Как заставить Arduino петь как ZX Spectrum. Часть 1: исторический экскурс

    ZX Spectrum 128 и его многочисленные клоны имели встроенный звукогенератор AY-3-8912, благодаря чему как зарубежные музыканты, так и наши соотечественники успели написать огромное количество музыки под этот компьютер.

    В двух частях этой статьи, приправленных щепоткой ностальгии, мы вспомним основные способы звукоизвлечения на ZX Spectrum 128, обозначим характеристики “музыкального сопроцессора” AY-3-8912, перечислим наиболее известные музыкальные редакторы, продизассемблируем музыкальный модуль от популярной игры Dizzy IV и воссоздадим его на Arduino. Приглашаем под кат всех любителей компьютерной музыки, DIY, а также тех, кто заинтересовался, почему словосочетание “музыкальный сопроцессор” мы взяли в кавычки.

    Скриншот стартового экрана Dizzy IV
    Скриншот стартового экрана Dizzy IV

    Помню, первый компьютер - клон ZX Spectrum “Компаньон” - мы с братом никак не могли подключить к телевизору. Как я сейчас понимаю, в компьютере был только низкочастотный видеовыход, который мы пытались подключить к высокочастотному входу черно-белого телевизора. Удивительно, но каким-то образом видеосигнал пробивался через все эти гетеродины, так что можно было разглядеть смутные очертания символов, но только если ты знаешь, что там было написано… Поэтому какое-то время наши возможности ограничивались написанием почти вслепую простейших программ на бейсике и загрузкой с магнитофона игр, в которые было не поиграть.

    Одной из игр, которая привлекала внимание, была “Legend of the Amazon” (или “Амазоники”, как мы их тогда называли). На старте была отличная музыка, воспроизводимая через 1-битный динамик. Ее можно было запустить “вслепую” и слушать до бесконечности. Мы замучили кассету так, что еле прочитали игру, когда наконец подключили “Компаньон” к низкочастотному входу телевизора и стало все видно. Увы, но других воспоминаний от игры у меня не осталось - gameplay был посредственный (ну или я ничего не понял).

    Научившись паять, я собрал больше информации о ZX Spectrum и смог подключить к нашему многострадальному на тот момент “Компаньону” “магический” музыкальный сопроцессор. Тогда это был YAMAHA YM2149F, аналог AY-3-8912, устанавливавшегося в оригинальных ZX Spectrum 128. Следует отметить, что название “музыкальный сопроцессор” неверно, потому что чип не выполняет никакого кода, а является конечным автоматом. В документации на чип предлагается название “программируемый звуковой генератор”, поэтому в дальнейшем в статье я буду называть чип звукогенератором.

    Эксперимент завершился и удачей, и разочарованием. С одной стороны, звукогенератор работал, с другой стороны, оказалось, что во многих играх память в 48К была занята под завязку и на музыку ее уже не оставалось. В те времена было принято выносить музыкальные модули в дополнительные страницы памяти, которые были в 128-килобайтном спектруме, но отсутствовали в нашем 48-килобайтном “Компаньоне”, поэтому звукогенератор в большинстве случаев оставался лишним балластом. Однако в журнале ZX Ревю, из которого я и взял схему подключения, была заметка о том, как его проверить: музыкальный модуль от игры Dizzy IV загружался в память отдельно от игры и его можно было запустить. На картинке выше - скриншот стартового экрана игры.

    Для ностальгирующих - вот как загружался дополнительный модуль:

    CLEAR 30000
    LOAD "" CODE
    RANDOMIZE USR 49152
    RANDOMIZE USR 49180

    Периодически мне нравилось загружать этот модуль и слушать ту чудесную стартовую музыку (сейчас ее можно послушать тут; это не только стартотвая музыка, но и мелодия внутри игры).

    О возможностях звукогенератора AY-3-8912

    Звукогенератор AY-3-8912 фирмы General Instrument, который устанавливался в ZX Spectrum 128, а также его аналоги, - достаточно популярный способ добавить музыкальные возможности в компьютеры того времени. Это семейство чипов устанавливали, в том числе в компьютеры Amstrad CPC и в японские MSX.

