Я люблю старые компьютерные игры. Люблю старое железо, но не настолько, чтобы коллекционировать его дома. Другое дело – поковырять какой-нибудь старый чип и попробовать самому что-нибудь воспроизвести, совместить старое с новым. В данной статье история о том, как я подключил AVR-микроконтроллер к YM3812, применявшуюся в таких звуковых картах как Adlib, Sound Blaster и Pro AudioSpectrum. Я не создал что-то принципиально новое, просто объединил разные идеи. Возможно кому-то будет интересна моя реализация. А может мой опыт подтолкнет кого-нибудь на создание свого ретро-проекта.
Гуляя по просторам интернета, как-то раз я наткнулся на интересный проект OPL2 Audio Board for Arduino & Raspberry Pi. Если кратко: подключаем к Arduino или Raspberry Pi плату, загружаем скетч или софт соответственно, слушаем. Заманчивая идея поковырять OPL2 чип, послушать как он звучит и попробовать сделать что-нибудь свое не покидала меня, и я заказал, собрал и начал разбираться как оно работает.
Пара слов об управлении чипом YM3812
Чтобы музыка заиграла, мы должны выставлять регистры. Какие-то отвечают за настройку инструментов, какие-то за воспроизведение нот и т.д. Адрес регистра – 8 бит. Значение регистра – 8 бит. Список регистров приведен в спецификации.
Для передачи реги��тров мы должны правильно выставить показания на управляющих входах CS, RD,WR и A0 и шины данных D0..D7.
Вход CS нужен для блокировки шины данных в процессе ее установки. Устанавливаем CS=1 (отключаем вход), выставляем D0..D7, устанавливаем CS=0 (включаем).
На входе RD должна быть логическая единица
Для записи адреса регистра устанавливаем WR=0, A0=0
Для записи значения регистра устанавливаем WR=0, A0=1
OPL2 Audio Board for Arduino & Raspberry Pi
Порядок передачи регистров:
- При инициализации устаналиваем PB2=1, чтобы заблокировать вход
YM3812 - Передаем адрес регистра
2.1 PB1=0 (A0=0)
2.2 Передаем по SPI интерфейсу байт адреса регистра. Данные сохраняются в сдвиговом регистре74595
2.3 PB2=0 (WR=0, CS=0). Микросхема 7404 инвертирует сигнал и подает 1 на вход ST_CP74595, который переключает свои выходы Q0..Q7.YM3812записывает адрес регистра
2.4 PB2=1 (WR=1, CS=1) - Передаем значение регистра
3.1 PB1=1 (A0=1)
3.2 Передаем по SPI интерфейсу байт данных аналолично п2.2
3.3 PB2=0 (WR=0, CS=0).YM3812записывает данные
3.4 PB2=1 (WR=1, CS=1)
На инверторе 7404 и кварце XTAL1 реализован генератор прямоугольных импульсов с частотой 3.579545МГц, необходимый для работы YM3812.
YM3014B преобразует цифровой сигнал в аналоговый, который усиливается операционным усилителем LM358.
Аудио усилитель LM386 нужен, чтобы можно было подключать к устройству пассивные динамики или наушники, т.к. мощности LM358 недостаточно.
Теперь попробуем извлечь из всего этого звук. Первое о чем я (и наверное не только я) подумал, это как бы заставить все это работать в DosBox. К сожалению «из коробки» поиграть с железным аналогом Adlib не получится, т.к. DosBox не знает о нашем устройстве ничего, и передавать OPL2 команды куда-либо не умеет (пока не умеет).
Автор проекта предлагает скетч для Teensy, работающий как MIDI устройство. Естественно звук будет состоять из заранее составленных инструментов и звучание будет не то, мы получим эмуляцию MIDI устройства на OPL2 чипе. Teensy у меня нет, и попробовать этот вариант не получилось.
Работа через последовательный порт
Есть скетч SerialPassthrough. С ним мы сможем передавать команды через последовательный порт. Остается только реализовать поддержку в DoxBox. Я использовал версию из SVN: svn://svn.code.sf.net/p/dosbox/code-0/dosbox/trunk
В файле src/hardware/adlib.cpp меняем реализацию OPL2:
#include "serialport/libserial.h" namespace OPL2 { #include "opl.cpp" struct Handler : public Adlib::Handler { virtual void WriteReg( Bit32u reg, Bit8u val ) { //adlib_write(reg,val); if (comport) { SERIAL_sendchar(comport, reg); SERIAL_sendchar(comport, val); } } virtual Bit32u WriteAddr( Bit32u port, Bit8u val ) { return val; } virtual void Generate( MixerChannel* chan, Bitu samples ) { Bit16s buf[1024]; while( samples > 0 ) { Bitu todo = samples > 1024 ? 1024 : samples; samples -= todo; adlib_getsample(buf, todo); chan->AddSamples_m16( todo, buf ); } } virtual void Init( Bitu rate ) { adlib_init(rate); LOG_MSG("Init OPL2"); if (!SERIAL_open("COM4", &comport)) { char errorbuffer[256]; SERIAL_getErrorString(errorbuffer, sizeof(errorbuffer)); LOG_MSG("Serial Port could not be opened."); LOG_MSG("%s", errorbuffer); return; } if (!SERIAL_setCommParameters(comport, 115200, 'n', SERIAL_1STOP, 8)) { LOG_MSG("Error serial set parameters"); SERIAL_close(comport); return; } } ~Handler() { if (comport) SERIAL_close(comport); } private: COMPORT comport; }; }
Перед сборкой номер COM порта заменить на актуальный.
