在Amiga上零CPU占用播放Atari ST音乐

# 免费在 Amiga 上播放 Atari 音乐！ 来源：https://arnaud-carre.github.io/2026-05-15-ym-fast-emu/ ## 读者对象 本文适合所有热爱芯片音乐技术与历史的朋友，同样也适合 Amiga PAULA 和 Atari YM2149 音频芯片的发烧友。 ## 背景 在我的 Cycle-Op 演示（https://www.pouet.net/prod.php?which=94129）中，我用一个经典的 sin-dots 特效（https://youtu.be/Mof0Cv4A98M?t=231）在 Amiga 500 上以 50 FPS 渲染了 **6405** 个点。两年后，Amiga 传奇人物 Hannibal 发布了期待已久的 3D Demo 3（https://www.pouet.net/prod.php?which=103979），其中包含大量令人印象深刻的效果。其中就有他自己的 sin-dots 记录，以 **6682** 个点超过了我的成绩。 为了锦上添花，并遵循演示场景中经典的友好调侃传统，Hannibal 给我留下了这样一条信息： > “嗨，Leonard，你作为一个 Atari 程序员，点优化得不错。但如果你像 Amiga 专家那样优化，还能剩下好几百个点呢。” 这句话太有意思了，不能不理。我必须回应，想办法打破他新的 sin-dots 记录，并作为额外奖励，用一个巧妙的花招来回敬这句‘Atari 程序员’的调侃 :\) ## 目标 作为对 Hannibal 评论的回应，我立刻想到，在未来的点记录挑战中，在 Amiga 上播放 Atari 音乐。为此，我需要模拟 YM2149 声音芯片。其实我以前在我的 AmigAtari 演示（https://www.pouet.net/prod.php?which=85276）中就为 Amiga 写过 Atari 音乐模拟器。 然而，要精确再现现代 Atari 音乐效果，比如 SID 音色、Sync Buzzer 和 Digidrums，不仅需要模拟 YM2149，还需要模拟 Atari 的硬件定时器。这种模拟极其消耗 CPU，在我的 2020 年 AmigAtari 演示中占用了大约 50% 的帧时间。这使得同时打破 sin-dots 记录变得不可能。 所以我需要一个简单得多的方案：一种完全不使用 CPU 就能在 Amiga 上播放 Atari 音乐的方法。 我的第一个粗略想法很直接：为什么不直接用 Amiga 的 PAULA 芯片来模拟 YM2149，把可怜的 Motorola 68000 完全解放出来，专心画 sin dots 呢？ ## YM2149 与 PAULA 从纸面上看，这两块芯片非常不同。 **YM2149** 是 AY-3-8910 的一个略微修改版，由雅马哈重新贴牌。它是一块相对简单的音频芯片，有三个只能产生方波的声道。有一个伪随机噪声发生器和一个基本的硬件音量包络，旨在作为廉价的 ADSR 包络（https://en.wikipedia.org/wiki/Envelope_(music)#ADSR）替代品。 **PAULA** 是 Amiga 的音频芯片，采用了完全不同的方法。它是一块 PCM 采样回放芯片，没有内置的方波、噪声生成或包络支持。PAULA 可以直接从主存中播放四个独立的 8 位有符号 PCM 采样，每个声道有自己的播放速率和音量。 对于一块 1985 年推出的芯片来说，这种设计相当先进。 ## 第一个想法和原型 大多数 Atari 音乐严重依赖方波，这使得最初的概念看起来很简单。我将一个周期的方波存储为 8 位采样，然后使用一个 PAULA 声道循环播放。 为了避免将完整的 Atari 音乐驱动移植到 Amiga，我使用了一种类似于我为超快 Amiga MOD 播放器 LSP（https://github.com/arnaud-carre/LSPlayer）开发的技术：在专用的数据流中预先计算每帧的 PAULA 状态。 计划是： - 编写一个 PC 工具，读取 Atari .sndh 音乐文件并逐帧模拟 - 以 50 Hz 的频率提取三个 YM 声道的周期和音量值 - 将这些值转换为 PAULA 兼容的周期和音量值 - 将结果存储在专用数据文件中 在 Amiga 端，播放变得极其轻量：每帧，程序只需读取几个值，更新三个 PAULA 声道的周期和音量，每个声道循环一段微小的方波采样。 ## 第一个无聊的结果 用纯粹的方波能播放什么样的 Atari 音乐？试试非常古老的 ATARI 游戏 Buggy Boy 吧。 不怎么令人兴奋，对吧？无意冒犯原始的 Atari 移植版，但纯方波听起来相当平淡，肯定不够史诗，不足以伴随未来的 Amiga sin-dots 世界纪录。 我需要更好的东西。 ## YM 包络技巧 到 1980 年代末期，几位才华横溢的演示场景音乐家发现了从 YM2149 中引出更丰富声音的方法。其中最有影响力的是 Jochen Hippel，也就是 TEX 的 MadMax。 YM 的包络硬件原本设计为简单的 ADSR 替代品，但很少按预期使用。