    AY-3-8912 имел 3 канала для генерации сигналов прямоугольной формы (тона); один генератор шума; генератор огибающей, позволяющий производить амплитудную модуляцию сигналов тона и шума; микшер сигналов для смешения сигналов тона, шума и огибающей; модуль контроля громкости и цифро-аналоговый преобразователь. 

    На выходе у генератора было 3 аналоговых канала, именуемых A, B и C. В оригинальных спектрумах сигналы объединялись в один и получался моно-сигнал, однако каналы можно было соединять попарно и получать стерео сигнал. Мне чаще попадалось объединение A + C -> левый канал, B + C -> правый канал, т.е. канал C отправлялся и в левый, и правый выходы, являясь средним каналом. До момента написания этой статьи такое соединение мне представлялось каноническим. Но оказалось, что часто средним делали канал B и иногда в софте можно было найти настройку, какой канал считать средним.

    Справедливости ради стоит добавить, что было несколько модификаций чипа. Вот самые распространенные из них: 

    • AY-3-8910 - выпускался в корпусе DIP 40 и дополнительно имел 2 восьмибитных порта ввода/вывода;

    • AY-3-8912 - выпускался в корпусе DIP 28 и дополнительно имел только один восьмибитный порт ввода/вывода;

    • YAMAHA YM2149F - полностью совместим с AY-3-8910, но имел некоторые дополнительные возможности.

    Используя порты ввода-вывода AY-3-8910, к компьютеру можно было подключить еще и, например принтер с параллельным интерфейсом. Но насколько мне известно, для клонов спектрума так никто не делал.

    Музыкальные редакторы для спектрума

    Любой спектрум, даже не оборудованный звукогенератором, мог воспроизводить звуки при помощи 1-битного выходного канала. Сигнал выводился на встроенный миниатюрный громкоговоритель, как в оригинальном спектруме, а в клонах вместо него иногда применяли пьезо-пищалки или иные воспроизводящие звук устройства. Интересно, что в оригинальном спектруме за ввод/вывод с магнитофона и за воспроизведение звуков отвечал всего лишь один вывод микросхемы ULA. Встроенный бейсик поддерживал команду BEEP, которая принимала два параметра - смещение в полутонах относительно ноты “до” первой октавы и длительность звука в секундах (можно в долях). Вооружившись операторами DATA и FOR, можно было воспроизвести любую одноголосную мелодию.

    Самым известным редактором для бипера стал “Wham! The Music Box” или просто “Wham!”. Думаю, что отсылка к музыкальному поп-дуэту “Wham” с участием Джорджа Майкла была не случайна - редактор поставлялся с несколькими демо-композициями, одной из которых была песня “Careless Whisper” того времени. Но какого-либо подтверждения этому факту я не нашел.

    Версия Джорджа Майкла

    1-битная версия Wham!

     Wham! позволял одновременно воспроизводить 2 голоса или звуковой эффект, что для бипера в то время было редкостью.

    Тут стоит упомянуть хоть и не редактор, но игру Manic Miner, в которой в 1983 году (всего через год после появления ZX Spectrum) на стартовом экране была попытка воспроизводить 2 звука одновременно, а во время игры звучала музыка, что требовало немалого процессорного времени. Но после написания этой статьи мой мир никогда не будет прежним - проверяя свои воспоминания, я обнаружил, что автор игры Matthew Smith в одном из интервью говорит, что использовал для написания игры компьютер TRS-80, подключенный к спектруму через порт расширения. Какое жульничество! (шутка)

    Звуки игры

    Начиная с 3:20

    Manic Miner и GTA

    Истории создания игр Manic Miner и Jet Set Willy посвящены некоторые видео на Youtube, там не все так просто. Например, многие помнят, что в Manic Miner был cheat-код 6031769, дававший бесконечное количество жизней. Этот код был основан на номере автомобиля автора игры. Думаю, было мало людей, прошедших эту игру без кода.

