MOS Technology SID

Мікросхеми SID фірми MOS Technology: Праворуч - мікросхема 6581 виробництва MOS Technology, в той час називалася Commodore Semiconductor Group (CSG). Зліва - мікросхема 8580 тієї ж фірми. Числа 0488 і 3290 представляють дату випуску у формі ННГГ (Тиждень, Рік), тобто мікросхеми були вироблені в 4-й тиждень 1988 року і в 32-й тиждень 1990 відповідно. Останнє число, можливо, означає номер партії.

MOS Technology 6581/8580 SID ( скор. від англ. Sound Interface Device ) - електронний компонент, мікросхема, що виконує функцію програмованого звукогенератора, що використалася в побутових комп'ютерах фірми Commodore International - CBM-II, Commodore 64, і Commodore 128. Вона була однією з перших мікросхем подібного типу, призначених для використання в побутових комп'ютерах, до появи у них можливостей відтворення цифрового звуку.

Разом з мікросхемою відеоконтролера VIC-II, SID стала тим компонентом, який зробив C64 самим продаваним побутовим 8-розрядним комп'ютером в історії, а також, якоюсь мірою, вплинула на виникнення явища, званого демосцена.

На мікросхему SID виданий американський патент № 4677890, заявка була подана 27 лютого 1983, і прийнята 7 липня 1987. Термін дії патенту закінчився 7 липня 2004.


1. Розробка

Мікросхема SID була розроблена інженером Робертом Яннесом, згодом заснував компанію Ensoniq, що виробляє цифрові синтезатори. Яннес очолив групу розробників, що включає, крім нього, двох техніків і оператора САПР Applicon (в даний час - власність UGS Corporation), яка провела весь процес розробки за п'ять місяців, протягом другої половини 1981. Яннес вже мав досвід роботи в області проектування синтезаторів звуку, і не був задоволений можливостями існуючих на той момент комп'ютерних засобів генерації звуку. Він хотів отримати якісний синтез музичних інструментів, що стало причиною реалізації в SID таких можливостей, як програмована обвідна ADSR, раніше не використовувалась в мікросхемах подібного типу для побутових комп'ютерів.

Я вважав, що мікросхеми генерації звуку, представлені на ринку, включаючи ті, що використовувалися Atari в їх комп'ютерах, були примітивними і, мабуть, сконструйованими людьми, нічого не знаючими про музику.

Роберт Яннес. On the Edge: The Spectacular Rise and Fall of Commodore

Під час розробки особлива увага приділялася точності управління частотою генерується звуку, і SID спочатку повинна була мати 32 незалежних голосу з одним загальним генератором частоти. Однак ця можливість не була реалізована через брак часу. Замість одного загального генератора, який працював. але не був закінчений, на кристалі було розміщено три його копії, що дозволило реалізувати три незалежні голоси, кожен зі своїм власний генератором. Інша можливість, яка не увійшла в остаточний варіант із за браку місця на кристалі - таблиця певних заздалегідь частот, відповідних музичним нотам. Підтримку введення звуку Яннес реалізував за власною ініціативою, однак вона практично не використовувалася в комп'ютері. Виріб вироблялося по 7-мікронної технології, щоб збільшити відсоток виходу працездатних кристалів - піком прогресу в той час була 6-мікрона технологія.

Мікросхема SID, як і Commodore 64, перший комп'ютер, в якому вона застосовувалася, була закінчена до початку Consumer Electronics Show - виставки, що проходила в перші вихідні Січень 1982. Незважаючи на те, що Яннес не був повністю задоволений досягнутим результатом, його колега Чарльз Уінтебл сказав: "Ця штука в десять разів краще за все, що є в інших, і в двадцять разів краще, ніж було потрібно".

При розробці мікросхеми не використовувалося заздалегідь сформульоване технічне завдання. Навпаки, воно формувалося в процесі розробки, і не всі заплановані можливості були реалізовані в кінцевому виробі. Яннес стверджує, що у нього був список планованих можливостей, з яких тільки три чверті були в підсумку реалізовані. Це пояснює, чому технічна документація на першу версію мікросхеми (6581) не повністю відповідала дійсності. Більш пізня версія (8580) була приведена у відповідність з документацією. Наприклад, 8580 може виконувати логічне І над двома формами генерується сигналу, чого не дозволяла робити 6581. Інша функція, робота якої розрізняється у двох версіях мікросхеми - фільтр: в 6581 його робота сильно відрізнялася від описаної в технічній документації.


