I2S（Inter-IC Sound）界面最初定義為二十多年前用于CD播放器，但經過多次修改和增強，現在已成為任何支持音樂的數字系統的重要元素。與用于MCU的其他串行接口相比，I2S是一個更具延遲敏感性的接口，因為接口的目的是可靠地傳輸高保真音頻。要使用I2S，您通常需要選擇一個專門支持該標準的微控制器（MCU），盡管存在使用標準MCU串行端口的軟件驅動實現。將支持I2S的MCU與外設芯片（如以音頻為中心的數據轉換器）相結合，您可以在基于MCU的系統中提供高質量的數字音頻。

I2S接口由飛利浦定義。由于首字母縮略詞的相似性，許多人認為它在技術上與I2C接口有關。實際上，唯一的聯系是飛利浦定義了兩者。 I2S速度更快，包括完全不同的信令結構，并且嚴格定義用于傳輸雙聲道音頻數據。

I2S實現至少包括三條信號線 - 位時鐘，字時鐘和多路復用數據信號。一些實現還包括主時鐘信號和第二數據線。該接口被定義為允許使用用于立體聲應用的脈沖編碼調制（PCM）編碼方案來傳輸兩個32位音頻通道。

圖1，由Microchip提供，顯示了典型的I2S實現方案。諸如A/D轉換器（ADC）之類的源以數字方式將音頻傳輸到MCU。 MCU又可以將音頻流傳輸到D/A轉換器（DAC）以輸出到揚聲器。

圖1：Microchip的這張圖顯示了一個典型的音頻I2S系統將ADC與系統MCU連接，并將MCU連接到輸出側的DAC。

MCUI2S支持

讓我們來看看一些包含I2S支持的MCU選項。例如，德州儀器（TI）在其Stellaris MCU系列的幾個分支上提供I2S，包括Stellaris 9000 MCU。 Stellaris MCU集成了32位ARM Cortex-M3 CPU內核。 9000子系列的時鐘頻率高達80 MHz。

同樣，Microchip僅在基于MIPS CPU內核的32位PIC32系列MCU上提供I2S支持。現成的產品系列均以40 MHz的最高時鐘速度運行，并具有32至128 KB的集成閃存。

飛思卡爾可能提供最廣泛的支持I2S的MCU，可選擇i.MX-，Kinetis-，PowerPC-和Coldfire-family選項。 i.MX產品被稱為嵌入式處理器而不是MCU，盡管它們集成了內存。 i.MX23/25處理器基于ARM9 CPU，i.MX35處理器基于ARM11 CPU，i.MX51/53處理器基于ARM Cortex-A8內核。在可用IC范圍內，支持的最大時鐘速度從100 MHz開始，并擴展到400 MHz以上。

在MCU特定領域，飛思卡爾主要支持Kinetis系列MCU中的I2S，這些MCU基于ARM Cortex-M4 CPU，時鐘速度最高可達100 MHz。 Cortex-M4集成了針對DSP應用而優化的數學功能，包括音樂或以音頻為中心的應用，此類產品有時也稱為數字信號控制器（DSC），使具有數學功能的產品與標準MCU區分開來。

恩智浦還在廣泛的基于ARM的MCU上支持I2S。該列表包括基于ARM7，ARM9，Cortex-M3和Cortex-M4 MCU的產品。同樣，意法半導體的STM32系列支持基于Cortex-M3和-M4的MCU，支持I2S，時鐘頻率范圍為168 MHz。

將I2S添加到16位MCU

通常，MCU供應商僅在32位MCU上支持I2S，因為高端音頻和音樂應用通常要求32位CPU提供的性能。但是16位MCU性能大幅提升，您可能會發現自己需要將這樣的MCU連接到以音頻為中心的外設，如立體聲ADC。

您可以將MCU支持用于諸如串行外設接口（SPI）之類的接口以及軟件和一些外部邏輯來創建功能性I2S端口。例如，TI已發布了一份應用筆記（SLAA449A-將I2S器件連接到MSP430器件），描述了如何在16位MSP430系列MCU上實現I2S（圖2）。

圖2：您可以使用標準串行端口和一些外部邏輯在16位MCU上實現I2S支持，如TI MSP430的情況所示。

I2S實現的部分復雜性是需要支持多路復用數據來傳輸兩個立體聲通道。該標準規定左右聲道數據由字時鐘發信號通知有效 - 上升沿有一個通道，下降沿有一個通道。圖2中描述的電路使用4位計數器和一些離散邏輯來實現5位計數器，而不是產生精確傳輸I2S鏈路的16位字所需的信號。

I2S外圍IC

已經涵蓋了I2S鏈路的MCU端，讓我們來看看在基于I2S的設計中可能使用的外設IC類型。該列表肯定從數據轉換器開始，包括以音頻為中心的模型。音頻目標數據轉換器在幾個方面與標準產品不同。音頻轉換器通常支持更高的精度和更快的采樣率。此外，音頻設備通常在一個IC上集成兩個用于立體聲支持的通道。例如，AKM Semiconductor提供專為音頻應用設計的16位和24位ADC。具體示例包括24位AK5358和16位AK5701。 delta-sigma轉換器可以從兩個立體聲輸入中進行選擇，并提供高達48 kHz的采樣率。 ，TI和其他公司也出售具有I2S支持的ADC。