    Этот же код использовался и в Grand Theft Auto и тоже давал бесконечное количество жизней. Пруф

    На изображении - обложка игры для пользователей США (источник), по иронии судьбы мало знакомых с ZX Spectrum в целом и с Manic Miner в частности.

    До звукогенератора мы с братом тоже проводили эксперименты по созданию многоголосной музыки. Процессор Z80 был достаточно медленный, чтобы генерировать многоголосный сигнал на ходу, но если его сгенерировать заранее и поместить в оперативную память, то выводить данные в звуковой порт можно было с достаточной скоростью. Тогда я еще не знал что такое ШИМ…

    Наш подход позволял воспроизводить большое количество звуков, каждый с различной громкостью. Проблема заключалась в том, что в момент генерации сигнала в оперативной памяти звук прерывался. В итоге звуки, издаваемые нашим бипером, напоминали игру на плохой балалайке, поэтому дальнейшее развитие эта идея не получила. Беглый поиск на Youtube показывает, что из спектрумовского бипера можно было выжать гораздо больше, и энтузиасты так развлекаются до сих пор.

    Существовала версия Wham! и для 128-килобайтного спектрума с AY-3-8912, но идеи, сработавшие в предыдущей версии, стали серьезным ограничением в текущей - нельзя было воспроизвести ноту большой длительности. Да и нотная запись для 8-битной музыки не самая подходящая.

    Огромным прорывом для любителей компьютерной музыки стал выпуск польского трекерного редактора Sound Tracker для ZX Spectrum (отметим, что это не первый трекерный редактор вообще, он первый только для спектрума).

    Это был переход от традиционной нотной записи музыки к буквенной записи нот в 3 колонки, по количеству каналов в звукогенераторе.

    Под спойлером вы найдете основные понятия, которые используются в редакторах с интерфейсом типа “трекер”. Специально не останавливаюсь на всех тонкостях восьмибитной музыки, перечисляю здесь лишь основные понятия, которые мы будем использовать во второй части статьи, когда перейдем к разбору кода музыкального модуля Dizzy IV.

    Основные понятия
    • Pattern (или паттерн) - “строительный” блок, музыкальная композиция делится на небольшие куски. Обычно состоит из нескольких музыкальных тактов и содержит 1-2 фразы.

    • Position (или позиция) - слоты, в которые можно вставить паттерны. Они определяют, в какой последовательности должны исполняться паттерны, какие паттерны должны повторяться. Написав несколько коротких паттернов и в дальнейшем комбинируя их в разном порядке с помощью позиций, можно создать достаточно длинную, пусть и несколько однообразную мелодию, впрочем, так и принято было делать.

    • Sample (инструмент) - описание изменения характеристик звуков с течением времени. С частотой 50 Гц плеер музыки рассчитывал относительную высоту звука, который проигрывался в канале, его громкость, накладывал звуковые эффекты. Инструменты позволяли наложить окраску звукам, можно было настроить плавное нарастание или затухание, фронт и т.д.

    • Ornament (орнамент) - аналогично сэмплу орнамент определяет относительную высоту звука, но в данном случае она определяется тем, насколько тонов необходимо сместить звук. Из-за того, что звукогененратор имеет всего лишь три канала, а хочется намного больше, появились орнаменты, которые позволяли поочередно с большой частотой проигрывать несколько звуков на одном канале. Орнаменты - эффективное средство воспроизвести на одном канале звуки одной октавы или даже аккорды, например трезвучия. Кончено, звуки воспроизводились поочередно с большой частотой и напоминали балалайку, но это тоже было за гранью возможности для трех каналов, т.е. супер круто.

    Другим весьма известным музыкальным редактором был ASC Sound Master (ASM) А.Сендецкого. К сожалению, автора этого редактора уже нет с нами (пруф). Этот редактор мне запомнился, как очень крутой, ведь автор даже не поленился, а разработал свою собственную файловую систему, чтобы сохранять музыкальные композиции. Помню, там была композиция “Boom”, которая мне очень нравилась. Я слушал ее бесконечно, тогда не зная, что это была музыка из одноименного французского фильма.