Если убрать комментарий в строчке //adlib_write(reg,val);, то звук будет играть одновременно через эмулятор и девайс.
В настройке DosBox надо будет указать использование OPL2:
[sblaster] oplemu=compat oplmode=opl2
Вот как это получилось у меня:
Выглядит довольно громоздко. Даже если использовать Arduino вместо макетки, нужно подключать провода. Номер порта в системе может измениться и придется пересобирать DosBox. Очень хотелось все привести к какому-нибудь лаконичному виду, убрать лишние детали и собрать все на одной плате.
OPL2-USB
Появилась идея, а почему бы не сделать самостоятельное устройство с минимумом компонентов и заморочек при подключении. Во первых можно убрать 74595 и использовать порты атмеги. Тут она используется только для уменьшения количества проводов. Во вторых можно использовать готовый кварцевый генератор и избавиться от микросхемы 7404. Аудио усилитель тоже не нужен, если подключать устройство к колонкам. И наконец можно избавиться от USB-UART, если подключить атмегу к USB напрямую, например с использованием библиотеки V-USB: https://www.obdev.at/products/vusb/index.html. Чтобы не заморачиваться с написанием драйверов и их установкой, можно сделать микроконтроллер кастомным HID-устройством.
Порты B и С частично заняты подключением к программатору ISP и кварцу. Полностью свободным остался порт D, его используем для передачи данных. Оставшиеся порты я назначил в процессе проектирования печатной платы.
Полную схему можно изучить тут: https://easyeda.com/marchukov.ivan/opl2usb
Светодиод LED1 с его резистором опциональны и при сборке я не стал их устанавливать. Предохранит��ль U4 нужен, чтобы не сжечь случайно USB-порт. Его тоже можно не ставить, а заменить на перемычку.
Чтобы устройство было компактным, я решил попробовать собрать его на SMD-компонентах.
"Безопасный" вариант в термоусадке 50/25мм
Цифровая часть слева, аналоговая справа.
Для меня это был первый опыт проектирования и сборки готового устройства и не обошлось без косяков. Например отверстия по углам платы по задумке должны быть диаметром 3мм для стоек, но получились 1,5мм.
Прошивку можно посмотреть на github. В ранней версии одна команда отправлялась одним USB-пакетом. Потом выяснилось, что на динамичных треках DosBox начинает тормозить из-за большого оверхеда и низкой скорости USB 1.0, DosBox висит на отправке пакета и получении ответа. Пришлось сделать асинхронную очередь и отправлять команды пачкой. Это добавило небольшую задержку, но она не ощутима.
Настройка V-USB
Если с отправкой данных в YM3812 мы уже разобрались раньше, то с USB придется повозиться.
Переименовываем usbconfig-prototype.h в usbconfig.h и дописываем его (ниже только правки):
// Указываем частоту контроллера. Установка глобального define в настройках проекта мне не помогла #define F_CPU 12000000UL // Порты согласно подключению #define USB_CFG_IOPORTNAME B #define USB_CFG_DMINUS_BIT 0 #define USB_CFG_DPLUS_BIT 1 #define USB_CFG_HAVE_INTRIN_ENDPOINT 1 // Максимальное потребление тока 20 мА #define USB_CFG_MAX_BUS_POWER 20 // Говорим, что у нас есть функция usbFunctionWrite #define USB_CFG_IMPLEMENT_FN_WRITE 1 // Опредлеяем обработчик перезагрузки устройства (в нем будем перезагружать OPL2) #define USB_RESET_HOOK(resetStarts) if(!resetStarts){hadUsbReset();} // Идентифицируем устройство. По этим данным мы его будем находить снаружи #define USB_CFG_DEVICE_ID 0xdf, 0x05 /* VOTI's lab use PID */ #define USB_CFG_VENDOR_NAME 'd', 'e', 'a', 'd', '_', 'm', 'a', 'n' #define USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN 8 #define USB_CFG_DEVICE_NAME 'O', 'P', 'L', '2' #define USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN 4 // Сообщаем, что у нас HID-устройство #define USB_CFG_DEVICE_CLASS 0 #define USB_CFG_INTERFACE_CLASS 3 // Размер дескриптора usbHidReportDescriptor #define USB_CFG_HID_REPORT_DESCRIPTOR_LENGTH 22 // По умолчанию настроено на прерывание INT0, мы же поменяли порт на PCINT0 #define USB_INTR_CFG PCICR #define USB_INTR_CFG_SET (1 << PCIE0) #define USB_INTR_CFG_CLR 0 #define USB_INTR_ENABLE PCMSK0 #define USB_INTR_ENABLE_BIT PCINT0 #define USB_INTR_VECTOR PCINT0_vect
В файле main.c определяем структуры данных посылок
// Количество регистров в одной посылке #define BUFF_SIZE 16 // Пара адрес-значение для регистра struct command_t { uchar address; uchar data; }; // Лист регистров struct dataexchange_t { uchar size; struct command_t commands[BUFF_SIZE]; } pdata;
Объявляем дескриптор для HID
PROGMEM const char usbHidReportDescriptor[] = { // USB report descriptor 0x06, 0x00, 0xff, // USAGE_PAGE (Vendor Defined Page) 0x09, 0x01, // USAGE (Vendor Usage 1) 0xa1, 0x01, // COLLECTION (Application) 0x15, 0x00, // LOGICAL_MINIMUM (0) 0x26, 0xff, 0x00, // LOGICAL_MAXIMUM (255) 0x75, 0x08, // REPORT_SIZE (8) 0x95, sizeof(struct dataexchange_t), // REPORT_COUNT 0x09, 0x00, // USAGE (Undefined) 0xb2, 0x02, 0x01, // FEATURE (Data,Var,Abs,Buf) 0xc0 // END_COLLECTION };
Обработчики событий:
// Посылка может приходить частями. Тут мы запоминаем сколько приняли и сколько осталось static uchar currentAddress; static uchar bytesRemaining; // Прием посылки uchar usbFunctionWrite(uchar *data, uchar len) { if (bytesRemaining == 0) return 1; if (len > bytesRemaining) len = bytesRemaining; uchar *buffer = (uchar*)&pdata; memcpy(buffer + currentAddress, data, len); currentAddress += len; bytesRemaining -= len; if (bytesRemaining == 0) { for (int i = 0; i < pdata.size; ++i) { struct command_t cmd = pdata.commands[i]; if (cmd.address == 0xff && cmd.data == 0xff) // Для софтварного ребута OPL2 мы просто передаем в посылке FFFF opl_reset(); else opl_write(cmd.address, cmd.data); } } return bytesRemaining == 0; } // При получении запроса USBRQ_HID_SET_REPORT мы должны подготовиться к получении посылки usbMsgLen_t usbFunctionSetup(uchar data[8]) { usbRequest_t *rq = (void*)data; if ((rq->bmRequestType & USBRQ_TYPE_MASK) == USBRQ_TYPE_CLASS) { if (rq->bRequest == USBRQ_HID_SET_REPORT) { bytesRemaining = sizeof(struct dataexchange_t); currentAddress = 0; return USB_NO_MSG; } } return 0; /* default for not implemented requests: return no data back to host */ } // Обработчик команды на перезапуск устройства extern void hadUsbReset(void) { opl_reset(); }
Рекомендую эти рускоязычные статьи про V-USB:
http://microsin.net/programming/avr-working-with-usb/avr-v-usb-tutorial.html
http://we.easyelectronics.ru/electro-and-pc/usb-dlya-avr-chast-2-hid-class-na-v-usb.html
Поддержка в DosBox
Код для DosBox можно посмотреть во все том же репозитории.
Для работы с устройством на стороне PC я использовал библиотеку hidlibrary.h (ссылки на оригинал, к сожалению, не нашел), которую пришлось немного доработать.
Эмулятор OPL я решил не трогать, а реализовать свой отдельный класс. Переключение на USB в конфигах теперь выглядит так:
[sblaster] oplemu=usb
В констркуторе модуля Adlib в adlib.cpp добавляем условие:
else if (oplemu == "usb") { handler = new OPL2USB::Handler(); } else {
И в dosbox.cpp новый вариант настройки:
const char* oplemus[]={ "default", "compat", "fast", "mame", "usb", 0};
Скомпилированный exe можно забрать тут: https://github.com/deadman2000/usb_opl2/releases/tag/0.1
Видео
Подключение:
Звук записанный через звуковую карту:
Итоги и планы
Результатом я остался доволен. Подключать устройство легко, проблем никаких. Само собой мои модификации DosBox'а никогда не попадут в официальную версию и популярные ветки, т.к. это очень специфическое решение.
Далее на очереди ковыряние OPL3. Есть еще идея собрать трекер на OPL-чипах
