MOS Technology 6581/8580 SID: Звуковой чип Commodore 64

Введение

Звуковой чип MOS Technology 6581/8580 SID (Sound Interface Device) — это встроенный программируемый звуковой генератор, использовавшийся в домашних компьютерах Commodore CBM II, Commodore 64, Commodore 128 и MAX Machine. Наряду с графическим чипом VIC II, SID сыграл ключевую роль в том, что Commodore 64 стал самым продаваемым домашним компьютером в истории, и ему отчасти приписывают зарождение демосцены.

История

SID был разработан инженером Бобом Яннесом, который позже стал соучредителем компании Ensoniq, производящей цифровые синтезаторы и сэмплеры. Яннес возглавил команду, в которую входили он сам, два техника и оператор САПР, которые спроектировали и завершили чип за пять месяцев во второй половине 1981 года. Яннес вдохновлялся предыдущими разработками в индустрии синтезаторов и был недоволен текущим состоянием компьютерных звуковых чипов. Вместо этого он хотел создать высококачественный инструментальный чип, поэтому в SID реализованы функции, такие как генератор огибающей, ранее не встречавшиеся в звуковых чипах домашних компьютеров. "Я считал, что звуковые чипы на рынке, включая те, что использовались в компьютерах Atari, были примитивными и, очевидно, разработаны людьми, не разбирающимися в музыке", – говорил он. Программист может изменять частоту среза фильтра и резонанс. Внешний аудиовход позволяет пропускать внешний аудиосигнал через фильтр. Кольцевая модуляция, фильтр и методы программирования, такие как арпеджио (быстрое циклическое изменение частот для создания звуков, напоминающих аккорды), в совокупности создают характерное звучание и ощущение музыки SID. Из-за несовершенства производственных технологий того времени и недостаточной изоляции аналоговой и цифровой частей чипа, выход 6581 (до ступени усиления) всегда был незначительно смещен от нулевого уровня. При каждом изменении регистра громкости возникал слышимый щелчок. Быстро регулируя усиление усилителя через основной 4-битный регистр громкости, этот сдвиг можно было модулировать как PCM, создавая "виртуальный" четвертый канал для воспроизведения 4-битных цифровых сэмплов. Этот эффект был известен и использовался с самого начала, в частности, компанией Electronic Speech Systems для создания речевых сэмплов в играх, таких как Impossible Mission (1984, Epyx) и Ghostbusters (1984, Activision). Первым примером использования сэмплов в музыкальных композициях стал трек Мартина Гэлви в игре Arkanoid (1987, Imagine), хотя он позаимствовал эту идею из более раннего пакета барабанных синтезаторов под названием Digidrums. Длина воспроизведения сэмплов изначально ограничивалась объемом памяти, а затем – техническими возможностями. Популярный ранний сэмпл из игры Kung Fu Fighting (1986) имеет длину воспроизведения, измеряемую секундами. c64mp3 (2010) и Cubase64 (2010) демонстрируют длину воспроизведения, измеряемую минутами. Кроме того, это требовало значительных вычислительных ресурсов – сэмплы приходилось выводить очень быстро (по сравнению со скоростью процессора 6510). Более совершенная технология производства 8580, использованная в поздних ревизиях Commodore 64C и Commodore 128 DCR, практически устранила этот сдвиг, что привело к значительному снижению громкости оцифрованных звуковых сэмплов. К счастью, уровень громкости можно было в основном восстановить либо с помощью аппаратной модификации (подключив аудиовход), либо, что было более распространенным, с помощью программного трюка, использующего форму волны Pulse для намеренного воссоздания необходимого сдвига. Этот программный трюк обычно временно делал один голос недоступным, хотя умелые музыкальные композиции могли сделать эту проблему менее заметной. Отличный пример улучшения качества, заметно уменьшающего громкость сэмплированного канала, можно услышать во вступлении к игре Electronic Arts Skate or Die (1987). Гитара рифф практически не слышен при воспроизведении на Commodore 64c или Commodore 128. На демо-вечеринке X'2008 был представлен совершенно новый метод воспроизведения оцифрованных сэмплов. Этот метод позволяет получить беспрецедентные четыре (программно смешанных) канала 8-битных сэмплов с опциональной фильтрацией поверх всех сэмплов, а также два обычных звуковых канала SID. Метод работает путем сброса осциллятора с использованием бита тестирования генератора формы волны, быстрого наращивания новой формы волны с выбранной формой волны "Треугольник", а затем отключения всех форм волны, в результате чего ЦАП продолжает выводить последнее значение, которое и является желаемым сэмплом. Это продолжается в течение двух строк развертки, что достаточно для произвольного вывода сэмплов без сбоев. Однако он более требователен к процессору, чем описанный выше трюк с 4-битным регистром громкости ЦАП. Поскольку фильтрация в чипе SID применяется после генераторов формы волны, сэмплы, полученные таким образом, могут быть отфильтрованы обычным способом. В оригинальном руководстве к SID упоминается, что если одновременно включено несколько форм волны, результатом будет побитовое И между ними. На самом деле, вход на выводы ЦАП формы волны получает сразу несколько форм волны. Например, форма волны "Треугольник" создается с помощью отдельной схемы XOR и сдвига влево. Старший бит управляет тем, инвертирует ли схема XOR значение аккумулятора, видимое ЦАП. Таким образом, одновременное включение "Треугольника" и "Пилы" приводит к смешиванию соседних битов аккумулятора на входе ЦАП. (Схема XOR не играет роли, поскольку она всегда отключена при выборе формы волны "Пила".) Форма волны "Импульс" создается путем соединения всех битов ЦАП через длинную полоску из поликремния, подключенную к логике управления импульсом, которая цифровым способом сравнивает текущее значение аккумулятора со значением ширины импульса. Таким образом, выбор формы волны "Импульс" вместе с любой другой формой волны приводит к частичному смешиванию каждого бита на ЦАП, а громкость формы волны зависит от состояния импульса. Генератор шума реализован как 23-битный линейный рекурсивный сдвиговый регистр (LFSR) с обратной связью (полином обратной связи: x^22+x^17+1). При использовании формы волны "Шум" одновременно с любой другой формой волны, подтягивание через селектор формы волны быстро приводит к обнулению всех битов в сдвиговом регистре XOR, подключенных к выходу ЦАП. Поскольку нули сдвигаются в регистр при тактировании шума, и единицы не производятся для их замены, может возникнуть ситуация, когда сдвиговый регистр XOR полностью обнулится. К счастью, эту ситуацию можно исправить, используя бит тестирования управления формой волны, который в этом случае вводит один бит 1 в сдвиговый регистр XOR. Некоторые музыканты также используют комбинацию форм волны "Шум" и бит тестирования для создания необычных звуков. Чипы 6581 и 8580 отличаются друг от друга несколькими способами. Оригинальный 6581 был изготовлен по более старой технологии NMOS, которая использовала напряжение 12 В постоянного тока. 6581 очень чувствителен к статическому электричеству, и при неправильном обращении фильтры переставали работать, что объясняет большое количество неисправных чипов 6581 на рынке. 8580 был изготовлен по технологии HMOS II, которая требует меньше энергии (9 В постоянного тока) и, следовательно, позволяет чипу работать при более низкой температуре. 8580, таким образом, гораздо более долговечен, чем 6581. Кроме того, благодаря более стабильным генераторам формы волны, эффекты смешивания битов менее заметны, и, следовательно, комбинированные формы волны близки к исходным спецификациям SID (в которых указывалось, что они будут комбинироваться как побитовое И). Фильтр также значительно отличается между двумя моделями. Диапазон отсечки 6581 напоминает сигмоидальную функцию в логарифмическом масштабе и сильно варьируется от чипа к чипу, в то время как диапазон отсечки 8580 представляет собой прямую линию в линейном масштабе и является более согласованным между чипами и близок к фактическим спецификациям разработчиков. Фильтр 8580 также может достигать более высокого резонанса. Кроме того, улучшенная изоляция между аналоговыми и цифровыми схемами сделала выход 8580 менее шумным и искаженным. Шум в системах серии 6xxx можно уменьшить, отключив аудиовход. Потребительская версия 8580 была перемаркирована как 6582, хотя кристалл на чипе идентичен стандартному чипу 8580, включая маркировку '8580R5'. Dr. Evil Laboratories использовал его в своей карте расширения SID Symphony (проданной Creative Micro Designs в 1991 году), и он также использовался в нескольких других местах, включая одну звуковую карту для ПК. Несмотря на задокументированные недостатки, многие музыканты SID предпочитают дефектный чип 6581 исправленному 8580, некоторые даже считают недостатки настоящими "особенностями", которые отличали чип SID от других звуковых чипов того времени. Основная причина этого заключается в том, что фильтр создает сильные искажения, которые иногда используются для имитации инструментов, таких как искаженная электрогитара.

The SID was devised by engineer Bob Yannes, who later co founded the Ensoniq digital synthesizer and sampler company. Yannes headed a team that included himself, two technicians and a CAD operator, who designed and completed the chip in five months in the latter half of 1981. Yannes was inspired by previous work in the synthesizer industry and was not impressed by the current state of computer sound chips. Instead, he wanted a high quality instrument chip, which is the reason why the SID has features like the envelope generator, previously not found in home computer sound chips. Blockquote|I thought the sound chips on the market, including those in the Atari computers, were primitive and obviously had been designed by people who knew nothing about music. The programmer may vary the filter's cutoff frequency and resonance. An external audio in port enables external audio to be passed through the filter. The ring modulation, filter, and programming techniques such as arpeggio (rapid cycling between frequencies to make chord like sounds) together produce the characteristic feel and sound of SID music. Due to imperfect manufacturing technologies of the time and poor separation between the analog and digital parts of the chip, the 6581's output (before the amplifier stage) was always slightly biased from the zero level. Each time the volume register was altered, an audible click was produced. By quickly adjusting the amplifier's gain through the main 4 bit volume register, this bias could be modulated as PCM, resulting in a "virtual" fourth channel allowing 4 bit digital sample playback. The glitch was known and used from an early point on, first by Electronic Speech Systems to produce sampled speech in games such as Impossible Mission (1984, Epyx) and Ghostbusters (1984, Activision). The first instance of samples being used in actual musical compositions was by Martin Galway in Arkanoid (1987, Imagine), although he had copied the idea from an earlier drum synthesizer package called Digidrums. The length of sampled sound playback was limited first by memory and later technique. Kung Fu Fighting (1986), a popular early sample, has a playback length measured in seconds. c64mp3 (2010) and Cubase64 (2010) demonstrate playback lengths measured in minutes. Also, it was hugely CPU intensive one had to output the samples very fast (in comparison to the speed of the 6510 CPU). The better manufacturing technology in the 8580 used in the later revisions of Commodore 64C and the Commodore 128 DCR caused the bias to almost entirely disappear, causing the digitized sound samples to become very quiet. Fortunately, the volume level could be mostly restored with either a hardware modification (biasing the audio in pin), or more commonly a software trick involving using the Pulse waveform to intentionally recreate the required bias. The software trick generally renders one voice temporarily unusable, although clever musical compositions can make this problem less noticeable. An excellent example of this quality improvement noticeably reducing a sampled channel can be found in the introduction to Electronic Arts' game Skate or Die (1987). The guitar riff played is all but missing when played on the Commodore 64c or the Commodore 128. At the X'2008 demo party, a completely new method of playing digitized samples was unveiled. The method allows for an unprecedented four (software mixed) channels of 8 bit samples with optional filtering on top of all samples, as well as two ordinary SID sound channels. The method works by resetting the oscillator using the waveform generator test bit, quickly ramping up the new waveform with the Triangle waveform selected, and then disabling all waveforms, resulting in the DAC continuing to output the last value which is the desired sample. This continues for as long as two scanlines, which is ample time for glitch free, arbitrary sample output. It is however more CPU intensive than the 4 bit volume register DAC trick described above. Because the filtering in a SID chip is applied after the waveform generators, samples produced this way can be filtered normally. The original manual for the SID mentions that if several waveforms are enabled at the same time, the result will be a binary AND between them. What happens in reality is that the input to the waveform DAC pins receives several waveforms at once. For instance, the Triangle waveform is made with a separate XOR circuit and a shift to left circuit. The top bit drives whether the XOR circuit inverts the accumulator value seen by the DAC. Thus, enabling triangle and sawtooth simultaneously causes adjacent accumulator bits in the DAC input to mix. (The XOR circuit does not come to play because it is always disabled whenever the sawtooth waveform is selected.) The pulse waveform is built by joining all the DAC bits together via a long strip of polysilicon, connected to the pulse control logic that digitally compares current accumulator value to the pulse width value. Thus, selecting the pulse waveform together with any other waveform causes every bit on the DAC to partially mix, and the loudness of the waveform is affected by the state of the pulse. The noise generator is implemented as a 23 bit length Fibonacci LFSR (Feedback polynomial: x^22+x^17+1). When using noise waveform simultaneously with any other waveform, the pull down via waveform selector tends to quickly reduce the XOR shift register to 0 for all bits that are connected to the output DAC. As the zeroes shift in the register when the noise is clocked, and no 1 bits are produced to replace them, a situation can arise where the XOR shift register becomes fully zeroed. Luckily, the situation can be remedied by using the waveform control test bit, which in that condition injects one 1 bit into the XOR shift register. Some musicians are also known to use noise's combined waveforms and test bit to construct unusual sounds. The 6581 and 8580 differ from each other in several ways. The original 6581 was manufactured using the older NMOS process, which used 12V DC to operate. The 6581 is very sensitive to static discharge and if they weren't handled properly the filters would stop working, explaining the large number of dead 6581s in the market. The 8580 was made using the HMOS II process, which requires less power (9V DC), and therefore makes the IC run cooler. The 8580 is thus far more durable than the 6581. Also, due to more stable waveform generators, the bit mixing effects are less noticeable and thus the combined waveforms come close to matching the original SID specification (which stated that they will be combined as a binary AND). The filter is also very different between the two models. The 6581 cutoff range resembles a sigmoid function on a log scale and varies wildly between chips, while the cutoff range on the 8580 is a straight line on a linear scale and is both more consistent between chips and close to the designers' actual specifications. The 8580 filter can achieve higher resonances as well. Additionally, a better separation between the analog and the digital circuits made the 8580's output less noisy and distorted. The noise in 6xxx series systems can be reduced by disconnecting the audio in pin. The consumer version of the 8580 was rebadged the 6582, even though the die on the chip is identical to a stock 8580 chip, including the '8580R5' mark. Dr. Evil Laboratories used it in their SID Symphony expansion cartridge (sold to Creative Micro Designs in 1991), and it was used in a few other places as well, including one PC sound card. Despite its documented shortcomings, many SID musicians prefer the flawed 6581 chip over the corrected 8580 chip, some even seeing the flaws as actual 'features' that made the SID chip distinct from other sound chips at the time. The main reason for this is that the filter produces strong distortion that is sometimes used to produce simulation of instruments such as a distorted electric guitar. Also, the highpass component of the filter was mixed in 3 dB attenuated compared to the other outputs, making the sound more bassy. In addition to nonlinearities in filter, the D/A circuitry used in the waveform generators produces yet more additional distortion that made its sound richer in character.

Замечания и подделка

Поскольку микросхемы SID 6581 и 8580 больше не производятся, они стали очень востребованными. В конце 2007 года на eBay начали появляться различные бракованные чипы, выдаваемые за "новые". Ненадежный источник: дата=январь 2012. Некоторые из этих перемаркированных SID имеют неисправный фильтр, другие – неисправные каналы или генераторы шума, а некоторые вообще не работают. Предполагается, что перемаркированные чипы – это либо заводской брак, оставшийся со времен производства, либо чипы, извлеченные из партий, использовавшихся для карт HardSID. Поддельные микросхемы SID также поставлялись ничего не подозревающим покупателям недобросовестными производителями из Китая; на чипах внутри упаковки наносилась лазерная гравировка с полностью фальшивыми маркировками, и это вообще не были чипы SID.

Аудио игры

Большинство игр, созданных для Commodore 64, использовали чип SID, предлагая звуки от простых щелчков и сигналов до сложных музыкальных композиций и даже целых цифровых аудиодорожек. Благодаря техническому мастерству, необходимому для создания музыки на этом чипе, и его универсальным возможностям по сравнению с другими звуковыми чипами того времени, композиторы для Commodore 64 описывали SID как самостоятельный музыкальный инструмент. Однако, большинство программ не использовали весь потенциал SID, поскольку неверные опубликованные спецификации вынуждали программистов применять только хорошо задокументированные функции. Некоторые ранние программы, напротив, опирались на эти спецификации, что приводило к неслышимым звуковым эффектам. Известные композиторы игровой музыки для этого чипа – Мартин Галвей, автор многих игр, включая Wizball и Times of Lore, и Роб Хаббард, создавший музыку для таких проектов, как ACE 2, Commando, Delta, International Karate, IK+ и Monty on the Run. Среди других примечательных композиторов – Джерон Тел (Cybernoid, Turbo Outrun, Robocop 3 и Myth), Бен Даглиш (The Last Ninja, Jack the Nipper, Firelord, Gauntlet), Дэвид Данн (Finders Keepers и Flight Path 737), Дэвид Уиттакер (Speedball, BMX Simulator, Glider Rider) и Крис Хюльсбек (R Type, Turrican и The Great Giana Sisters).

Записи

Тот факт, что многие энтузиасты предпочитают звучание реального чипа программным эмуляторам, привел к созданию нескольких проектов, направленных на сохранение аутентичного звука чипа SID для современного оборудования. Проект sid.oth4 содержит более 380 песен в формате MP3 высокого качества, записанных на аппаратном обеспечении HardSID, а проект SOASC= включает в себя всю коллекцию High Voltage SID Collection (HVSC), состоящую из 49 дисков (более 35 000 песен), записанных с реальных Commodore 64 в формате MP3 высокого качества. Оба проекта подчеркивают важность сохранения аутентичного звучания чипа SID. В 2016 году была запущена коллекция Unepic Stoned High SID Collection (USHSC). Это YouTube-канал, на котором загружено более 50 000 мелодий SID в виде отдельных видеороликов. USHSC основан как на SOASC=, так и на HVSC, но также загружает записи новой музыки SID, опубликованной на сайте Commodore Scene Database (CSDb). На канале представлены плейлисты, содержащие примерно по 5000 мелодий каждый.

Переоформление аппаратных средств

В 2008 году был выпущен проект HyperSID. HyperSID – это VSTi, функционирующий как MIDI-контроллер для аппаратного модуля HyperSID (синтезатор на основе чипа SID), разработанный компанией HyperSynth. SwinSID – это аппаратная эмуляция SID, использующая процессор Atmel AVR, а также реальный проигрыватель SID на базе процессора Atmel AVR. Проект V SID 1.0 (кодовое название SID 6581D, "D" – digital) от Дэвида был создан в 2005 году. Этот проект представляет собой аппаратную эмуляцию чипа SID, основанную на интервью Боба Яннеса и технических спецификациях. Движок V SID 1.0 был реализован на FPGA EP1C12 Cyclone от ALTERA, на отладочной плате ALTIUM, и эмулирует все характеристики оригинального SID, за исключением фильтра, который является цифровой версией (IIR-фильтр, управляемый процессором). Проект PhoenixSID 65X81 (2006) был направлен на максимально точное воссоздание звучания SID с использованием современного оборудования. Работа чипа SID была воссоздана на FPGA, на основе интервью с создателем SID, оригинальных технических спецификаций и сравнений с реальными чипами SID. Он отличался от подобных попыток использованием реальных аналоговых схем вместо эмуляции для легендарного фильтра SID. Однако проект был прекращен, так как Джордж Пантазопулос, руководитель проекта, скончался 23 апреля 2007 года в возрасте 29 лет. C64 Direct to TV эмулирует значительную часть аппаратной части SID, исключая некоторые функции, такие как (в основном) фильтры. Он сводит весь C64 к небольшой схеме, помещающейся в джойстик, при этом теряя некоторую совместимость. SIDcog – это программный эмулятор SID, работающий на Parallax Propeller. Все три канала могут быть эмулированы на одном из восьми COG процессора Propeller. ARMSID – это замена MOS 6581 и MOS 8580, подключаемая "plug & play", с поддержкой аналоговых входов. FPGASID – это реплика SID на основе FPGA, обеспечивающая высокое качество воспроизведения оригинального устройства, включая все функции, такие как аудиофильтры и регистры управления. Устройство представляет собой полнофункциональное стерео-решение и может заменить два чипа SID в одном сокете SID. Аппаратной базой является FPGA Altera MAX10.

In 2008 the HyperSID project was released. HyperSID is a VSTi which acts like a MIDI controller for HyperSID hardware unit (synthesizer based on SID chip) and developed by HyperSynth company. The SwinSID is hardware emulation of the SID using an Atmel AVR processor, also featuring a real SID player based on the Atmel AVR processor. The V SID 1.0 project (code name SID 6581D, 'D' for digital) from David was born in 2005. This project is a hardware emulation of the SID chip from the Bob Yannes's interview, datasheets. The V SID 1.0 engine had been implemented in a FPGA EP1C12 Cyclone from ALTERA, on an ALTIUM development board, and emulates all the characteristics of the original SID, except the filter which is a digital version (IIR filter controlled by a CPU). The PhoenixSID 65X81 project (2006) aimed to faithfully create the SID sound using modern hardware. The workings of a SID chip were recreated on an FPGA, based on interviews with the SID's creator, original datasheets, and comparisons with real SID chips. It was distinguished from similar attempts by its use of real analog circuitry instead of emulation for the legendary SID filter. However, the project was discontinued, because George Pantazopoulos, who was the head of this project, died on April 23, 2007, at the age of 29. The C64 Direct to TV emulates large portions the SID hardware, minus certain features such as (most notably) the filters. It reduces the entire C64 to a small circuit that fits into a joystick while sacrificing some compatibility. The SIDcog is a software SID emulator running on the Parallax Propeller. All three channels can be emulated on one of the Propeller's eight COG's. The ARMSID is a "plug & play" replacement of the MOS 6581 and MOS 8580 with analog inputs support. The FPGASID is a FPGA based SID replica providing high reproduction quality of the original device including all features such as the audio filters and the paddle registers. The device is a full featured stereo solution and can replace two SID chips in a single SID socket. Hardware base is an Altera MAX10 FPGA.