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I2S/PCM board-level 约束及同步(latencyskewbitsync)

news 2025/7/4 18:32:38

I2S/PCM是典型的低速串口，在两个方向上分别有两组信号，我们已soc为视角分为soc-adif和外设audio-codec。

那么adif输入：

sclk_i,  ws_i, sdi

当然并不是三个输入信号同时有效，只有adif RX slave时，三个输入都会有效

adif输出：

sclk_o,  ws_o, sdo

也只有adif TX master时，三个输出才会有效。

下面要解释两个问题

1.TX master和RX slave时说明 adif与codec怎么完成的bitsync；

2.TX slave和RX master时说明 怎么保证RX输出的ws/fs sclk到了TX端产生sdo之后，再到RX端用ws/fs sclk能够正确采样

其实第一个问题对应的时信号间的skew；第二个问题对应的时信号传输的latency。

首先我们给出一些参数的量级：

adif和codec的寄存器setup和hold时间都在 几个ns

adif和codec的工作时钟都是sclk的十几到上百倍

sclk(bitclk采样时钟)最大十几MHz，所以sclk的周期在100ns量级 【所有音频采样率及采样深度请见另一文章 TODO】

1.I2S/PCM 同步

        I2S/PCM自带帧同步信号，对于I2S来说ws的下降沿就是帧起始；对于PCM来说fs的上升沿就是帧起始。

        那么如何保证bit同步呢？不同于高速串行接口有复杂的bit同步电路，I2S/PCM的bit同步很简单，主要由以下几个机制来完成：

  1. 对信号组设置skew约束，skew都约束在5ns以下【见过约束为1ns，3ns的。这个skew阈值和工艺以及IO电压有关】约束包括soc端和codec端。-----见图1
  2. 用高频adifclk采样信号，并对信号进行adifclk打拍---调整相位
  3. sclk的上升沿改变信号，下降沿采样数据，这样有足够的采样窗口----见图4

        设T(sclk) ，T(fs) 和 T(sdo)分别是TX master时 从adif TX到芯片IO的延迟时间，或者Rx slave时从芯片IO到adif RX的延迟时间。

其中对于I2S这种需要输出sclk+控制信号+data的接口，通常会有以下的延时要求

T(sclk) <= T(fs) <= T(sdo)------这种约束的前提就是setup、hold、Tco远小于sclk周期

当然如果采用sclk上升沿改变信号，下降沿采样信号的处理下，上面的约束可以不用设置。

下面就以数据从adif TX 到芯片IO这一段来分析时序：

NOTE：下图源端信号中 fs和sdo都是在上升沿改变，且与上升沿的delay很小，这个delay就是寄存器的内部延迟Tco，是符合实际情况的。

                                                                         图 1

        上图中看出T(sclk), T(fs)和T(sdi) 差别较大，在源端三个信号的关系是 用sclk上升沿采样fs和sdo数据，其中sdo第一个数据‘1’与fs有一拍间隔；而在IO处，用sclk采样fs和sdo时，会发现fs和sdo第一笔数据差了两拍，明显出现了错误，所以尽量约束信号在传输过程中的skew，理想情况下，三根信号skew为0，必然在收端是可以正确采样的。

                                                                 图 2

        图2显示了上升沿变换，上升沿采样的情况下 T(fs)< T(sclk) < T(sdo)的情况，虽然三则之间skew不大【只要T(sclk)>T(fs)+Tco】，就出现了fs和sdo第一笔数据差了2各sclk的情况。

        其他不满足T(sclk) <= T(fs) <= T(sdo)的情况，也很容易出现时序错误，根因在于Tco太小，T(fs)和T(sdo)延迟小了就会被提前采样。

                                                                        图 3

图3就给出了T(sclk) <= T(fs) <= T(sdo)情况下的时序图，明显看出各信号都在正确的沿被采样。

                                                            图 4

图4给出了上升沿源端改变信号，芯片IO处用下降沿采样的时序图，T(fs) > T(sdo),但任然能够正确的采样数据。而且可以看到相对于下降沿，采样窗口左右两边都大了很多。

2.I2S/PCM的板间latency

        在TX slave 和Rx master的工作模式下，TX接收Rx输出的ws/fs和sclk信号并进行同步，这个同步的过程需要TX 两个adifclk时间，再加上沿检测只有变化后沿【即翻转后一个脉冲宽度的信号】又晚了一个adifclk，然后用ws/fs、sclk的变化后沿输出sdo，sdo经过板间延迟T(sdo)，到达RX，而此时要用RX的ws/fs和sclk来正确采样sdo，这就要求3adifclk+T(sdo)不要超过一个sclk的周期，这个也可以画时序图来分析，这里不在赘述。

        在实际的项目中由于sclk在100ns量级，adifclk在10ns~0.xns的量级，T(sdo)也在几十ns【不确定】的范围，所以是很容易达到的，有些项目就没有对latency设置约束。

        如果sdo在RX master端和ws/fs间隔太远超过1个sclk，有没有设计上的手段来保证不影响音频接收？

        这时RX会检测到错误，比如sdata的bit数左右声道不一致，或整帧的bit数和配置值不一样。这时上报错误，然后控制Rx端的ws/fs向后delay n个sclk，直到软件检测不到错误。

 

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