AY-3-8910

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

AY-3-8910A производства Microchip (Тайвань) на плате компьютера MSX2 Daewoo CPC300E

AY-3-8910 — электронный компонент, микросхема, выполняющая функцию трёхголосного программируемого звукогенератора (Programmable Sound Generator, PSG). Разработана фирмой General Instruments, изначально предназначалась для использования с 16-разрядным процессором CP1610 той же фирмы, и с 8-разрядными микроконтроллерами серии PIC1650. AY-3-8910 и её варианты широко использовались во многих игровых автоматах, игровых приставках и домашних компьютерах. Помимо General Instruments, эта микросхема производилась по лицензии разработчика фирмами Microchip, Micrel (под оригинальным названием), и другими (под различными названиями), а также фирмой Yamaha (под названием YM2149).

Одно из первых применений AY-3-8910 относится к 1980 году, в игровом автомате Carnival от Sega. Совместимые с AY-3-8910 микросхемы применяются и в настоящее время. Их производство прекращено, однако сохранился запас ранее произведённых микросхем, и они продолжают продаваться, например, для ремонта старых компьютерных систем. Существует VHDL-реализация микросхемы, для применения в FPGA-репликах игровых автоматов и других ретро-компьютерных систем. Исходный VHDL-код свободно доступен в сети Интернет, в скомпилированном виде он занимает около 10 процентов объёма Xilinx XC2S300 FPGA.

Считается, что AY-3-8910 имеет возможности генерации звука, аналогичные микросхеме Texas Instruments SN76489 (создана и продавалась в тот же период времени). Однако, хотя их общие характеристики похожи, эти микросхемы имеют достаточно различные возможности. Творческий подход к использованию AY-3-8910 позволяет получать гораздо более сложный звук, чем у SN76489.

[править] Известность в России

В нашей стране микросхема AY-3-8910 получила известность благодаря её применению в компьютере ZX Spectrum 128, и, соответственно, в его многочисленных отечественных клонах. За время популярности ZX Spectrum в нашей стране существовало более тысячи людей, писавших музыку для AY-3-8910. Ими написано более 17 000 композиций. Эта микросхема создала среди отечественных компьютерных музыкантов начала 90-х годов свою субкультуру, аналогичную созданной микросхемой SID компьютера Commodore 64 в других странах. В настоящее время осталось некоторое количество энтузиастов, продолжающих писать музыку для AY-3-8910. В рамках различных фестивалей компьютерного искусства, таких, как Chaos Construction, присутствуют и соревнования по написанию музыки для этой микросхемы.

Радиолюбители подключали AY-3-8910 ко многим отечественным бытовым компьютерам, в частности, к Вектор-06Ц и к БК-0011.

[править] Описание

AY-3-8910 имеет следующие возможности:

• Три программируемых генератора прямоугольных импульсов (генераторы тона)
• Один генератор амплитудной огибающей
• Один программируемый генератор белого шума
• Логический микшер (смешивает выход генераторов шума и огибающей с одним или несколькими каналами тона)
• Программируемое усиление
• Раздельные выходы звука трёх каналов тона (могут быть смешаны как в монофонический, так и в псевдо-стереофонический сигнал)
• Два порта ввода-вывода общего назначения

8910 представляет собой конечный автомат, состояние которого задаётся с помощью шестнадцати 8-разрядных регистров. Они программируются через 8-разрядную внешнюю шину, использующуюся как для передачи данных, так и для задания адреса регистра — режим переключается сменой уровня на специальном выводе микросхемы. Типичный цикл передачи значения: шина переключается в режим задания адреса, передаётся адрес, шина переключается в режим передачи данных, передаются данные.

Шесть регистров R0..R5 управляют частотой звука, генерируемой тремя основными каналами, с помощью задания значения делителя входной тактовой частоты. Делитель хранится в двух 8-разрядных регистрах для каждого из каналов, однако реальная разрядность счётчика-делителя — 12 разрядов, что даёт 4096 вариантов значения частоты звука.

Регистр R6 задаёт 5-разрядное значение периода для псевдослучаного генератора шума.