2. Характеристики

  • Три незалежних, роздільно програмованих генератора частоти (діапазон у 8 октав, приблизно 16 - 4000 Гц).
  • Чотири різних форми сигналу для кожного генератора (пілообразная, трикутна, квадратна, і білий шум).
  • Один багаторежимний фільтр, який має виходи низьких, середніх і високих частот з поділом 6 децибел на октаву для середніх частот, і 12 децибел на октаву для низьких і високих частот. Різні режими фільтру іноді використовувалися спільно для створення додаткових тембрів, наприклад, за допомогою режекторного фільтра.
  • Три роздільних ADSR -огинають, по одній на кожен генератор.
  • Три кільцевих модулятора.
  • Синхронізатор генераторів.
  • Два 8-розрядних АЦП. Зазвичай використовувалися для опитування аналогових ігрових контролерів типу paddle, згодом також застосовувалися для підключення маніпулятора типу " миша ".
  • Зовнішній аудіовхід (для змішування генерованого звуку із зовнішніми джерелами).
  • Генератор випадкових чисел і модуляції.

3. Технічні подробиці

Призначення висновків мікросхеми 6581

SID є мікросхемою змішаного типу, і містить як цифрову, так і аналогову частини. Основна його частина і керуючі порти - цифрові, однак вихід аналоговий. SID реалізує трехголосий синтез звуку, кожен голос може використовувати одну з чотирьох форм сигналу: квадратну (із змінною шпаруватістю), трикутну, пилкоподібну, і псевдовипадкову (але не білий шум). Кожен голос може також модулюватися за допомогою кільцевого модулятора одним з інших голосів, що дозволяє розширити частотний спектр генерованого сигналу. Кільцевій модулятор, фільтр, і швидке програмне перемикання між різними формами сигналу створюють характерне, впізнаване звучання SID.

Кожен голос може бути пропущений через загальний аналоговий фільтр (реалізований з використанням зовнішніх конденсаторів), з програмно керованою частотою зрізу і резонансу. Зовнішнє джерело звуку також може бути пропущений через фільтр.

Версія мікросхеми 6581 мала помилку, через яку при зміні гучності каналу виникав невеликий клацання. Як виявилося, ця помилка могла бути корисна для реалізації четвертого псевдо-голоси, яким можна було імітувати звуки перкусії та відтворювати цифровий звук, наприклад короткі мовні або музичні вставки (Commodore 64 не мав достатньої кількості пам'яті для зберігання оцифрованих звуків великої тривалості). На жаль, ця помилка була частково виправлена ​​у версії мікросхеми 8580, що використовувалася в Commodore 64C і Commodore 128. Це виправлення призвело до дуже тихому звучанню оцифрованих звуків. Однак, модифікація схеми комп'ютера дозволяла відновити оригінальний рівень гучності.

Крім виправлення помилок, між версіями 6581 і 8580 існує кілька відмінностей. Оригінальна версія, 6581, вироблялася по КМОП-технології, що вимагає для роботи мікросхеми 12-вольта живлення. Версія 8580 вироблялася за технологією КМОП-2, яка вимагає зниженої напруги живлення (9 вольт), а також зменшує тепловиділення при роботі. З цієї причини версія 8580 більш надійна, ніж 6581. Додатково, в 8580 було реалізовано краще поділ між аналогової і цифрової частинами схеми, за рахунок чого знизився рівень шуму і спотворень на аудіовихід.

Також проводилася КМОП-2 версія 6581, з позначенням 6582. Вона ніколи не використовувалася в нових Commodore 64.

В оригінальній технічній документації на SID згадується. що різні форми сигналу можуть бути використані одночасно, що призводить до логічного вирахуванню між ним. Однак, тільки версія мікросхеми 8580 дійсно дозволяє робити це - у версії 6581 деякі поєднання форм сигналу приводять до повної тиші або майже нечутне звучанню, в залежності від партії мікросхем. Робота фільтра в різних версіях мікросхеми також розрізняється, версія 8580 більше відповідає технічній документації.

Незважаючи на ряд перерахованих недоліків версії 6581, багато музикантів, які створювали музику для SID, віддавали перевагу саме їй. Основна причина в тому, що фільтр 6581 створював сильні спотворення, що іноді використовувалося для імітації таких інструментів, як перевантажений звук електрогітари. Також, високочастотна складова фільтра мала велику (на 3 децибели) гучність у порівнянні з іншими складовими, що робило звук більш "басовим". Також, нелінійність фільтра і вихідних ЦАП, приводила до додаткових спотворень звуку, що робить його більш "м'яким" і "гладким".


