О программировании звуковых плат Sound Blaster 16 в режиме full duplex.
Первые вычислительные машины были совершенно непохожи на нынешние. Обычно они оснащались лишь набором тумблеров и рядами лампочек и не имели ни клавиатуры, ни дисплея, не говоря уж об аудиоустройствах. Однако уже тогда программисты пытались заставить этих монстров издавать различные звуки, причем иногда даже воспроизводить какое-нибудь музыкальное произведение. Например, они добились того, что магнитные сердечники, используемые в качестве запоминающих устройств, исполняли полонез Огинского.
Но естественно, ЭВМ постоянно совершенствовались, и потому к моменту появления ПК клавиатура и дисплей воспринимались всеми как вполне стандартные устройства ввода-вывода. Не был забыт и звук. В дисплейный блок или клавиатуру, подключаемую к главной ЭВМ, как правило, встраивался маленький динамик, издававший всякие гудки, щелчки, а порой и что-то более сложное. Терминалом большой ЭВМ и руководствовались при создании ПК.
С самого начала IBM PC не повезло со звуком. К сожалению, фирма-разработчик решила, что ее детище будет предназначено исключительно для делового применения. Поэтому при достаточно высокой производительности (16-разрядный процессор) и широких графических возможностях (цветной графический дисплей) этот ПК не только не превосходил, но зачастую и уступал по звучанию своим 8-разрядным собратьям. Его одноразрядный звук использовался в основном лишь для сигнализации о неисправностях аппаратуры или об ошибках оператора.
Однако IBM PC имел открытую архитектуру, и как только звук понадобился (сначала для игр), сразу была создана отдельная аудиоплата, вставляемая в разъем расширения. Такие устройства (Game Blaster фирмы Adlib) умели синтезировать несложный музыкальный звук, но с появлением Sound Blaster стало возможным записывать на IBM-совместимом компьютере и воспроизводить монофонический звук, хотя лишь 8-разрядный. Позднее появились платы, обеспечивающие стереофоническое звучание, а затем и использующиеся для оцифровки 16 разрядов. Правда, если первые звуковые платы старались сделать совместимыми сначала с Creative Sound Blaster, а затем с Creative Sound Blaster Pro (8-разрядные моно- и стереоплаты соответственно), то после перехода на 16-разрядный звук каждый разработчик пошел своим путем.
Что-то похожее происходило позже и с видеоадаптерами. Пока законодателем мод в области ПК считалась IBM, существовали и стандарты де-факто на видеоадаптеры: сначала был CGA, потом EGA, на смену которому пришел VGA... Однако когда IBM уступила лидерство, на рынке ПК появилась масса видеоплат, объединяемых общим названием SuperVGA (SVGA), но совершенно несовместимых друг с другом.
Обратимся снова к аудиоплатам. К тому времени как наметился переход с 8- на 16-разрядный звук, фирма Creative Labs, пионер в области разработки аудиоплат, перестала играть на рынке доминирующую роль. Да и старания производителей защититься от конкурентов путем патентования всех новшеств явно не способствовали формированию нового стандарта де-факто. Но если в области видеоадаптеров благодаря усилиям ассоциации VESA удалось навести хоть какой-то порядок, то с аудиоплатами подобная идея была обречена на провал. Звуковые платы, в отличие от видеоадаптеров, не имеют ПЗУ с драйверами, позволяющими нивелировать особенности аппаратуры и создавать более или менее унифицированный интерфейс с прикладными программами. Да и сама поддержка звука на уровне BIOS не была предусмотрена конструкторами IBM. Все это привело к тому, что до сих пор не появился стандарт на 16-разрядный звук, и послужило, пожалуй, одной из главных причин отказа от DOS в качестве основной платформы для компьютерных игр и перехода на Windows+DirectX.
Однако если в офисе и дома Windows практически вытеснила другие ОС, в некоторых областях профессиональной сферы, например там, где нужны работающие в реальном времени программы, DOS еще не сдала своих позиций. Тем более что отдельные возможности, имеющиеся в DOS, попросту нереализуемы в Windows.