Регистр R7 представляет собой логический микшер, содержащий по два бита для каждого канала, в зависимости от которых к каналам подмешивается сигнал генератора шума, либо генератор огибающей. Также в регистре R7 находятся два бита управления портами ввода-вывода общего назначения.

Три регистра R8..R10 управляют громкостью трёх основных каналов (16 уровней), а также имеют бит разрешения использования огибающей.

Три регистра R11..R13 управляют частотой (два регистра, 16-разрядное значение) и формой (один регистр, 16 вариантов) сигнала генератора ADSR-подобной огибающей. В отличии от большинства систем, 8910 использует фиксированные значения времени для фаз плато и затухания, и повторяющуюся последовательность фаз атаки и спада. Для примера, генератор может постоянно повторять цикл атаки-спада, или наборот, начиная с максимального уровня, постепенно понижая его, без фазы атаки.

Регистры R14 и R15 управляют состоянием входных-выходных линий портов ввода-вывода общего назначения.

[править] Варианты исполнения

Оригинальный кристалл 8910 имел три варианта исполнения.

AY-3-8910 имела два параллельных восьмиразрядных порта ввода-вывода общего назначения — A и B. Выполнена в 40-выводном корпусе (DIP40).

AY-3-8912 выполнена в 28-выводном корпусе (DIP28). Сигналы порта B не подводятся ко вненшим выводам. Такое исполнение снижало стоимость микросхемы и её габариты, что сделало это исполнение наиболее популярным.

AY-3-8913 выполнена в 24-выводном корпусе (DIP24). Сигналы портов A и B не выведены наружу. По сравнению с 8912, габариты уменьшились несущественно, а функциональность снизилась, поэтому это исполнение получило наименьшее распространение.

Назначение выводов микросхемы YM2149 соответствует AY-3-8910, за исключением вывода 26, который включает внутренний делитель входной частоты вдвое, если на него подан низкий уровень. Если этот вывод никуда не подключён, микросхема работает также, как и AY-3-8910. Помимо встроенного делителя входной частоты, YM2149 имеет отличие в разрядности ЦАП огибающей — 5 бит вместо 4, а также в логарифмической характеристике ЦАП основных каналов. Это создаёт небольшое отличие в тембре звучания, делая его, по отзывам разных людей, немного более резким и сухим.

[править] Творческое использование

Хотя микросхема не имеет специальных возможностей для проигрывания оцифрованных звуков, оно может быть реализовано программно, с помощью использования ЦАП одного или нескольких каналов при запрещённой логическим микшером генерации тона и шума. Такой подход требует большего использования времени процессора, чем при использовании микросхем, специально созданных для воспроизведения цифрового звука (таких, как чип Paula в компьютере Commodore Amiga). Но, тем не менее, он широко использовался на таких платформах, как компьютер Atari ST, для воспроизведения цифровой музыки, и на Amstrad CPC для воспроизведения коротких звуковых эффектов в некоторых играх.

Используя ту же технику, но не отключая генерацию тона, возможно расширить возможности генерации различных тембров. В этом случае изменение выходного уровня ЦАП канала используется для модуляции основного тона другой частотой. Таким образом можно получить, например, три независимых амплитудных огибающих любой формы, или тембры, напоминающее звучание микросхемы SID. Для эффективной реализации этого способа требуется наличие в системе возможности прерывания работы процессора с достаточно высокой частотой — например, на компьютере Atari SТ, где эта техника использовалась наиболее активно, применялось прерывание по началу строки растра. На системах, где таких аппаратных возможностей нет, для реализации подобного эффекта потребуется почти всё время процессора. Существует демонстрационная программа Digisid, реализующая эффект на компьютере ZX Spectrum, который не имеет аппаратных возможностей, подобных Atari ST.

В 2006 году два разработчика программ для компьютера MSX создали продвинутый энкодер, преобразующий wave-файлы в наиболее оптимальные данные для каналов AY, используя алгоритм поиска Viterbi. Это позволило воспроизводить wave-файл с частотой дискретизации 44100 Герц на компьютере MSX двадцатитрёхлетней давности, с соотношением сигнал-шум выше чем у 8-разрядного ЦАП. Алгоритм поиска Viterbi очень ресурсоёмок, он не мог применяться в 80-х годах, так как в то время не существовало достаточно мощных компьютеров для выполнения такого преобразования.