    Без музыки на тот момент обходилась редкая демка. Лучшие образцы (например, Insult или Satisfaction) можно нагуглить до сих пор. А одним из самых зрелых редакторов был Pro Tracker, который появился достаточно поздно - в 1995 году. С его помощью было написано довольно много музыки. 

    Наверняка у каждого, кто был знаком с играми на спектруме, есть свои любимые музыкальные воспоминания. На меня в свое время неизгладимое впечатление произвел загрузчик с дискет под названием ZYX. Эта программа запускалась самой первой, показывала каталог программ, которые были на диске, и позволяла загрузить одну из них. Существовало огромное множество этих загрузчиков с разной популярной музыкой того времени. Особенно мне нравился Jean Michel Jarre.

    Jean Michael Jarre

    Удивительно, но демки разрабатывают до сих пор. Для AY-3-8912 даже существует вполне современный музыкальный редактор “Vortex Tracker”, который позволяет писать 8-битную музыку под Windows.

    На этом я закончу свой исторический экскурс. Во второй части статьи будем дизассемблировать музыкальный модуль Dizzy IV и писать прошивку для Arduino, которая повторит музыку из этой игры, эмулируя музыкальный процессор и используя музыкальный модуль Dizzy IV.

    Продолжение следует…

    Вторая часть статьи: https://habr.com/ru/company/maxilect/blog/527732/.

    Автор статьи: Антон Дмитриевский

    P.S. Мы публикуем наши статьи на нескольких площадках Рунета. Подписывайтесь на наши страницы в VK, FB, Instagram  или Telegram-канал, чтобы узнавать обо всех наших публикациях и других новостях компании Maxilect.

    Maxilect
    Умные решения для вашего бизнеса

    Комментарии 21

      +3
      Без музыки на тот момент обходилась редкая демо-сцена.

      Демо это демо, а сцена это явление само по себе. Вряд ли вы взлом почтового ящика назовёте хак-сценой :)
        +2
        я обнаружил, что автор игры Matthew Smith в одном из интервью говорит, что использовал для написания игры компьютер TRS-80, подключенный к спектруму через порт расширения. Какое жульничество! (шутка)

        Это была типовая практика в то время, о ней говорит множество авторов тех лет. Они использовали не конкретно TRS-80, но любой более-менее приличный компьютер, оснащённый дисководом и хорошей клавиатурой — Amstrad CPC, Tatung Einstein, Atari ST, Amiga, PC, всякие более экзотические варианты. Так процесс разработки шёл гораздо быстрее — быстро грузилось, быстрее собиралось (15 секунд на ST вместо 5 минут для Operation Wolf), после каждого пробного запуска не приходилось загружать все инструменты и исходники заново. Кто-то из Ocean упоминал, что в самом начале они использовали просто два соединённых вместе Spectrum'а, это уже давало множество преимуществ из перечисленных выше.

        Наш подход позволял воспроизводить большое количество звуков, каждый с различной громкостью. Проблема заключалась в том, что в момент генерации сигнала в оперативной памяти звук прерывался. В итоге звуки, издаваемые нашим бипером, напоминали игру на плохой балалайке, поэтому дальнейшее развитие эта идея не получила.

        Довольно редкий подход к многоканальной музыке на бипере. Насколько я знаю, его использовал только Jan Deak в своём восьмиканальном редакторе ZX-7 (1990), в котором Mister Beep написал немало треков (в интро AY, дальше бипер). Обычно всё же звук генерируется на лету, хотя паузы между нот всё равно есть, для чтения нотного текста. Разные способы генерации звука имеют разную толерантность к паузам, в простой квадратной волне паузы очень заметны, а в PFM с прореженными импульсами они вполне терпимы.
          0
          В начале 90х существовал самиздатовский бумажный журнал по ZX… В нем я видел статью с математикой модуляции однобитного динамика особым образом, подачей 1 и тут же его сменой на 0, можно было манипулировать громкостью. Приводились расчеты, сколько тактов процессора нужно…
          Так же я помню игру для 48к, в которой была реализована полифония не на 2 ноты как в wham, а больше… Название конечно забыл…
            +1
            В 2010-х была достигнута полифония 16 каналов. Но чем выше полифония, тем проще тембры и ниже общее качество звучания. Поэтому более ходовые движки всё же используют 2-3-4 канала. 8-канальные движки тоже в ходу, но там автор(ы) как правило используют каналы не для полифонии, а для имитации тембров или громкости — одни и те же ноты играются на нескольких каналах одновременно с некоторой расстройкой.
              0
              Возможно это была Agent X?

