí)工作在DMA模式；14接收FIFO訪(fǎng)問(wèn)模式選擇，取0時(shí)工作于普通模式，取1時(shí)工作在DMA模式；13控制發(fā)送FIFO使能，取1時(shí)使能，取0時(shí)禁止；12控制接收FIFO使能，取1時(shí)使能，取0時(shí)禁止；11:6發(fā)送端FIFO數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值032；5:0接收端FIFO數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值032。5