Некоторые люди, в особенности пользователи компьютера ZX Spectrum, используют микросхему AY для создания музыки, в том числе и для концертных выступлений (см. раздел ссылок).

[править] Список систем

Неполный список систем, в которых использовалась 8910 или её варианты. Не включает различные игровые автоматы, количество которых превышает тысячу.

Игровые приставки:

• Amstrad GX4000
• Mattel Intellivision
• Vectrex

Домашние компьютеры. Многие из них, в особенности MSX, имеют множество моделей от разных производителей:

• Apple II (в виде отдельной звуковой карты)
• Atari ST
• Amstrad CPC
• FM-7 (Fujitsu Micro-7)
• Mattel Aquarius (в составе модуля расширения "Mini Expander")
• MSX
• NEC PC 6001
• ZX Spectrum
• Правец-8Д

[править] Дальнейшее развитие

Фирма Yamaha использовала ядро YM2149 в целом семействе музыкальных микросхем, которые использовались в мобильных телефонах, видеоиграх, и т. п. Например, микросхема YM2203 (также известна как OPN), помимо собственного синтезатора на основе частотной модуляции (FM), содержит полноценный аналог YM2149, полностью совместимый по номерам и назначению регистров (однако, следующая в серии микросхема, YM2612, содержит только FM-часть 2203).

Фирма Philips разработала микросхему SAA1099 (применялась в компьютере SAM Coupé и в первых звуковых картах от Creative для IBM PC). Её возможности аналогичны двум AY-3-8910 (6 каналов, 2 огибающих, 2 генератора шума), с некоторыми дополнениями, однако программная и аппаратная совместимость отсутствует.

В конце 2003 года российская компания «Русь Телеком» разработала микроконтроллер R100-XP с системой команд MCS51, для применения в автоматических определителях номера (АОН), производимых этой компанией. Помимо своих основных возможностей, он содержит полный аналог AY-3-8910.

[править] Эмуляция

Помимо реализации эмуляции микросхемы в эмуляторах различных систем, использующих её, существуют отдельные эмуляторы микросхемы. Они позволяют воспроизводить музыку, написанную для различных систем и сохранённую в их специальных форматах, на обычном PC. Как и в случае с другими подобными микросхемами звукогенераторов, программная эмуляция имеет некоторые отличия в звуке по сравнению с реальной микросхемой, причём возможно даже отличие в лучшую сторону (более чистое звучание, без искажений, делающее звук несколько непохожим на оригинальный). Если в случае с другими, более сложными микросхемами, эти различия возникают из за неточности эмуляции логики работы микросхем, то в случае с AY-3-8910 и совместимыми микросхемами все тонкости и различия их работы полностью изучены, и основным источником различий становится проблема передискретизации (ресемплинга) сигнала (микросхема позволяет генерировать звук с частотами до нескольких сотен килогерц).

[править] Ссылки

• Оригинальная документация на AY-3-8910 AY-3-8912 AY-3-8913
• Документация на AY-3-8910/12/13 и YM2149 Programmable Sound Generator
• AY-3-8914, AY-3-8916 и AY-3-8917
• Музыка для микросхемы AY
• ST SOUND, Музыка для AY с компьютера Atari ST
• Эмулятор AY Emulator для Win32; большой архив отечественной музыки с платформы ZX Spectrum, музыкальный редактор с эмуляцией AY для win32; список композиторов; писавших AY-музыку
• Несколько VHDL-реализаций игровых автоматов в FPGA
• Документация на компьютер Amstrad CPC, включает документацию на AY
• Группа AY Riders, исполняющая музыку с использованием микросхемы AY
• Описание и исходный код энкодера Viterbi и плеера, создающего высококачественные цифровые сэмплы для проигрывания на AY
• Пример оцифрованного звука, воспроизводимого на Philips VG-8020 и демонстрирующего работу Viterbi энкодера