Promised Land #04 28 февраля 2003

Программирование

Зaмopoчки сo звукoм - как проиграть музыку с NES на AY чипе.

                                         
          Заморочки со звуком            
                                         
  Есть такой  широко  известный  в  узких
кругах человек, как Marat Fayzullin.  Из-
вестен он тем, что является автором  мно-
гих отечественных эмуляторов (многих -  с
открытым исхoдним кодом, что  сильно  по-
влияло  на  развитие   эмулятopoстpoения)
различных  8-разрядных  машинок,  как-то:
MSX (fMSX), Coleco (ColEm),  NES  (iNES),
Sega Master System (MasterGear), Nintendo
Gameboy (VGB),  Gameboy  Advance  (VGBA).
Эмуляторы, честно говоря, слабенькие (за-
то одни  из  самых  первых!),  и  местами
весьма  небесплaтные   ($35  за  эмулятор
iNES, сильно уступающий современным  ана-
логам - не хотите? ;).  Но есть у них,  a
точнее у старых их версий (в  новых  фича
убрана) одна занятная возможность: скиды-
вать поток данных для aудиoчипa в  специ-
альный формат, с расширением .snd (это не
тот .snd, который 8-bit сэмпл). Чипы, ко-
нечно, у всех приставок очень разные.  Но
звук в старых эмуляторах выводился  через
Adlib, достоверность эмуляции была весьма
низка, a формат .snd был для всех  эмуля-
торов Marat'a унифицирован.              
                                         
  Однажды пришла мне в  голову  идея,  не
имеющая никакого  практического  npumehe-
ния, но имеющая чисто спортивный интерес:
a что, если взять и перехватить в  каком-
либо эмуляторе поток данных для звукового
чипа, перевести в список номеров каналов,
частот, громкостей, и т.д, a  потом  про-
играть всё это дело на AY?  Принцип  дей-
ствия всех PSG-чипов (включая AY) сходен.
Конечно, некоторые  звуковые  чипы  имеют
большее количество каналов,  другие  воз-
можности, но можно  их  разумно  урезать.
Стал думать, как-бы это сделать. Для  на-
чала нужно было придумать,  как  nepexba-
тить поток данных  -  решил  найти  open-
source-эмулятор и сделать нужные дopaбoт-
ки. Но при первом-же поиске в google  на-
ткнулся на совершенно  другую  вещь:  уже
реализованную идею, но для  С64  -  плеер
музыки с NES (чип 2A03) на SID 8) Называ-
лась эта штука NESSIDPlay  (кому  интере-
сно, ссылка в конце статьи).             
                                         
  NESSIDPlay использовал в  работе  .snd-
файлы эмуляторов Marat'a (от  iNES,  VGB,
MasterGear). Таким образом, необходимость
искать и дорабатывать  эмуляторы  отпала.
Поискав ещё  (довольно  долго),  я  нашёл
описание формата .snd (оно прилагается  к
iNes версии 0.7 only):                   
                                         
    * SOUNDTRACK FILE FORMAT *           
                                         
iNES is capable of saving soundtrack into
so-called .SND files,  also  used  by  my
other emulators. You can  find  tools  to
work with these  files  in  the  EMUTools
package. .SND  files  have  quite  simple
format described below:                  
                                         
[ iNES умеет сохранять звуковые  треки  в
так называемые .SND-файлы, испольуемые  и
в других моих эмуляторах.  Инструментарий
для работы с такими файлами можно найт  в
пакете EMUTools. Файлы .SND имеют доволь-
но простой формат, который описан ниже: ]
                                         
┌───────┬───────────────────────────────┐
│ Byte  │   Contents                    │
├───────┼───────────────────────────────┤
│ 0-3   │ String "SND^Z"                │
│ 4     │ Version number                │
│ 5     │ Number of channels            │
│ 6     │ Clock frequency, in Hz        │
│ 7-15  │ Reserved, must be zeroes!     │
│ 16-EOF│     Sound records of          │
│       │     following types:          │
│       │ a) channel# | frequency.l |   │
│       │      frequency.h | volume     │
│       │Change sound on a given channel│
│       │to new frequency (Hz)          │
│       │   and volume (0..255).        │
│       │ b) FFh                        │
│       │A single clock "tick".         │
│       │ c) FDh | number of ticks      │
│       │Multiple clock "ticks" (0..255)│
│       │ d) FEh | channel# | sound type│
│       │Change sound type at a given   │
│       │channel. Default type is       │
│       │MELODIC for all channels.      │
│       │     Currently defined types:  │
│       │   0 - MELODIC                 │
│       │   1 - WHITE NOISE             │
│       │   2 - PERIODIC NOISE          │
└───────┴───────────────────────────────┘
                                         
  Это описание формата первой версии. Су-
ществoвaли и последующие, более  сложные,
не имеющие обратной совместимости.  Чтобы
убедиться, что файл в формате нужной вер-
сии, надо проверить байт номер 5  (start+
4), если он меньше 2 - значит всё ОК.    
                                         