Когда фирма Creative Labs разрабатывала свою первую 16-разрядную плату Sound Blaster 16, она, видимо, и не предполагала, что эту аудиоплату можно будет использовать одновременно и для записи, и для воспроизведения звука (работа в так называемом режиме full duplex). Наверное, именно поэтому данный режим не поддерживается и в драйверах для Windows. Однако его можно запрограммировать в DOS. Правда, передача в таком случае получается несколько несимметричной: в одном направлении звук будет 16-, а в другом — 8-разрядным. Впрочем, вряд ли это серьезно ограничивает реальные применения подобной технологии. При использовании ПК для общения «как по телефону» 8-разрядного звука вполне достаточно, а при записи и сведении фонограммы одновременно с 16-разрядным режимом записи можно обойтись контрольным прослушиванием всего в 8 разрядов. Когда же ПК играет роль измерительного прибора, а звуковая плата — дешевых ЦАП/АЦП, разрядности получаемого сигнала обычно бывает достаточно, по крайней мере в одну сторону. В противном случае следует заменить звуковую плату специализированным прибором. Правда, такая несимметричность затрудняет использование ПК в качестве гитарного процессора, ревербератора или эквалайзера, но вообще-то для концертной деятельности компьютер не слишком подходит.
* * *
Программа, иллюстрирующая, каким образом можно применять звуковую плату Creative Labs Sound Blaster 16 или совместимые с ней, например AWE32, приведена в листинге 1. Она реализует простейшее эхо: записанный через микрофон звук спустя некоторое время воспроизводится через громкоговорители, подключенные к выходу аудиоплаты.
Сначала необходимо убедиться, что звуковая плата способна работать в режиме full duplex. Проще (и безопаснее) всего это сделать с помощью переменной окружения ?BLASTER?. Подобным способом следует определить и базовый адрес порта ввода-вывода, а также номера используемых IRQ и канала DMA. Программа, выполняющая разбор переменной окружения, приведена в листинге 2. Плата должна быть 6-го типа, а номера 8- и 16-разрядного каналов DMA — различаться.
Затем следует проинициализировать DSP (Digital Signal Processor — цифровой процессор сигналов) и установить режим микшера, для управления которым имеются два адреса портов: базовый+4 (для задания номера регистра) и базовый+5 (для записи/чтения нужной величины). Назначение регистров микшера приведено в табл. 1.
Несколько пояснений к табл. 1. Регистры до 2Еh включительно служат для совместимости с предыдущими моделями Sound Blaster, однако, поскольку глубина регулировки уровня в последних моделях возросла, необходимо ввести новые регистры. Старые дублируют старшие биты новых регистров того же назначения. Шаг регулировки громкости у старых регистров — 4 дБ, а у новых — 2 дБ. Появление регистра 3Сh позволяет отключить источники сигнала без изменения положения регуляторов уровня, а добавление регистров 3Dh—3Eh — подключать входные сигналы в любом порядке. Например, можно подсоединить правый канал CD к левому звуковой платы, а правый канал линейного входа смешать с микрофоном и снова послать в правый канал. Кроме того, появились входные и выходные аттенюаторы с шагом 6 дБ и регуляторы тембра с шагом 2 дБ, а также стала возможной автоматическая регулировка уровня микрофонного входа. В случае монофонического сигнала все регулировки осуществляются по левому каналу.
После сброса DSP и установки режима работы микшера следует создать в оперативной памяти два буфера: для записываемого звука и для воспроизводимого. Поскольку и запись и воспроизведение будут осуществляться через DMAC (Direct Memory Access Controller — контроллер прямого доступа к памяти), к расположению буферов предъявляются некоторые дополнительные требования. Во-первых, они должны находиться в нижнем мегабайте адресного пространства. В реальном режиме работы процессора это выполняется всегда, а о том, как сделать такое в защищенном, рассказано в статье «Программирование Sound Blaster в защищенном режиме процессора» (см. «Мир ПК», № 3/98, с. 48). Во-вторых, буфер не должен пересекать границы 64-Кбайт страниц, поэтому при выделении памяти под него сначала следует проверить, хватит ли места для размещения буферов записи и воспроизведения до конца текущей страницы. Если его окажется недостаточно, то нужно запросить всю память до конца данной страницы, чтобы начало свободной памяти (кучи) совпало с началом следующей, где будут размещены буферы.
