I2S 和數(shù)字音頻時(shí)代

越來(lái)越多的常用電氣工程縮寫(xiě)有時(shí)會(huì)讓人有點(diǎn)不知所措，如果您已經(jīng)多次看到術(shù)語(yǔ)“I2S”并且只是假設(shè)它只是一個(gè)印刷錯(cuò)誤，我不會(huì)反對(duì)您“ I2C ”的版本。

這兩個(gè)協(xié)議之間確實(shí)存在某種關(guān)系。兩者初均由 Philips Semiconductors（現(xiàn)為 NXP）開(kāi)發(fā)，均以“I2”開(kāi)頭，因?yàn)樗鼈冎荚谟糜?IC 間通信。然而，I2S 是在 I2C 之后發(fā)布的，I2C 是一個(gè)通用接口，而 I2S 是為傳輸音頻數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的——名稱中的“S”代表“聲音”。

I2S 創(chuàng)建于 1980 年代，當(dāng)時(shí)數(shù)字技術(shù)開(kāi)始征服消費(fèi)音頻市場(chǎng)。I2S 的既定目的是通過(guò)用于在 ADC、DAC、數(shù)字濾波器、數(shù)字信號(hào)處理器和音頻系統(tǒng)中使用的其他類(lèi)型 IC 之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接口促進(jìn)音頻電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)。它本質(zhì)上是一個(gè)雙通道協(xié)議，因?yàn)樗菫榱Ⅲw聲設(shè)計(jì)的（這是我們所說(shuō)的“立體聲”的奇特名稱）。

I2S的特點(diǎn)

下圖描述了 I2S 支持的三種配置。

圖表取自I2S 規(guī)范，飛利浦半導(dǎo)體于 1986 年首次發(fā)布并于 1996 年修訂。

數(shù)據(jù)在SD線上驅(qū)動(dòng)，WS線的狀態(tài)對(duì)應(yīng)當(dāng)前正在傳輸?shù)囊纛l通道（右或左），時(shí)鐘線承載串行時(shí)鐘。正如您在圖中看到的，WS 和 SCK 信號(hào)可以由發(fā)射器、接收器或第三方控制器組件生成。

以下列表確定了三個(gè) I2S 信號(hào)的顯著特征。

串行數(shù)據(jù) (SD)

• 數(shù)字值首先傳輸 MSb。
• 發(fā)送器和接收器不需要有約定的字長(zhǎng)；發(fā)送者發(fā)送它所擁有的，而接收者則獲取它可以使用的東西。
• 新數(shù)據(jù)位可以在時(shí)鐘的上升沿或下降沿同步輸出。然而，它們必須在上升沿輸入，因此更直接的方法是下圖所示的安排——即，我們?cè)谙陆笛剌敵鰯?shù)據(jù)，在上升沿輸入數(shù)據(jù)。
• 該協(xié)議不包括字之間未使用的時(shí)鐘周期；一個(gè)字的 LSb 緊接著是下一個(gè)字的 MSb。

單詞選擇 (WS)

• WS 為邏輯低電平表示當(dāng)前正在傳輸?shù)淖质亲舐暤罃?shù)據(jù)流的一部分；WS 上的邏輯高表示右聲道音頻。
• 為了便于發(fā)送器和接收器側(cè)的數(shù)據(jù)處理，WS 信號(hào)在數(shù)據(jù)字完成之前轉(zhuǎn)換一個(gè)時(shí)鐘周期：

圖表取自I2S 規(guī)范。

鐘

• 該協(xié)議未指定數(shù)據(jù)速率。
• 時(shí)鐘連續(xù)運(yùn)行。

I2C 與 I2S

如果您熟悉 I2C 協(xié)議，您現(xiàn)在可能已經(jīng)意識(shí)到 I2C 和 I2S 與它們的名稱所暗示的相似性要小得多。

I2C 并不強(qiáng)調(diào)高數(shù)據(jù)速率，它涉及握手功能，使其能夠在由各種不同類(lèi)型的 IC 組成的（可能很大的）網(wǎng)絡(luò)中有效且可靠地運(yùn)行。如下圖所示，在這種類(lèi)型的通信環(huán)境中，很多事情都可能出錯(cuò)，I2C 協(xié)議的復(fù)雜性反映了其預(yù)期任務(wù)的復(fù)雜性。

另一方面，I2S 旨在有效地移動(dòng)特定類(lèi)型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。傳輸速度更為重要，因?yàn)楦叻直媛?、雙通道音頻的實(shí)時(shí)串行傳輸比通常通過(guò) I2C（或UART）完成的通信任務(wù)需要更多的帶寬。

I2S 傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)特性消除了對(duì) I2C 上拉電阻的需求，并且使用第三個(gè)信號(hào)進(jìn)行字級(jí)同步使我們能夠省去幫助 I2C 在雙線總線中維護(hù)數(shù)據(jù)組織的協(xié)議細(xì)節(jié)。

I2S 比 I2C 更像SPI。事實(shí)上，用于單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SPI 實(shí)現(xiàn)使用基本相同的配置：一個(gè)信號(hào)用于時(shí)鐘，一個(gè)用于數(shù)據(jù)，第三個(gè)用于字級(jí)同步。

結(jié)論

I2S 是一種高效、直接的串行通信協(xié)議，非常適合數(shù)字化音頻。但是，沒(méi)有法律規(guī)定它僅限于音頻數(shù)據(jù)。幾年前我用它來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件定義無(wú)線電的原型；I2S 為基帶信號(hào)提供了足夠的傳輸速度，并且很方便地集成到我正在使用的 DSP 開(kāi)發(fā)平臺(tái)中。