您可以從ADI公司，Maxim Integrated Products公司，AKM Semiconductor公司和TI公司獲得基于I2S的DAC。例如，ADI公司提供20位AD1854立體聲DAC和24位AD1852立體聲DAC。 sigma-delta轉換器支持高達192 kHz的采樣率。

并非所有音頻應用都需要DAC來處理音頻輸出。例如，一些D類線性放大器廣泛用于具有相對小的揚聲器的便攜式設備中。有些D類放大器不使用DAC。例如，恩智浦提供TFA9879線性放大器，可接受I2S輸入并驅動揚聲器。放大器采用數字域中的音頻流并將其轉換為脈沖寬度調制（PWM）流。然后在模擬域中，與H橋電路組合的二階反饋回路驅動揚聲器。

恩智浦IC是單調放大器，但您也可以購買立體聲D類放大器。例如，ADI公司提供SSM2518立體聲線性放大器。然而，與恩智浦不同，ADI公司選擇將其設計基于DAC和sigma-delta調制器，以優化音頻質量。

TI，Cirrus Logic，NJR等公司也提供基于I2S的四通道放大器。圖3描述了TI TAS5711的框圖。 IC使用PWM電路和H橋來驅動四個輸出而不是DAC。典型應用可能是支持后置聲道音頻的MPEG視頻流的音頻處理。

圖3：四通道TI TAS5711線性放大器鏈接到MCU通過I2S并使用PWM轉換器和H橋電路來驅動揚聲器。

在集成方面提升一個級別，您可能會發現專用音頻編解碼器IC可能在復雜的音頻應用程序中發揮最佳性能。例如，Cirrus Logic為個人計算機多媒體系統等應用提供CS4205音頻編解碼器。該IC集成了獨立的18位ADC，用于麥克風和線路輸入。集成的20位DAC驅動輸出混頻器。

Cirrus編解碼器使用以PC為中心的AC-Link接口來鏈接主機處理器和編解碼器。但編解碼器還支持三個同步I2S輸入和一個I2S輸出，用于連接其他數字音頻外設功能。

特定于應用的實現

到目前為止，我們專注于使用I2S相對于純音頻為中心的設計，其中音頻支持是應用要求的核心。但I2S也廣泛用于音頻支持是必要但次要功能的產品。您還可以找到專為某些終端產品設計的基于I2S的IC。

考慮Nuvoton技術。該公司在稱為ChipCorder的ISD15100產品系列中制造了一對IC（圖4）。 ChipCorder IC實現了數字錄音和播放設備（如數字應答機）所需的所有功能。

圖4：Nuvoton的ChipCorder IC系列包括音頻記錄和回放所需的所有功能，并提供到主機MCU的I2S鏈接。

這些IC包括數字音頻壓縮硬件，集成閃存以及專用的模擬和數字音頻信號路徑。 ISD15108 IC可以存儲8分鐘的音頻，ISD15116 IC可以在集成的Flash中存儲16分鐘的音頻。這兩個圖都是指以8 kHz采樣的音頻，并使用4位ADPCM進行編碼。 Nuvoton IC支持多種壓縮格式選擇，包括2至5位ADPCM，6至8位μ律或差分μ律，以及8位，10位或12位PCM。

IC包括模擬音頻輸入和差分音頻輸入。您可以使用I2S或SPI將數字音頻傳輸到IC或從IC傳輸數字音頻，盡管前者提供更高的保真度。該IC還包括一個可以直接驅動小型揚聲器的D類音頻放大器。

特定應用的故事繼續發生在片上系統（SoC）產品中，該產品集成了強大的處理內核，外設和接口，如I2S。在討論SoC時，我們首先討論了MCU，然后是使用I2S連接到MCU的外設，現在是SoC，除了片上SoC功能外，還需要I2S連接外設。例如，麥克雷爾通過其KSZx692系列SoC針對一系列以通信為中心的應用（圖5）。許多目標應用需要高端音頻支持，例如支持多媒體的住宅網關。

圖5：Micrel的KSZx692系列SoC針對以通信為中心的應用，如多媒體住宅網關，提供I2S接口，用于音頻支持。

Micrel SoC基于250 MHz ARM9內核，包括能夠支持100 Mbit/s數據的雙以太網MAC（媒體訪問控制器）率。還有USB端口甚至PCI接口。包含I2S接口，支持16，18，20和24位音頻的錄制和播放。

USB 3.0應用程序

I2S在新的賽普拉斯半導體SoC中也出現了不同尋常的地方。 CYUSB3014 USB控制器支持USB 3.0標準中定義的新的5 Gbps超高速數據傳輸模式。該性能有望使USB能夠在更廣泛的多媒體應用中服務，從高端多媒體播放器到醫療和工業系統。

SoC實際上集成了200 MHz ARM9 CPU內核和512 KB的SRAM。 IC包括一系列外圍設備。 I2S接口旨在支持外部編解碼器，就像您可以將此類編解碼器連接到標準MCU一樣。

現在應該清楚的是，您需要在規范開發過程的早期階段考慮項目中是否需要I2S。您可能不會使用純粹以音頻為中心的產品，但添加音頻支持可以大大增加許多系統設計的價值主張。 I2S是支持高質量音頻的最簡單方式，也許增加了產品設計取得廣泛成功的機會。但是，在大多數情況下，您必須從包含I2S支持的MCU或SoC開始，以實現最佳設計。此外，還要對市場上的I2S集成電路進行全面審查。您可能會發現一個具有特定于應用程序的功能，可以大大簡化您的設計周期。