Для каждого из буферов определяются номер 64-Кбайт страницы и смещение в ней, которые надо затем сообщить контроллеру прямого доступа к памяти (DMAC). Процедуры работы с DMAC и цифровым сигнальным процессором (DSP) приведены в листинге 3. При инициализации режим работы контроллера необходимо записать в регистр 0Bh для 8-разрядного режима или в регистр D6h — для 16-разрядного. Значения отдельных битов этих регистров приведены в табл. 2.
Запись и воспроизведение звука — процессы непрерывные и требующие одновременной работы как пары DMAC—звуковая плата, так и процессора для подготовки данных или их использования. Поэтому возникает вопрос, каким образом организовать работу, чтобы процессор и DMAC не мешали друг другу, используя одну и ту же область памяти. Выход был найден. Звуковой буфер стали делить на две части, причем в DMAC передается полная длина буфера, а в DSP звуковой платы — только половина ее. Тогда аппаратные прерывания будут генерироваться в начале и в середине периода воспроизведения всего буфера. А в случае, когда DMAC работает с первой половиной буфера, процессор может обрабатывать вторую, и наоборот.
После программирования DMAC то же самое проделывается и с DSP звуковой платы. Сначала надо установить частоту дискретизации, сообщив ему константу времени
t = 256 — 1 000 000 / f,
где f — частота дискретизации.
Затем следует задать команду на запись/воспроизведение звука. Для Sound Blaster 16 проще всего выбрать команды Bx/Cx, состоящие из четырех байтов: Command, Mode, LenLo, LenHi.
Формат первого байта Command приведен в табл. 3, а второго байта Mode — в табл. 4.
Байты LenLo и LenHi — младший и старший в соответствии с длиной передаваемого блока, уменьшенной на единицу.
Команды Bx/Cx позволяют задавать как знаковый, так и беззнаковый вид представления отсчетов. При знаковом отсчет представляет собой целое число со знаком, принимающее значение 0 при отсутствии входного сигнала, при беззнаковом — целое число без знака, равное 80h для 8-разрядного режима и 8000h для 16-разрядного при отсутствии входного сигнала.
Стандартом де-факто является представление 8-разрядных отсчетов в беззнаковой форме, а 16-разрядных — в знаковой, однако для упрощения процедуры преобразования в приводимой программе обе величины выбраны знаковыми.
После программирования микшера следует установить свои процедуры обработки прерываний от звуковой платы и только потом можно будет задавать режимы DMA и DSP. Затем процессор свободен для выполнения любой другой работы, например с экраном, как это практикуется в компьютерных играх. В данной же программе просто происходит ожидание ввода с клавиатуры. Однако время от времени работу процессора будут приостанавливать прерывания, поступающие со звуковой платы по окончании пересылки очередной порции данных. В задачу обработчика прерываний входит определение номера канала, по которому пришло прерывание. Дело в том, что и 8-разрядный, и 16-разрядный ввод-вывод, и даже внешний MIDI-интерфейс (MPU-401) генерируют одно и то же аппаратное прерывание. Для того чтобы различать их между собой, в адресном пространстве регистров микшера имеется порт номер 82h (регистр статуса прерываний), определяющий источник прерывания (табл. 5).
Обработчик прерывания должен сообщить звуковой плате, что ее прерывание принято и обработано, для чего необходимо осуществить чтение из порта 0Eh или 0Fh для 8- либо 16-разрядного режимов соответственно.
После прихода прерываний от канала записи и от канала воспроизведения можно считать, что соответствующие половины буферов записи и воспроизведения уже обработаны звуковой платой и пора копировать данные из одного буфера в другой. Так как в обоих случаях была выбрана одинаковая (знаковая) форма представления данных, то их преобразование сводится лишь к переписыванию старших байтов значений двухбайтовых звуковых отсчетов из входного буфера в выходной.
По завершении отработки прерывания следует осведомить об этом контроллер прерываний (с учетом каскадирования).
После нажатия на программа приостанавливает и 8-, и 16-разрядные операции ввода-вывода и восстанавливает векторы прерываний.
Выше приведен выборочный список команд DSP, которые применяются при записи и воспроизведении звука (табл. 6). Здесь не рассматриваются непосредственный ввод-вывод, не использующий DMAC, ввод-вывод с компрессией и MIDI-команды.