IIS-I2S音頻總線知識

1、IIS音頻總線學(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)的時間間隔3. 頻率：指信號每秒鐘變化的次數(shù)聲音按頻率分類：圖2 聲音的頻率(語音信號頻率范圍：300Hz-3kHz)聲音的傳播攜帶了信息，它是人類傳播信息的一種主要媒體。聲音的三種類型：1. 波形聲音：包含了所有聲音形式2. 語音：不僅是波形聲音，而且還有豐富的語言內(nèi)涵(抽象提取特征意義理解)3. 音樂：與語音相比，形式更規(guī)范。音樂是符號化的聲音。二、聲音的數(shù)字化1.聲音信號的類型 模擬信號(自然界、物理) 數(shù)字信號(計算機)2.聲音數(shù)字化過

2、程圖3聲音數(shù)字化過程3.聲音數(shù)字化過程示意圖圖4聲音數(shù)字化過程示意圖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)每個采樣點用多少二進制位表示數(shù)據(jù)范圍使用聲音通道的個數(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：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：高壓縮比(11:1)，優(yōu)美音質(zhì)3.WMA文件WMA(Windows Media Audio)是Windows Media格式中的一個子集(音頻格式)。特點：壓縮到MP3一半4.MIDI文件MIDI(樂器數(shù)字接口)是由一組聲音或樂器符號的集合。

4、特點：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)音頻信號能壓縮的基本依據(jù)：聲音信號中存在大量的冗余度；人的聽覺具有強音能抑制同時存在的弱音現(xiàn)象。音頻信號壓縮編碼的分類：無損壓縮(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)分類標(biāo)準(zhǔn)說明電話語音質(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進行壓縮和解壓縮語音合成技術(shù)(朗讀文本)具有MIDI接口(樂器數(shù)字接口)2.芯片類型 CODEC芯片(依賴CPU，價格便宜) 數(shù)字信號處理器DSP(不依賴CPU)I2S音頻總線學(xué)習(xí)（二

6、）I2S總線協(xié)議一、I2S總線概述 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)進入消費市場，例如數(shù)字音頻錄音帶、數(shù)字聲音處理器。對于設(shè)備和生產(chǎn)廠家來說，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標(biāo)準(zhǔn)，該總線專責(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總線規(guī)范I2S總線擁有三條數(shù)據(jù)信號線：1、SCK: (continuous serial clock) 串行時鐘 對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCK都有1個脈沖。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可以在串行時鐘的上升沿或者下降沿發(fā)生改變，并且WS信號不需要一定是對稱的。在從屬裝置端，WS在時鐘信號的上升沿發(fā)生改變。WS總是在最高位傳輸前的一個時鐘周期發(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)同步的時間，并且使接收端存儲當(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) 用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。I2S格式的信號無論

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(也就是一幀開始)后的第2個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，可以自行補足剩余的位(常補足為零)。這種同步機制使得數(shù)字音頻設(shè)備的互連更加方便，而且不會造成數(shù)據(jù)錯位。為了保證數(shù)字音頻信號的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應(yīng)該采用相同的數(shù)據(jù)格式和長度。當(dāng)然，對I2S格式來說數(shù)據(jù)長度可以不同。對于系統(tǒng)而言，產(chǎn)生SCK和WS的信號端就是主設(shè)備，用MASTER表

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

10、和設(shè)置接收端所需的時間。見圖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，其他電平也會支持。 I2S音頻總線學(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)總線接口作為一個編解碼接口連接外部8/16位立體聲音頻解碼IC用于迷你碟機和可攜式應(yīng)用。IIS總線接口支持IIS總線數(shù)據(jù)格式和MSB-justifie

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

12、rck 是由通道狀態(tài)機生成并控制。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 控制寄存器對于發(fā)送接收FIFO 有一個FIFO 準(zhǔn)備標(biāo)志位。當(dāng)FIFO 準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，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，對于接收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，F(xiàn)IFO 準(zhǔn)備標(biāo)志置0。這些標(biāo)志用于決定CPU 讀寫FIFO 的時間。用這種方法當(dāng)CUP 在訪問發(fā)送接收FI

13、FO 時，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DMA 控制器是可訪問的。在發(fā)送或接收模式下的DMA服務(wù)請求是由FIFO 準(zhǔn)備標(biāo)志自動執(zhí)行。3.發(fā)送和接收模式 在此模式下IIS 總線接口可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。三、音頻串行接口格式1.IIS 總線格式 IIS 總線有四線包括串行數(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 的補碼發(fā)送，MSB(Most Significant Bit 最高位)先發(fā)。因為發(fā)送器和接收器可能有不同的