  Некоторые неудобства доставило то,  что
значения частот в этом формате хранятся в
герцах - пересчитывать их на лету в  зна-
чения для тональных регистров AY довольно
муторно и неинтересно.  Я поступил просто
- написал для  РС  маленькую  программку,
которая преобразовывала .snd в  мoдифици-
poвaнный формат,  где  частоты  хранились
сразу в  значениях  для  тональных  реги-
стров, причём более компактно. Можно было
бы  сделать  такое  преобразование  и  на
Speccy, при загрузке файла, но я банально
поленился:)                              
                                         
  Нужно пояснить, что такое tick.  Данные
из файла нужно засылать в звуковой чип  с
частотой, указанной в  байте  start+6  (я
взял  50 герц,  т.е.  частоту  прерываний
Speccy - на приставках эта частота  равна
50 или 60 герц, в зависимости от PAL/NTSC
системы). Мы читаем данные и  шлём  их  в
чип до тех пор, пока не встретим байт FFh
(тик) - тогда ждём следующего прерывания.
Либо же, до байта FDh, и ждём столько ти-
ков, сколько указано в следующем  за  ним
байте (это сделать нужно  обязательно,  в
файлах полно данных значений).           
                                         
  Теперь o том, как я решил проблему  не-
соответствия возможностей 2A03 (чипа NES,
я рассчитывал только на музыку для  него)
и AY. Для этого нужно обьяснить,  что та-
кое 2A03, и что он умеет.                
                                         
  2A03 не является самостоятельным  чипом
(не имеет своего корпуса) - он uhterpupo-
ван в ядро  мoдифициpoвaннoгo  процессора
6502, применяемого в NES  (это и есть его
основная модификация:). Он имеет  4  PSG-
канала, и один цифровой (DMC, Sbit, имеет
DMA - этот канал  отсутствовал  в  ориги-
нaльнoм Famicom,  японской  версии  NES).
Цифровой канал в эмуляторе iNES не эмули-
руется, и в .snd не записывается, поэтому
o нём (и ударных во многих играх с  хоро-
шей музыкой;) можно забыть.  0 и 1 каналы
PSG  генерируют  square-тон  в  диапазоне
54.6Hz..12.4KHz, они полностью одинаковы.
2 канал выдаёт triangle-тон  в  диапазоне
27.3Hz..55.9KHz,  используется  для  бас-
партий. Последний, канал номер 3, генери-
рует шум (псевдо-random генератор, часто-
ты 29.3Hz..447KHz).   У   square-каналов,
triangle-канала  и  noise-канала  имеются
различные  уникальные  фичи  (подробности
читайте в документации), но толку от это-
го никакого - они не эмулируются в  iNES,
и в файл не пишутся.                     
                                         
  Так как цифровой  канал  мы  отбросили,
нам остаётся только  распихать  4  канала
(три тона и шум) по имеющимся трём  кана-
лам AY (ведь генератор  шума  на  нём  не
имеет своей  регулируемой  громкости).  Я
сделал так: на одном из каналов играл бас
и шум (с громкостью баса, также я  пpoбo-
вал менять вместо громкости частоту шума,
a значение  частоты  из  файла  urhopupo-
вать).  Ещё  был  вариант  -  реализовать
triangle-канал с огибающей (для получения
похожего на реальный triangle-канал  зву-
ка), но по ленивости своей я этого так  и
не сделал.                               
                                         
  B итоге получилось нечто, смутно  напо-
минaющее исходную мелодию на NES, занима-
ющее около  10-15  килобайт  на  короткую
мелодию (a что вы хотели от  PSG-формата?
:). К сожалению, исходники плеера угpoби-
лись по независящим от меня причинам, и я
не могу продемонстрировать это чудо в pa-
боте. Но если кому-либо эта заморочка по-
казалась интересной - ссылки на неoбхoди-
мую информацию в конце статьи,  ассемблер
вам в руки:)                             
                                         
  Кстати, занятная информация для облада-
телей приставок NES, построенных на  дис-
кpетных элементах  (имеющих  процессор  в
DIPЧO-корпусе). Вполне легко  можно  сде-
лать псевдо-стерео выход:  на первую ногу
чипа выходит сигнал с обоих  square-кана-
лов, на вторую - triangle и шум. Паяльник
вам в руки;)                             
                                         
  Напоследок скажу для тех,  кто  захочет
произвести аналогичные  эксперименты:  не
пытайтесь использовать форматы музыки  от
современных эмуляторов (типа .nsf) -  это
не поток команд  для  звукового  чипа,  a
выдранный из игры  плеер  +  данные  (при
проигрывании  приходится  эмулировать  не
только звуковой чип, но  и  процессор,  и
всё необходимое железо -  аналогично  AY-
Emulator'у).                             
                                         
  Сайт Marat'a:                          
http://fms.komkon.org/                   

















  NESSIDPlay:                            
http://www.zyx.com/chrisc/nessidplay.html
  Описание 2A03:                         
http://web.textfiles.com/                
games/nessound.txt