3. I2S与PCM总线协议：物理层时序与数据格式

在嵌入式音频系统中，I2S（Inter-IC Sound）与PCM（Pulse Code Modulation）总线是连接SoC的I2S控制器与外部音频编解码器（Codec）最常用的数字音频接口。理解其时序、格式差异以及TDM（时分复用）模式，是正确配置设备树与驱动ALSA声卡的基础。

3.1 I2S物理层时序与信号线

I2S总线由三条主要信号线组成，用于在数字音频设备之间传输立体声PCM音频数据。其物理层时序严格定义了位时钟、帧时钟与数据线之间的同步关系。

下图展示了标准I2S模式下，一个立体声帧（左声道+右声道）的物理时序关系。注意数据在SCK的下降沿变化，在上升沿被接收端采样。

3.2 标准I2S与左对齐（Left-Justified）格式对比

虽然I2S是事实标准，但许多Codec也支持左对齐（Left-Justified）格式。两者的核心区别在于数据与帧时钟（WS）的对齐位置。

下图直观展示了两种格式在单个声道数据起始处的时序差异：

3.3 PCM接口与TDM（时分复用）模式

PCM接口在物理层与I2S高度相似，同样使用BCLK、FS（帧同步，相当于WS）和DATA三线。但PCM协议更灵活，主要用于多通道（>2）或非立体声应用，如数字麦克风阵列、多通道音频总线。

PCM与I2S的关键区别：

• 帧同步信号（FS）：PCM的FS通常是短脉冲（一个位时钟宽度），而非I2S的50%占空比方波。FS脉冲标识一个帧的开始。
• 时隙（Slot）：一个PCM帧被划分为多个时隙，每个时隙承载一个通道的数据。
• TDM模式：TDM是PCM的一种扩展，允许在一个数据线上时分复用多个音频通道。例如，一个TDM8接口可以同时传输8个通道的数据。

下图展示了一个TDM8帧的结构，其中包含8个时隙，每个时隙传输一个通道的数据：

3.4 设备树中的格式与TDM配置

在设备树中，通过 dai-format 属性指定音频总线协议。对于TDM模式，还需要配置时隙数量、时隙宽度和帧同步类型。

常见dai-format值：

• i2s：标准I2S格式（MSB延迟1位）。
• left-j：左对齐格式（MSB无延迟）。
• dsp_a：PCM模式A（FS脉冲与数据MSB对齐，类似左对齐）。
• dsp_b：PCM模式B（FS脉冲在数据MSB之前一个BCLK，类似I2S）。

TDM配置示例（设备树片段）：

cpu_dai: &i2s0 {
    #sound-dai-cells = <0>;
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&i2s0_pins>;
    status = "okay";
};

codec_dai: &audio_codec {
    #sound-dai-cells = <0>;
};

sound_card: sound {
    compatible = "simple-audio-card";
    simple-audio-card,format = "dsp_a";  /* PCM模式A */
    simple-audio-card,bitclock-master = <&cpu_dai>;
    simple-audio-card,frame-master = <&cpu_dai>;

    /* TDM配置：8通道，每通道32位 */
    simple-audio-card,tdm-slot-num = <8>;
    simple-audio-card,tdm-slot-width = <32>;

    simple-audio-card,cpu {
        sound-dai = <&cpu_dai>;
    };
    simple-audio-card,codec {
        sound-dai = <&codec_dai>;
    };
};

3.5 格式与时钟的匹配检查清单

在调试I2S/PCM音频总线时，建议按以下清单逐项核对：

1. 物理连接：SCK、WS/FS、DATA三线是否正确连接，无虚焊或短路。
2. 时钟极性：确认BCLK和FS的极性（上升沿/下降沿采样）是否与Codec要求一致。
3. 数据格式：设备树中的 dai-format 是否与Codec数据手册匹配。
4. TDM时隙：时隙数量、时隙宽度、通道映射是否正确。
5. 主从模式：确认哪一端提供BCLK和FS（通常SoC做主，Codec做从）。