3.1. Версії

MOS 6581 R2, вироблена в кінці серпня 1984

Версія 6581 R1 ніколи не надходила в продаж. Яннес зробив наступний вислів: "Мікросхема SID з самого початку вийшла відмінна, вона звучала. Все, що нам було потрібно для її показу [на виставці 1982], запрацювало з другої спроби". Це, мабуть, означає, що ревізія R1 була першою пробною партією мікросхем, а R2 - другим варіантом маски для кристала, яка використовувалася у подальшому масовому виробництві. На фотографіях прототипу C64, зроблених Чарльзом Уінтеблом, видно маркування "MOS 6581 2082" (без R2, значить це ревізія R1), що, мабуть, означає, що пробна партія мікросхем SID була проведена в 20-й тиждень 1982.

Список відомих версій та ревізій мікросхем SID:

  • 6581 R2 - має позначення "MOS" "6581" на корпусі мікросхеми
  • 6581 R3 - має позначення "6581 R3" або "6581 CBM"
  • 6581 R4 AR - має позначення "6581 R4 AR"
  • 6582 A - проводився приблизно в 1992 році
  • 8580 R5 - вироблявся з 1987 по 1992 рік

Деякі з мікросхем мають маркування "CSG", яка розшифровується як Commodore Semiconductor Group (а також логотип Commodore), замість маркування "MOS". Ці мікросхеми можуть мати однакову дату випуску, включаючи тиждень, що означає, що принтери, що завдають маркування на корпус мікросхеми, знаходилися на різних конвеєрах заводу.


4. Музика та звукові ефекти в іграх

Commodore 64 мав низьку швидкість завантаження даних з касети і дисковода, завантаження 64 кілобайт даних в ОЗУ могла займати кілька хвилин. Тому серед розробників ігор поширилася практика використання так званих "завантажувачів", які спочатку завантажували і виводили на екран якесь зображення, і програвали музику в процесі завантаження іншої частини гри (іноді навіть з міні-грою, або можливістю впливати на програється музику). Можливо, саме через повільного процесу завантаження та відмінного звучання мікросхеми SID, композитори, котрі творили музику для ігор на Commodore, здобули велику популярність в порівнянні з композиторами, які працювали для інших ігрових систем.

У число добре відомих авторів музики для SID входять Мартін Гелвей (Martin Galway), відомий своєю роботою над безліччю іграми, включаючи Wizball, і Роберт Хаббард (Rob Hubbard), відомий по таким іграм, як ACE 2, Delta, International Karate, IK + і Monty on the Run. Також заслуговують згадки Джероєн Тел (Jeroen Tel) (гри Cybernoid і Myth), і Кріс Хальсбек (Chris Hlsbeck), музична кар'єра якого почалася з SID, і згодом продовжилася на інших платформах.


