Lab 01: I2S 协议时序仿真与软件音频波形生成¶

1. 实验目标与微架构背景¶

I2S（Inter-IC Sound）是音频芯片间传输 PCM 采样点的工业事实标准总线。初学者与初级驱动工程师最常犯的错误，就是将 Philips 标准 I2S 与 左对齐（Left-Justified） 格式混淆，导致解出来的音频高频尖锐爆破或左右声道颠倒。

本实验目标： 1. 用纯 C 语言构建周期精确（Cycle-Accurate）的硬件移位寄存器微架构模型； 2. 掌握主控发送端（Master TX）下降沿更新数据、从端接收（Slave RX）上升沿采样的物理建立与保持时间约束； 3. 输出工业标准数字波形文件 i2s_trace.vcd (Value Change Dump)，可在开源波形查看器 GTKWave 中进行全时序波形抓包分析。

2. 硬件移位状态机时序对比¶

sequenceDiagram
    autonumber
    participant LRCK as 帧时钟 (LRCK)
    participant BCLK as 位时钟 (BCLK)
    participant I2S as Philips I2S SDATA
    participant LJ as 左对齐 (LJ) SDATA

    Note over LRCK,LJ: 声道切换瞬间 (LRCK 翻转)
    LRCK->>BCLK: 跳变沿到来 (下降沿代表左声道开始)
    Note over I2S: 此拍仍属于前一声道，下一拍为新声道 MSB
    Note over LJ: 立即输出 MSB (Bit 31)
    BCLK->>I2S: 延迟 1 拍后, MSB (Bit 31) 正式输出
    BCLK->>LJ: 输出次高位 (Bit 30)

Philips I2S 标准：LRCK 的跳变沿领先第一个有效数据位（MSB）整整 1 个 BCLK 周期。
左对齐（Left-Justified）：LRCK 跳变沿与 MSB 的数据有效时刻在时间上完全重合。

3. 独立工程文件清单¶

本实验提供完整、可独立编译执行的工程套件：

i2s_simulator.c：周期精确移位模拟器源码，集成 VCD 格式生成器
Makefile：支持 make 编译、make run 仿真执行与 make view 波形查看

4. 源码与验证边界¶

以独立源码为准，不在本文复制第二份实现。WS 每 32 个 BCLK 切换；Philips I2S 的 WS 提前一位，切换时仍发送上一声道的 LSB，下一拍发送新声道 MSB，不应将声道槽拉长到 33 拍。本实现支持 I2S 和左对齐，不实现右对齐。

test_i2s.c 对两种格式检查左右声道全部 32 位、WS 切换间隔与上升沿数据稳定性。VCD 使用近似时标，只作数字协议示意，不模拟电气建立/保持、jitter 或真实器件 timing closure。

5. 编译与实验验证步骤¶

# 1. 编译并运行仿真
make run
cc -std=c99 -Wall -Wextra test_i2s.c -o /tmp/yvain-audio-i2s-check
/tmp/yvain-audio-i2s-check

# 2. 观察终端输出的逐周期比对日志
# 确认 Cycle #00 为延迟空闲拍, Cycle #01 开始移出 0xA5A55A5A 的最高有效位 '1'

# 3. 使用 GTKWave 打开波形查看器
gtkwave i2s_trace.vcd

在 GTKWave 中检查 WS 每 32 个 BCLK 翻转，以及新声道 MSB 相对 WS 延后一拍。不要仅凭“SDATA 首次电平变化”判断位位置：相邻数据位可能相同，应使用已知样本解码核对。协议依据见 NXP I2S bus specification。