赵宏伟《嵌入式系统设计》第6章（3-4节）嵌入式接口技术应用 2016jm.pptx

赵宏伟《嵌入式系统设计》第6章（3-4节）嵌入式接口技术应用 2016jm.pptx

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6.3I2S总线音响数据的采集、处理和传输是多媒体技术的重要组成部分。

众多的数字音频系统已经进入消费市场，例如数字音频录音带、数字声音处理器、数字TV音响。

对于设备和生产厂家来说，标准化的信息传输结构可以提高系统的适应性。

I2S总线：

Inter-ICSoundbus，又称IIS，是菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议，用于音频设备之间的数据传输。

目前很多音频芯片和MCU都提供了对IIS的支持。

S3C2440具有I2S总线接口。

S3C2440的I2S总线接口作为一个编解码接口，连接外部8/16位立体声音频解码IC，用于迷你碟机和可携式应用。

1声音数字化声音：

声音的本质是波，人能听到的声音的频率在20Hz20KHz之间。

次声波20Hz声音按频率分类：

次声波、可听声波、超声波20KHzf（Hz）可听声波超声波声音数字化过程：

采样、量化、编码采样量化编码模拟信号数值信号模拟信号数值信号A/D1D/A声音数字化要素声音数字化三要素：

1采样频率：

每秒钟采样声波幅度的次数。

采样频率越高，声音质量越好，数据量也越大。

一般分为11.025KHz、22.05KHz、44.1KHz。

2量化位数：

每个采样点用多少位二进制数表示。

量化位数越多，音质越好，数据量也越大。

一般分为8位、16位。

3声道数：

声音通道的个数，分为单声道、立体声，立体声比单声道表现力丰富，但数据量翻倍。

声音数字化的数据量：

单位是字节/秒。

音频数据量采样频率量化位数声道数/8（字节/秒）1声音数字化的数据量1采样频率（KHz）量化位数（bit）数据量（KB/s）单声道立体声11.025810.7721.351621.5343.0722.05821.5343.071643.0786.1344.1843.0786.131686.13172.27音频文件格式音频的文件格式：

WAV文件、MP3文件、WMA文件、MIDI文件。

（1）WAV文件WAV：

Microsoft/IBM共同开发的PC波形文件。

因未经压缩，文件数据量很大。

特点：

声音层次丰富，还原音质好。

（2）MP3文件MP3：

MPEGAudiolayer3，一种按MPEG标准的音频压缩技术制作的音频文件。

特点：

高压缩比（11:

1），优美音质。

（3）WMA文件WMA：

WindowsMediaAudio，是WindowsMedia格式中的一个子集（音频格式）。

特点：

压缩到MP3一半。

（4）MIDI文件MIDI：

乐器数字接口，由一组声音或乐器符号的集合。

特点：

数据量很小，缺乏重现自然音。

1I2S总线概述I2S总线：

Inter-ICSoundbus，又称IIS，是菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议。

在飞利浦公司的I2S标准中，规定I2S有3个主要信号：

SCK、WS、SD。

SCK：

continuousserialclock，串行时钟。

对应数字音频的每一位数据，SCK都有1个脉冲。

SCK频率=2采样频率采样位数。

WS：

wordselect，字段（声道）选择。

用于切换左右声道的数据。

WS频率=采样频率。

SD：

serialdata，串行数据。

用二进制补码表示的音频数据。

主设备：

产生SCK和WS的信号端就是主设备，用MASTER表示。

从设备：

接收SCK、WS信号的设备。

发送端、接收端、控制器都可以是主设备。

1简单系统配置发送端接收端SCKWSSD发送端是主设备：

发送端产生SCK、WS信号发送端接收端SCKWSSD接收端是主设备：

接收端产生SCK、WS信号发送端接收端SCKWSSD控制器是主设备：

控制器产生SCK、WS信号控制器1串行数据SD对于I2S格式，无论传送多少位有效数据，数据的最高位总是被最先传输，因此最高位拥有固定的位置，而最低位的位置则是依赖于数据的有效位数。