主要原因是芯片只提供了一个包络发生器，在所有三个声道之间共享。这意味着所有声道必须使用完全相同的包络形状。 但富有创造力的音乐家发现了一个巧妙的变通方法。他们不是用包络来调制方波的音量，而是直接使用包络本身作为声源。这就产生了在许多经典 Atari 配乐（如传奇的 Thalion Software 开场）中听到的扫频、嗡嗡的质感： **我可怜的 YM 到底是怎么发出这么猛的音色的？？** 对于听着像 Buggy Boy 这样简单曲调长大的人来说，第一次听到这个简直是 revelation。这种独特的扫频效果没有官方名称，但为了本文，我们称它为 **MadMax Buzzer**。 ## 它是如何工作的 YM2149 提供了几个预定义的音量包络形状，如下图所示。 其中一些形状是三角波，一些是锯齿波。 现在想象一下这样的设置：为声道启用包络，并配置为三角形。包络频率设置得足够高，落在可听范围内。（这作为传统的 ADSR 控制毫无意义，但现在包络本身就成为了声源。） 结果是一个类似三角形的可听波形。这听起来已经很棒了，但它仍然没有达到 MadMax 示例中那种激进和扫频的感觉。缺少的成分是什么？不是仅仅播放包络，而是在声道上同时启用方波，并使用轻微失谐的频率。 当方波信号为 0 时，输出为 0。当方波为 1 时，输出是当前的包络三角形状！结果是一个复杂而动态的波形，典型的 MadMax buzzer！让我们手绘示意一下 由于两个频率轻微失谐，就产生了那种动态、扫频的典型 MadMax 声音！现在你可以通过查看经典 MadMax 曲目“Leavin Teramis”中的 **voice B** 来了解这是如何工作的。注意由于失谐的方波，三角包络形状是如何随时间演变的。 *注意：三角波形看起来相当圆润，因为 YM2149 包络是对数而非线性的（并且只有 32 个离散值）* ## 如何用 PAULA 模拟这些包络技巧？ PAULA 是一块令人惊讶的芯片。很久以前我记得读过关于它可以调制周期或音量的功能。查看 PAULA 硬件手册，可以看到有一种称为“attached”声道的模式。在这种模式下，一个 PAULA 声道可以用来调制另一个声道的周期或音量。 在某种程度上，这个功能类似于 YM2149 的 ADSR 包络。不是技术上的相似，而是因为这两个功能大多数 Atari 和 Amiga 程序员都忽略了！:\) 据我所知，没有 Amiga 游戏使用它。而且我只知道一个演示（https://youtu.be/OK_U9UnZoNs?t=35）使用了音高调制选项。（可能是因为作为 ADSR 替代品不太实用：每调制一个声道就要消耗一个宝贵的 PAULA 声道）。相反，Amiga 追踪器使用 CPU 以音乐驱动速率驱动声道音量。这不如逐采样点音量调制精确，但对于游戏和演示来说已经足够好了。 YM2149 有 3 个声道。PAULA 有 4 个。那么为什么不用其中 3 个来模拟 YM 方波，而用第 4 个 PAULA 声道作为音量调制器呢？这听起来是个好计划！一个 Atari 程序员可能是最早利用这个被低估的 PAULA 功能的人之一 :\) 让我们看看 PAULA 手册中描述的调制器数据格式。 在正常模式下，每个 16 位字代表两个 8 位有符号 PCM 采样（蓝色圆圈）。在“音量调制”模式下，每个 16 位字代表一个 PAULA 音量值（绿色圆圈）。 结果，调制数据的运行速率是音频采样播放速率的一半（每两个 8 位采样对应一个音量值）。后面会有更多讨论。 在 Amiga 内存中，我们现在有一个 8 位方波： `` AmigaSquareWave: dc.b $7f,$7f,$7f,$7f,$7f,$7f,$7f,$7f,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00,$00 `` *注意：我没有使用全范围的方波（-128..+127），而是用了 (0..127)，这样半个周期是 0 而不是 -128，以便在被包络调制时正确产生 0 输出* 以及一个 16 位的三角波，代表音量值。（记住音量调制数据是 16 位的，尽管它只包含 [0..64] 范围内的 PAULA 音量值） `` AmigaVolumeModulatorTriangleWave: dc.w 0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,2,2,3,3 dc.w 4,5,6,7,9,11,13,15,19,22,26,31,38,45,53,64 dc.w 64,53,45,38,31,26,22,19,15,13,11,9,7,6,5,4 dc.w 3,3,2,2,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0 `` *注意：它不是线性的三角形，因为 YM2149 音量的对数特性* 当我的 PC 离线工具检测到某个声道同时有 YM 包络和方波时，Amiga 重放器将启用这种 PAULA attached 模式，并使用来自声道 0 的 16 位三角波来调制声道 1 的音量。让我们通过隔离 **Leavin Teramis, song 9** 中的 MadMax buzzer 来做个测试。 首先是音频参考，使用我的 Atari 音频模拟库（https://github.com/arnaud-carre/sndh-player/tree/main/AtariAudio）在 PC 上生成。 您的浏览器不支持音频元素。然后是通过 WinUAE Amiga 模拟器输出的仿真结果，使用了奇怪的 PAULA “attached voice” 功能： 您的浏览器不支持音频元素。天哪，这声音真难听。完全不像参考音……为什么呢？ ## 音频调试 让我们用 Audacity 看看这两个输出。 这是来自 AtariAudio PC 模拟库的参考： 而现在使用“attached voice”调制技巧的 Amiga WinUAE 输出： 我们可以清晰地发现问题所在。调制包络看起来很粗糙：期望的平滑三角波分辨率非常低，有大的、明显的音量阶梯。 这很容易解释。回想一下，在 attached voice 模式下，每两个输出采样只有一个音量值。当我们以所需的音乐速率对三角波进行采样时，许多中间值被直接跳过。结果就是这种不连贯的波形。 我想了很久，尝试调整波形的分辨率、调制器的音高和其他参数。没什么真正奏效。无论我怎么尝试，调制器数据的低速率总是产生同样粗糙的结果。 我几乎要放弃了，打算为未来的 sin-dots 记录使用经典的 Amiga MOD…… 然后…… ## “尤里卡”时刻！ 有一天晚上躺在床上，主意来了！（我注意到大多数“尤里卡”时刻恰好发生在即将入睡的时候 :\) ） 还记得 Atari 音乐家们是如何开创性地使用 YM2149 包络，以原始芯片设计者从未想过的方式吗？为什么不对 PAULA 也这样做呢？ attached voice 的低频数据本应是包络形状，用来调制一个 8 位方波信号。但如果我们简单地交换角色呢？我们把三角包络存为 8 位采样，而使用一个方波“音量”波作为调制器。结果应该相同，但方波并 **不** 需要三角波那样的高分辨率！ 只需改几行代码。现在方波存储为 16 位调制器格式（高为 64，低为 0）。 `` AmigaSquareWaveAsModulator: dc.w 64,64,64,64,64,64,64,64,0,0,0,0,0,0,0,0 `` 而三角包络形状将由标准的 8 位 PCM 播放，分辨率更高（0..+127） `` AmigaVolumeModulatorTriangleWaveAs8bitsPCM dc.b $00,$00,$00,$00,$01,$01,$01,$01,$02,$02,$03,$03,$04,$05,$06,$07 dc.b $09,$0b,$0d,$0f,$12,$16,$1a,$1f,$25,$2c,$35,$3f,$4b,$59,$6a,$7f dc.b $7f,$6a,$59,$4b,$3f,$35,$2c,$25,$1f,$1a,$16,$12,$0f,$0d,$0b,$09 dc.b $07,$06,$05,$04,$03,$03,$02,$02,$01,$01,$01,$01,$00,$00,$00,$00 `` 让我们看看 WinUAE 的输出吧！ 并听听新的 AMIGA 输出！ 您的浏览器不支持音频元素。成功了！ ## 最终实现 0 CPU 到目前为止，一切顺利：我们可以用那种类似 MadMax buzzer 的声音播放优美的 Atari 音乐了。我们的播放器也非常快（不到一条光栅扫描线），因为每帧只需要设置几个 PAULA 寄存器。但我们不是承诺过 **“0% CPU 负载”** 吗？ Amiga 是一台了不起的机器，装满了自定义芯片。其中之一是 COPPER。COPPER 是一个非常简单但极其强大的协处理器，与 68000 CPU 完全并行运行。它执行来自“COPPER 列表”的自己的指令，并且只支持两种操作： - 向任何 Amiga 自定义芯片寄存器（包括 blitter、颜色、屏幕、PAULA）写入一个立即值 - 等待特定的屏幕位置 那么，为什么不预生成大量微小的 COPPER 列表，每个音乐帧一个呢？每个列表将包含所有对 PAULA 寄存器所需的“写”命令。这将完全解放 68000。由于 COPPER 还可以更新指向下一个 COPPER 列表的指针，我们可以构建一个完全自动、自链接的序列，让它在没有 CPU 干预的情况下自行播放 Atari 音乐。 最终，YM2149 模拟器真正使用了 **0% 的 CPU**！甚至连 **一条 68000 指令** 都不用！:\) ## 最终成果 以下是新的 sin-dots 记录成果！我们成功显示了 **7210** 个点，而之前是 6682 个，同时还播放着 Atari 音乐！还不错，对吧？:\) （我可能会再写一篇博文解释如何达到这个 7210 点的结果。） 另外，请欣赏 BigAlec 创作的精彩 Atari 音乐，它完美展示了类似 MadMax buzzer 的效果！ 您也可以在这里下载演示（https://www.pouet.net/prod.php?which=104190）。 享受吧！