5. Сучасні розробки

  • В 1997 шведською компанією Elektron був випущений електронний музичний інструмент SidStation, що використовує як синтезатора мікросхему SID. Так як виробництво мікросхеми SID було давно припинене, Elektron скупила майже всі залишилися на складах мікросхеми. В 2004 Elektron випустила Monomachine, секвенсор з опціональною клавіатурою. Monomachine містить кілька різних синтезаторів, включаючи один аналогічний мікросхемі 6581 генератор, реалізований на основі цифрового сигнального процесора.
  • У червні 1998 Dag Lem реалізував програмний емулятор SID, званий reSID. Він написаний на мові C + +, і поширюється з відкритим початковим кодом, під ліцензією GPL.
  • В 1999 була створена звукова карта для IBM PC -сумісних комп'ютерів. Вона могла містити від однієї до чотирьох мікросхем SID, і дозволяла PC використовувати їх можливості напряму, без програмної емуляції і відтворення емульованого звуку через стандартну звукову карту (наприклад, SoundBlaster).
  • На початку 2000 -х років з'явився пристрій CatWeasel від німецької компанії Individual Computers. Воно являло собою карту розширення стандарту PCI для платформ IBM PC, Apple Machintosh, і Amiga. Основним її призначенням було підключення старих типів дисководів, для читання дискет від старих комп'ютерів; а також підключення джойстика. Крім цього, була присутня можливість установки в передбачений для цього роз'єм мікросхеми SID, і подальшого її використання для відтворення файлів, що містять музику для SID.
  • MIDIbox SID - керований по протоколу MIDI синтезатор, який може містити до чотирьох мікросхем SID. Пристрій являє собою відкритий проект, з відкритим вихідним кодом, для мікроконтролера PIC. Управління синтезатором здійснюється як програмно, так і через панель управління - з ручками, світлодіодами, та іншими органами управління - яка може монтуватися в корпус Commodore 64 замість штатної клавіатури.
  • Prophet 64 - серія нового програмного забезпечення для Commodore 64, імітує старі синтезатори та електронні ударні установки, такі як Roland TB-303. У складі ПО також присутній цілком сучасний секвенсер, що дозволяє створювати музику для SID. Prophet 64 може синхронізуватися з MIDI-пристроями через зовнішній порт, за допомогою стандартного DIN Sync (SYNC 24).
  • Parallel Port SID Interface - проста і дешева схема підключення мікросхеми SID до IBM PC через порт принтера.
  • SwinSID - програмно-апаратний емулятор SID на одному мікроконтролері Atmel AVR і мінімальній кількості додаткових компонентів. Пристрій може використовуватися для заміни оригінальної мікросхеми, а також як програвач музики.
  • V-SID 1.0 (робоча назва SID 6581D, 'D' означає "Digital", тобто цифровий) - започаткований у 2005 проект David Amoros. Це проект апаратної емуляції мікросхеми SID на основі оригінальної документації та інтерв'ю з Робертом Яннессом. В якості апаратної основи використовується ПЛІС Altera EP1C12 Cyclone, на налагоджувальної плати ALTIUM. Емулюються всі особливості оригінальної мікросхеми SID, виключаючи фільтр, який реалізований в цифровому вигляді (IIR-фільтр, керований процесором).
  • The PhoenixSID 65X81 - проект 2006, аналогічний V-SID. Його відмінність полягає в тому, що фільтр реалізований на аналогових елементах, замість програмної або цифровий апаратної емуляції.

6. MOS 6581 в масовій культурі

В 2003 відомою шведської ембієнт -групою Carbon Based Lifeforms був випущений альбом під назвою " Hydroponic Garden ". Однією з його центральних точок була композиція MOS 6581, в якій були використані звукові елементи і партії, отримані за допомогою SID (ймовірно, за допомогою SidStation).

Шведська група Machinae Supremacy, виконуюча важкий метал, активно використовує в своїй музиці оригінальні звуки SID (за допомогою SidStation). Самі учасники групи визначають стиль своєї музики як SID Metal.

Німецька синтіпоп-група Welle: Erdball практично в кожному своєму альбомі використовує Commodore 64, який вписаний до складу як п'ятий член групи. Характерне звучання його чіпа SID легко впізнається в композиціях німців.

Также, канадская группа Crystal Castles, которая определяет свой стиль, как Bitpop, во всех своих композициях активно использует SIDStation, за счёт чего и завоевала свою популярность.

Шведская группа In flames,сделала кавер на свою песню Moonshield (c64 version).

Некоторые другие исполнители также применяли в своей музыке звуки SID, или их имитацию с помощью современных синтезаторов.


7. Файловый формат SID

Існує спеціальний формат файлів, що має розширення. SID, і званий по імені мікросхеми - просто SID, або PSID. Він призначений для зберігання музики, витягнутої з ігор та інших програм для Commodore 64. У таких файлах міститься оригінальний код програвача для процесора 6502, і дані, що містять музику. Такі файли можуть відтворюватися на IBM PC спеціальними програвачами (наприклад, PlaySID або Sidplay) або плагіном для програми WinAmp. Для відтворення звуку може використовуватися справжня мікросхема SID, підключена одним з відомих методів, або її програмна емуляція. Існує колекція музики з Commodore 64, яка називається The High Voltage SID Collection. Вона містить більше 60000 пісень, збережених у цьому форматі. SID-файли мають MIME -тип audio/prs.sid.

Формат файлів. SID не є оригінальним форматом, використовуваним на комп'ютерах Commodore 64 або Commodore 128. Він створений спеціально для прослуховування музики на IBM PC-сумісних комп'ютерах та інших сучасних платформах. Однак, існують програми, що дозволяють відтворювати такі файли на оригінальних комп'ютерах Commodore.


Література

  • Appendix O, "6581 Sound Interface Device (SID) Chip Specifications", керівництва Commodore 64 Programmer's Reference Guide (див. Commodore 64).
  • Bagnall, Brian. On The Edge: The Spectacular Rise and Fall of Commodore, pp.231-238 ,370-371. ISBN 0-9738649-0-7.