                0
                Не, там было что-то типа castle или knight в названии… Но ваша тоже прикольная, если это на однобитном динамике.
                  0
                  Смотрите «Chronos Spectrum Title Music».
                  0

                  А меня при первых запусках спектрума 48 к удивила эта музыка через бипер!
                  1 одно битный выход получается? Какие это техники и как реализовано?.. Это все шло на 48 к. Без звукового сопроцессора. https://m.youtube.com/watch?v=ASGGNQPPypg Rescue Spectrum Title Music

                0
                Из журналов о ZX начала 90х вспоминил только ZX-Ревю. Помню, что покупал перепечатки на предтечи Юноны — толкучка около Юного техника (еще до озаборивания у переезда) на Червонного казачества. Изначальных копий так и не довелось подержать в руках.
                image
                  +1
                  Да, наверно оно и есть. Эх молодость, на каждой странице откровения. )
                    0

                    У меня коллекция книг издательства есть. Правда первые 3 года журнала — в виде отдельных книг с очень мелким шрифтом. Почти всё есть.

                  0
                  в Wham «Careless Whisper» загружался сразу с плеером, и это была единственная мелодия доступная сразу, по крайней мере при загрузке с кассеты. По поводу размеров памяти, я думаю не проблема была запихнуть код музыки в 48К, большая проблема была с плеером, т.к. код выполнялся в прерывании, и у разных редакторов был разный по длине, помню что под конец 90-х был код плеера, может меня память и подводит но он в 700 тактов успевал.
                    0
                    Там было еще несколько треков, уже не помню как они загружались, но через много лет я узнал, что один из них оказывается это Луи Армстронг, классика. )
                    www.youtube.com/watch?v=wyLjbMBpGDA&feature=emb_logo
                      0
                      Я не нашел этой мелодии в списке мелодий, которые можно загрузить:

                      image
                        0
                        Я совершенно точно помню эту мелодию в wham! поскольку в 95 году в выпускном классе в школе у меня был курсовой проект — муз.редактор на паскале, где я использовал эту тему в качестве демо.
                    0
                    Один из эмуляторов для спектрумовского AY написал Пётр Советов (никнейм true-grue). На хабре он есть, писал статьи в том числе про программный синтез звука, есть там и про Спектрум: habr.com/ru/users/true-grue/posts

                    Вот ссылка на гитхаб с его эмулятором:
                    github.com/true-grue/ayumi
                      0
                      Заставочная музыка в 48к версии Midnight Resistance — однобитная, и это шедевр выжимания воды из камня. Даже на заставочную картинку ресурсов Спектрума не хватало.
                      А вот версия для AY.
                        0
                        Как-то находил проект по синтезу звука, вполне себе не плохо для атмеги
                        www.youtube.com/watch?v=RTC4RB-22WY
                        исходники
                        www.linusakesson.net/hardware/chiptune.php

                        А так же нашёл плеер S3M на atmege328

                        www.youtube.com/watch?v=b_QbBE_fXZs
                        и исходники на гитхабе
                        github.com/JarkkoPFC/arduino-music-player
                        Не ожидал, что этот МК потянет такую задачу.
                          +1
                          На чистой AVR уже делали эмуляцию AY8910
                          Тема на форуме zx.pk.ru Эмулятор AY-8910 на ATMega
                            +1
                            И ещё один эмулятор в этой теме.

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое