iisi2s音频总线知识.docx

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iisi2s音频总线知识

IIS音频总线学习〔一〕数字音频技术

一、声音的根本概念

  声音是通过一定介质传播的连续的波。

图1声波

重要指标：

1.振幅：

音量的大小

2.周期：

重复出现的时间间隔

3.频率：

指信号每秒钟变化的次数

声音按频率分类：

图2声音的频率（语音信号频率范围：

300Hz-3kHz）

声音的传播携带了信息，它是人类传播信息的一种主要媒体。

 声音的三种类型：

1.波形声音：

包含了所有声音形式

2.语音：

不仅是波形声音，而且还有丰富的语言内涵（抽象→提取特征→意义理解）

3. 音乐：

与语音相比，形式更标准。

音乐是符号化的声音。

二、声音的数字化

1.声音信号的类型

∙模拟信号（自然界、物理）

∙数字信号（计算机）

2.声音数字化过程

图3 声音数字化过程

3.声音数字化过程示意图

图4 声音数字化过程示意图

4.声音数字化三要素

采样频率

量化位数

声道数

每秒钟抽取声波幅度样本的次数

每个采样点用多少二进制位表示数据范围

使用声音通道的个数

采样频率越高

声音质量越好

数据量也越大

量化位数越多

音质越好

数据量也越大

立体声比单声道的表现力丰富，但数据量翻倍

11.025kHz

22.05kHz

44.1 kHz

8位＝256

16位＝65536

单声道

立体声

5.声音数字化的数据量

音频数据量＝采样频率×量化位数×声道数/8（字节/秒）

采样频率

（kHz）

量化位数

（bit）

数据量（KB/s）

单声道

立体声

11.025

8

10.77

21.35

16

21.53

43.07

22.05

8

21.53

43.07

16

43.07

86.13

44.1

8

43.07

86.13

16

86.13

172.27

三、音频的文件格式

1.WAV文件

WAV是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，复原音质好

2.MP3文件

MP3（MPEGAudiolayer3）是一种按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）是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

四、数字音频压缩标准

1.音频压缩方法概述

图5 

压缩编码技术是指用某种方法使数字化信息的编码率降低的技术

音频信号能压缩的根本根据：

①声音信号中存在大量的冗余度；

②人的听觉具有强音能抑制同时存在的弱音现象。

音频信号压缩编码的分类：

①无损压缩（熵编码）

霍夫曼编码、算术编码、行程编码

②有损压缩

波形编码--PCM、DPCM、ADPCM、子带编码、矢量量化

参数编码--LPC

混合编码--MPLPC、CELP

2.音频压缩技术标准

分类

标准

说明

语

音质量

G.711

采样8kHz，量化8bit，码率64kbps

G.721

采用ADPCM编码，码率32kbps

G.723

采用ADPCM有损压缩，码率24kbps

G.728

采用LD-CELP压缩技术，码率16kbps

调幅广

播质量

G.722

采样16kHz，量化14bit，码率224（64）kbps

高保真

立体声

MPEG

音频

采样44.1kHz，量化16bit，码率705kbps（MPEG三个压缩层次，384-64kbps）

五、声卡

1.声卡的主要功能

声卡是负责录音、播音和声音合成的一种多媒体板卡。

其功能包括：

①录制、编辑和回放数字音频文件

②控制和混合各声源的音量

③记录和回放时进展压缩和解压缩

④语音合成技术（朗读文本）

⑤具有MIDI接口（乐器数字接口）

2.芯片类型

∙CODEC芯片（依赖CPU，价格廉价）

∙数字信号处理器DSP（不依赖CPU）

I2S音频总线学习〔二〕I2S总线协议

一、I2S总线概述

    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。

对于设备和消费厂家来说，标准化的信息传输构造可以进步系统的适应性。

I2S（Inter—ICSound）总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。

二、I2S总线标准

I2S总线拥有三条数据信号线：

1、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的频率=2×采样频率×采样位数。

2、WS:

（wordselect） 字段〔声道〕选择

     用于切换左右声道的数据。

WS的频率＝采样频率。

     命令选择线说明了正在被传输的声道。

     WS为“1〞表示正在传输的是左声道的数据。

     WS为“0〞表示正在传输的是右声道的数据。

    WS可以在串行时钟的上升沿或者下降沿发生改变，并且WS信号不需要一定是对称的。

在附属装置端，WS在时钟信号的上升沿发生改变。

WS总是在最高位传输前的一个时钟周期发生改变，这样可以使附属装置得到与被传输的串行数据同步的时间，并且使接收端存储当前的命令以及为下次的命令去除空间。

3、SD:

（serialdata） 串行数据 

     用二进制补码表示的音频数据。

 I2S格式的信号无论有多少位有效数据，数据的最高位总是被最先传输（在WS变化（也就是一帧开始）后的第2个SCK脉冲处），因此最高位拥有固定的位置，而最低位的位置那么是依赖于数据的有效位数。

也就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。

假设接收端能处理的有效位数少于发送端，可以放弃数据帧中多余的低位数据；假设接收端能处理的有效位数多于发送端，可以自行补足剩余的位（常补足为零）。

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一样的数据格式和长度。

当然，对I2S格式来说数据长度可以不同。

对于系统而言，产生SCK和WS的信号端就是主设备，用MASTER表示，简单系统示意图如图1所示：

图1简单系统配置和根本接口时序

另一个根本的接口时序图可以参看图2所示：

图2I2S典型的接口时序

4、时序要求

    在IIS总线中，任何设备都可以通过提供必需的时钟信号成为系统的主设备置，而附属设备通过外部时钟信号来得到它的内部时钟信号，这就意味着必须重视主设备和数据以及命令选择信号之间的传播延迟，总的延迟主要由两部分组成：

1.外部时钟和从设备的内部时钟之间的延迟

2.内部时钟和数据信号以及命令选择信号之间的延迟

    对于数据和命令信号的输入，外部时钟和内部时的延迟不占据主导的地位，它只是延长了有效的建立时间（set-uptime）。

延迟的主要部分是发送端的传输延迟和设置接收端所需的时间。

见图3和图4：

图3 TimingforIISTransmitter

图4 TimingforIISReceiver

其中：

5、电气特性

输出电压:

    VL<0.4V   

      VH>2.4V 

输入电压

     VIL=0.8V  

      VIH=2.0V

注：

目前使用的TTL电平标准，随着其他IC〔LSI〕的流行，其他电平也会支持。

I2S音频总线学习〔三〕S3C2440的I2S控制器

一、I2S控制器构造框图         

    S3C2440A的Inter-ICSound（IIS）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。

IIS总线接口支持IIS总线数据格式和MSB-justified数据格式。

该接口对FIFO的访问采用了DMA形式取代了中断。

它可以在同一时间接收和发送数据。

图1构造框图

1.总线接口，存放器组和状态机〔BRFC〕：

总线接口逻辑和FIFO访问由状态机控制。

2.5位双预定标器〔IPSR〕：

一个预定标器用于IIS总线接口的主时钟发生器，另外一个用作外部编解码时钟发生器。

3.64位FIFO〔TxFIFO和RxFIFO〕：

在发送数据传输时，数据写到TxFIFO；在接收数据传输时，从RxFIFO读取数据。

4.主IISCLK发生器〔SCLKG〕：

在主设备形式，串行位时钟是从主时钟生成。

5.通道发生器和状态机〔CHNC〕：

IISCLK和iislrck是由通道状态机生成并控制。

6.15位移位存放器〔SFTR〕：

在发送形式下并行数据移位成串行数据输出，在接收形式下串行数据输入移位成并行数据。

二、发送接收形式

1.通常传输

     IIS控制存放器对于发送接收FIFO有一个FIFO准备标志位。

当FIFO准备发送数据时，假设FIFO非空，FIFO准备标志位置1。

假设FIFO为空，FIFO准备标志位置0。

当接收FIFO非满，对于接收FIFO的FIFO准备标志位置1。

其指出FIFO准备好接收数据。

假设接收FIFO为满，FIFO准备标志置0。

这些标志用于决定CPU读写FIFO的时间。

用这种方法当CUP在访问发送接收FIFO时，串行数据能被发送和接收。

2.DMA传输

    在此形式下，发送或接收FIFO对DMA控制器是可访问的。

在发送或接收形式下的DMA效劳恳求是由FIFO准备标志自动执行。

3.发送和接收形式

    在此形式下IIS总线接口可以同时接收和发送数据。

三、音频串行接口格式

1.IIS总线格式

     IIS总线有四线包括串行数据输入〔IISDI〕，串行数据输出〔IISDO〕，左右通道选择〔IISLRCK〕和串行位时钟〔IISCLK〕。

生成IISLRCK和IISCLK的设备是主设备。

串行数据以2的补码发送，MSB（MostSignificantBit最高位）先发。

因为发送器和接收器可能有不同的字长，MSB〔最高位〕先发。

发送器不必知道接收器可以处理多少位，接收器也不必知道会收到多少位。

当系统字长大于发生器的字长，字为了数据发送而被截断〔最低位被置0〕。

假设接收器接收大于其字长的位，在LSB〔最低位〕后的位被忽略。

另外，假设接收器收到的位数小于其字长，缺少的位被置0。

因此MSB有一个固定的位置，而LSB的位置取决于字长。

只要IISLRCK发送改变，发送器在一个时钟周期内发送下一个字的MSB。

由发送器发送的串行数据可以和时钟信号的下降沿和上升沿同步。

但是，串行数据必须在串行时钟信号的上升沿锁存到接收器。

因此当同步上升沿的数据发送时有一些限制。

左右通道选择线指出了正在发送的通道。

IISLRCK可以在串行时钟的下降沿或上升沿被改变，当时其不需要对称。

在从设备，信号在串行时钟的下降沿或上升沿被锁存。

在MSB被发送，IISLRCK线改变一个时钟周期。

此允许发送器导出用于建立发送的串行数据同步时序。

此外，其使能接收存储前一个字且为下一个字的接收去除输入。

2.MSBJUSTIFIED格式

     MSBJUSTIFIED总线格式在构造上和IIS总线格式。

唯一和IIS总线格式的区别，MSBJUSTIFIED格式实现了只要IISLRCK改变，发送器总是发送下一个字的MSB。

图2IIS格式和MSBJUSTIFIED数据格式

四、IIS采集频率和主设备时钟

      I2S主设备时钟频率可以通过采样频率来选择，这是因为I2S主设备时钟频率是由I2S分频器产生的〔主设备时钟频率=PCLK/预分频器值〕，因此必须选择适宜的预分频值和CODECLK的采样频率类型〔256fs或384fs〕，才能获得适宜的I2SLRCK频率〔I2SLRCK频率=主设备时钟频率/CODECLK〕。

      串行位采用频率类型〔16/32/48fs〕可以通过配置信道的串行位数和CODECLK采样频率类型来完成〔串行位时钟频率类型=CODECLK的采用类型/串行数据位数〕。

五、IIS总线接口特殊存放器

    I2S相关的存放器包括I2S控制存放器I2SCON、I2S形式存放器I2SMOD、I2S分频存放器I2SPSR、I2SFCON存放器和FIFO存放器。

1〕I2SCON控制存放器

I2SCON控制存放器物理地址为0x55000000，可读/写，复位后值为0x100。

存放器各个比特位意义如下：

[8] 左右声道标记，0=左声道，1=右声道；

[7] 发送FIFO就绪标记，取0时表示没有就绪，取1时表示FIFO就绪；

[6] 接收FIFO就绪标记，取0时表示没有就绪，取1时表示FIFO就绪；

[5] 发送DMA恳求使能，取0时恳求制止，取1时恳求使能；

[4] 接收DMA恳求使能，取0时恳求制止，取1时恳求使能；

[3] 发送通道空闲命令，在空闲状态〔暂停传输〕时，I2SLRCK是不激活的，0表示I2SLRCK产生，1表示不产生；

[2] 接收通道空闲命令，在空闲状态〔暂停传输〕时，I2SLRCK是不激活的，0表示I2SLRCK产生，1表示不产生；

[1] I2S预分频器使能，取0时预分频器制止，取1时预分频器使能；

[0] I2S接口使能，取0时I2S制止，取1时I2S使能。

2〕I2SMOD形式存放器

I2SMOD形式存放器物理地址为0x55000004，可读/写，复位后值为0x000。

存放器各个比特位意义如下：

[8] 主从形式选择，取0时为主形式，取1时为从形式；

[7:

6] 发送/接收形式选择，00=无，01=接收形式，10=发送形式，11=发送/接收形式；

[5] 左右通道优先级，取0时右通道高左通道低，取1时右通道低左通道高；

[4] 串行接口格式，取0时I2S兼容格式，取1时MSB可调格式；

[3] 每通道串行数据位，取0时8位，取1时16位；

[2] 主时钟频率选择，取0时主时钟是256fs〔采样频率〕，取1时为384fs；

[1:

0] 串行位时钟频率选择，00=位时钟是16fs，01=位时钟是32fs，10=位时钟是48fs，11=未定义。

3〕I2S分频存放器I2SPSR

I2S分频存放器物理地址为0x55000008，可读/写，复位后值为0x000。

存放器各个比特位意义如下：

[9:

5] A预分频值，预分频器A的除因子，I2S总线接口主时钟=MCLK/A预分频因子；

[4:

0] B预分频值，预分频器B的除因子，外部CODEC时钟=MCKL/B预分频因子。

4〕I2SFCON存放器

I2SFCON存放器物理地址为0x5500000C，可读/写，复位后值为0x000。

存放器各个比特位意义如下：

[15] 发送FIFO访问形式选择，取0时工作于普通形式，取1时工作在DMA形式；

[14] 接收FIFO访问形式选择，取0时工作于普通形式，取1时工作在DMA形式；

[13] 控制发送FIFO使能，取1时使能，取0时制止；

[12] 控制接收FIFO使能，取1时使能，取0时制止；

[11:

6] 发送端FIFO数据计数，计数值0～32；

[5:

0] 接收端FIFO数据计数，计数值0～32。

5〕FIFO存放器I2SFIF

FIFO存放器物理地址为0x55000010，可读/写，复位后值为0x000。

存放器各个比特位意义如下：

I2S总线接口在发送/接收形式有两个64字节的FIFO，每个FIFO由宽16、深32的表组成，并且每个FIFO单元可以分别操作高字节或低字节。

通过FIFO入口访问发送和接收FIFO，入口地址为0x55000010。

I2S音频总线学习〔四〕I2S接口设计

一、数据发送端的设计

图1发送端

      随着WS信号的改变，导出一个WSP脉冲信号，进入并行移位存放器装入DATALEFT或DATARIGHT，从而输出数据被激活。

串行数据在时钟下降沿移出。

串行数据的默认输入是0，因此所有位于最低位（LSB）后的数据将被设置为0。

二、数据接收端的设计

图2接收端

      随着第一个WS信号的改变，WSP在SCK信号的下降沿重设计数器。

在“1outofn〞译码器对计数器数值进展译码后，第一个串行的数据（MSB）在SCK时钟信号的上升沿被存放进入B1，随着计数器的增长，接下来的数据被依次存放进入B2到Bn中。

在下一个WS信号改变的时候，数据根据WSP脉冲的变化被存放进入左（声道）锁存器或者右（声道）锁存器，并且将B2一Bn的数据去除以及计数器重设，假设有冗余的数据那么最低位之后的数据将被忽略。

注意：

译码器和计数器（虚线内的部分）可以被一个n比特移位存放器所代替，如图3所示。

     当计数计满时，即ENn为高时，计算器EN信号变成低电平，使计数器停顿计数，同时也使串并转换模块停顿接收数据。

图3 接收端