所以，接收端与发送端的有效位数可以不同。

有效位数处理原则：

1接收端有效位数发送端有效位数：

自行补足剩余的位数，通常用0填补。

这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便，而且不会造成数据错位。

为了保证数字音频信号的正确传输，发送端和接收端应该采用相同的数据格式和长度。

当然，对I2S格式来说数据长度可以不同。

1声道选择WS声道选择WS：

选择传输数据的声道，比如WS=0，选择左声道，表示正在传输的数据是左声道的数据。

WS=1，选择右声道，表示正在传输的数据是右声道的数据。

这里的0和1是可以改变的，只要通信双方一致就可以。

声道选择WS总是在最高位传输前的一个时钟周期发生改变，这样可以使从设备获得数据同步时间。

1I2S典型的接口时序左声道右声道WSWS在最高位传输前的一个时钟周期发生改变或者说在WS变化后的第2个SCK时钟，开始传送数据SCK8位SD123781237816位SD12315161231516最高位最低位无效位1S3C2440I2S总线接口S3C2440内置I2S总线接口，可以实现CODEC（编码解码器）接口到外部8/16位立体声音频。

S3C2440的I2S总线特性：

（1）2种串行接口格式：

I2S格式、MSB-调整格式（MSB-Justified格式）。

（2）2种串行数据位数：

8/16位。

（3）3种串行时钟：

16fs、32fs、48fs，fs为采样频率。

（4）2种主时钟：

256fs、384fs。

（5）2个分频器：

针对主时钟发生器和外部编码解码时钟发生器的可编程分频器。

（6）发送/接收FIFO：

64字节发送FIFO、64字节接收FIFO。

（7）2种数据传输方式：

正常方式、DMA方式。

（8）3种发送/接收方式：

发送方式、接收方式、发送和接收方式。

1S3C2440I2S总线接口结构框图BRFC：

总线接口，寄存器组和状态机。

总线接口逻辑和FIFO访问由状态机控制I2SSDOI2SSDI串行数据输出串行数据输入串行时钟左右通道选择外部编码解码时钟IPSR_A：

预定标器A，5位，用于I2S总线接口的主时钟发生器IPSR_B：

预定标器B，5位，用于外部编码解码时钟发生器TxFIFO：

64字节，由3216位组成，高或低字节可分别访问。

发送数据时，数据写到TxFIFORxFIFO：

64字节，由3216位组成，高或低字节可分别访问。

接收数据时，从RxFIFO读取数据SCLKG：

主时钟发生器，在主设备模式，串行时钟SCLK是从主时钟发生器生成的CHNC：

通道发生器和状态机，SCLK和LRCK由通道状态机生成并控制，同时控制数据的发送/接收SFTR：

移位寄存器，在发送模式下并行数据移位成串行数据输出，在接收模式下串行数据输入移位成并行数据12345678引脚5个：

I2SDO、I2SDI、SCLK、LRCK、CDCLK16.3.1发送/接收模式S3C2440I2S总线接口数据传输方式有2种：

正常方式、DMA方式。

（1）正常方式：

属于非DMA方式。

I2S控制寄存器（IISCON）有发送FIFO就绪标志和接收FIFO就绪标志。

发送FIFO就绪标志IISCON7：

当IISCON7=1时，发送FIFO非空，当IISCON7=0时，发送FIFO空。

接收FIFO就绪标志IISCON6：

当IISCON6=1时，接收FIFO未满，当IISCON6=0时，接收FIFO满。

FIFO队列的就绪标志决定CPU读/写FIFO的时间。

由于FIFO的缓冲作用，使得“CPU访问FIFO”与“串行数据发送/接收”可以同时进行。

（2）DMA方式：

由DMA控制器完成访问发送FIFO或接收FIFO。

DMA服务请求由FIFO就绪标志自动执行。

S3C2440I2S总线接口发送/接收方式有3种：

发送方式、接收方式、发送和接收方式。

发送和接收方式：

I2S总线接口可以同时接收和发送数据。

16.3.2音频串行接口格式串行接口格式2种：

I2S格式、MSB-调整格式（MSB-Justified格式）。

I2S格式：

先传高位，左右通道选择LRCK变化后的第2个SCLK时钟开始传送下一个数据的高位。

MSB-调整格式：

MSB-Justified格式，与I2S格式区别在于，MSB-调整格式在LRCK改变的第1个SCLK时钟开始传送下一个数据的高位。

1237/158/161237/158/168/16位SDSCLK左声道右声道LRCK12347/158/1612347/158/168/16位SDSCLK左声道右声道LRCKI2S格式MSB-调整格式二者区别1zhaoh1外部编码解码时钟CDCLK的选择LRCK（fs）8.000KHz11.025KHz16.000KHz22.050KHz32.000KHz44.100KHz48.000KHz64.000KHz88.200KHz96.000KHzCDCLK（MHz）256fs2.04802.82244.09605.64488.192011.289612.288016.384022.579224.5760384fs3.07204.23366.14408.467212.288016.934418.432024.576033.868836.8640I2S只负责数字音频信号的传输，要真正实现音频信号的放、录，还需要额外的处理芯片（比如UDA1341），CDCLK为该芯片提供系统同步时钟，即编解码时钟，主要用于音频的A/D、D/A的采样时钟，一般CDCLK为256fs或384fs。

fs不是任意设置的，一般根据不同的应用场合和听觉效果，设置不同的几个固定的值，如8kHz、16kHz、22.05kHz、44.1kHz等，LRCK=采样频率一般两个预分频器的值N相等，通过CDCLK来计算预分频器B的N值并推知预分频器A的N值，CDCLKPCLK/（N1）I2SSDII2SSDO串行数据输出串行数据输入串行时钟左右通道选择外部编码解码时钟123串行时钟SCLK的选择每通道串行位8-bit16-bit串行时钟频率（SCLK）CDCLK=256fs16fs,32fs32fsCDCLK=384fs16fs,32fs,48fs32fs,48fsSCLK=声道数采样频率采样位数。

例如：

采样频率fs=44.1kHz，采样位数=16位，声道数2个（左、右两个声道），则SCLK=声道数采样频率采样位数=2fs16=32fs=1411.2KHz。

一般CDCLK为256fs或384fs。

I2SSDOI2SSDI串行数据输出串行数据输入串行时钟左右通道选择外部编码解码时钟16.3.3I2S总线接口特殊寄存器IIS控制寄存器（IISCON）IIS模式寄存器（IISMOD）IIS预定标器寄存器（IISPSR）IISFIFO控制寄存器（IISFCON）IISFIFO寄存器（IISFIFO）1IIS控制寄存器IISCONIIS控制寄存器（IISCON）是可读/写状态，小端模式下地址为0x55000000；大端模式下地址为0x55000002，复位后的值为0x100。

1IISCON位描述初始值左/右通道指示（只读）80=左；1=右。

1发送FIFO就绪标志（只读）70=空；1=非空。

0接收FIFO就绪标志（只读）60=满；1=非满。

0发送DMA服务请求50=禁止；1=使能。

0接收DMA服务请求40=禁止；1=使能。

0发送通道空闲命令3空闲状态中IISLRCK为无效（暂停Tx）。

0=非闲；1=闲。

000接收通道空闲命令2空闲状态中IISLRCK为无效（暂停Rx）。

0=非闲；1=闲。

0IIS预分频器10=禁止；1=使能。

0IIS接口00=禁止（停止）；1=使能（启动）。

0IIS模式寄存器IISMODIIS模式寄存器（IISMOD）是可读/写状态，小端模式下地址为0x55000004；大端模式下地址为0x55000006，复位后的值为0x0。

1IISMOD位描述初始值主设备时钟选择9主设备时钟选择位。

0=PCLK；1=MPLLin。

0主/从设备模式选择80=主设备模式（IISLRCK和IISCLK是输出模式）；1=从设备模式（IISLRCK和IISCLK