14、字長，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收到多少位。當(dāng)系統(tǒng)字長大于發(fā)生器的字長，字為了數(shù)據(jù)發(fā)送而被截斷（最低位被置0）。如果接收器接收大于其字長的位，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，缺少的位被置0。因此MSB 有一個固定的位置，而LSB 的位置取決于字長。只要IISLRCK 發(fā)送改變，發(fā)送器在一個時鐘周期內(nèi)發(fā)送下一個字的MSB。由發(fā)送器發(fā)送的串行數(shù)據(jù)可以和時鐘信號的下降沿和上升沿同步。但是，串行數(shù)據(jù)必須在串行時鐘信號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)送時有一些限制。左右通道選擇線指出了正在發(fā)送的通道。I

15、ISLRCK 可以在串行時鐘的下降沿或上升沿被改變，當(dāng)時其不需要對稱。在從設(shè)備，信號在串行時鐘的下降沿或上升沿被鎖存。在MSB 被發(fā)送，IISLRCK 線改變一個時鐘周期。此允許發(fā)送器導(dǎo)出用于建立發(fā)送的串行數(shù)據(jù)同步時序。此外，其使能接收存儲前一個字且為下一個字的接收清除輸入。2.MSB JUSTIFIED 格式 MSB JUSTIFIED 總線格式在結(jié)構(gòu)上和IIS 總線格式。唯一和IIS 總線格式的區(qū)別，MSB JUSTIFIED 格式實現(xiàn)了只要IISLRCK 改變，發(fā)送器總是發(fā)送下一個字的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)備時鐘 I2S主設(shè)備

16、時鐘頻率可以通過采樣頻率來選擇，這是因為I2S主設(shè)備時鐘頻率是由I2S分頻器產(chǎn)生的（主設(shè)備時鐘頻率=PCLK/預(yù)分頻器值），因此必須選擇合適的預(yù)分頻值和CODECLK的采樣頻率類型（256fs或384fs），才能獲得合適的I2SLRCK頻率（I2SLRCK頻率=主設(shè)備時鐘頻率/CODECLK）。 串行位采用頻率類型（16/32/48fs）可以通過配置信道的串行位數(shù)和CODECLK采樣頻率類型來完成（串行位時鐘頻率類型=CODECLK的采用類型/串行數(shù)據(jù)位數(shù)）。五、IIS 總線接口特殊寄存器 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，復(fù)位后值為0x100。寄存器各個比特位意義如下：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時表示沒有就緒，取1時表示FIFO就緒；6接收FIFO就緒標(biāo)記，取0時表示沒有就緒，取1時表示FIFO就緒；5發(fā)送DMA請求使能，取0時請求禁止，取1時請求使能；4接收DMA請求使能，取0時請求禁止，取1時請求使能；3發(fā)送通道空閑命令，在空閑狀態(tài)（暫停傳輸）時，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，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時預(yù)分頻器禁止，取1時預(yù)分頻器使能；0I2S接口使能，取0時I2S禁止，取1時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，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個比特位意義如下：8主從模式選擇，取0時為主模式，取1時為從模式；7:6發(fā)送/接收模式選擇，00=無，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，取0時右通道高左通道低，取1時右通道低左通道高；4串行接口格式，取0時I2S兼容格式，取1時MSB

19、可調(diào)格式；3每通道串行數(shù)據(jù)位，取0時8位，取1時16位；2主時鐘頻率選擇，取0時主時鐘是256fs（采樣頻率），取1時為384fs；1:0串行位時鐘頻率選擇，00=位時鐘是16fs，01=位時鐘是32fs，10=位時鐘是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，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個比特位意義如下：9:5A預(yù)分頻值，預(yù)分頻器A的除因子，I2S總線接口主時鐘=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，復(fù)位后值為0x000。寄存器各個比特位意義如下：15發(fā)送FIFO訪問模式選擇，取0時工作于普通模式，取1時工作在DMA模式；14接收FIFO訪問模式選擇，取0時工作于普通模式，取1時工作在DMA模式；13控制發(fā)送FIFO使能，取1時使能，取0時禁止；12控制接收FIFO使能，取1時使能，取0時禁止；11:6發(fā)送端FIFO數(shù)據(jù)計數(shù)，計數(shù)值032；5:0接收端FIFO數(shù)據(jù)計數(shù)，計數(shù)值032。5