Pavel Tišnovský
2021
Velkým konkurentem společnosti Atari v oblasti vývoje a prodeje osmibitových domácích mikropočítačů byla firma Commodore Business Machines (CBM), která mj. stála za vývojem i prodejem osmibitových domácích počítačů Commodore, včetně slavného počítače C64. Jak bývalo v minulosti zvykem, i firma Commodore (ostatně naprosto stejně, jako tomu bylo v případě konkurenční Atari) si pro čipovou sadu (chipset) svých domácích mikropočítačů vyvinula vlastní zákaznické čipy, včetně úspěšného grafického čipu VIC II a dnes popisovaného zvukového čipu SID.
Zkratka SID je odvozena z plného anglického názvu Sound Interface Device, tento integrovaný obvod je však také známý pod svým číselným označením – původní série vyráběná v technologii N-MOS nesla číslo 6581 a novější verze vyráběná na základě technologie H-MOS se označovala číslem 6582, popř. 8580 (tato série se však zvukově poněkud liší od série původní). Počáteční číslice 65 pochopitelně odkazují na mikroprocesor MOS 6502.
V následující tabulce jsou vypsány všechny vyvinuté série čipu SID:
Série Označení na čipu Technologie 6581 R2 6581 N-MOS 6581 R3 6581 R3 N-MOS 6581 R4 6581 R4 N-MOS 6581 R4 AR 6581 R4 N-MOS 6582 A 6582 A H-MOS 8580 R5 8580R5 H-MOS
6581 Původní dostupná varianta,
R1 se neprodávala (není tedy
ani uvedena v tabulce).
6581 R3 Vyráběna do roku 1986, někdy
též označena jako 6581 CBM.
6581 R4 Vyráběna v průběhu roku 1986.
6581 R4 Vyráběna od konce roku 1986
do roku 1990.
6582 A Vyráběna okolo roku 1992
(některé kusy i později).
8580R5 Vyráběna v letech 1987 - 1992.
Vývoj zvukového čipu SID vedl Robert "Bob" Yannes, který později založil firmu Ensoniq vyrábějící zvukové syntetizéry i zvukové karty určené pro profesionální a poloprofesionální použití. Vzhledem ke značně krátkému termínu, kdy měl být čip SID dokončený, došlo k poměrně nepříjemné věci známé například i ze softwarového vývoje – tvorba dokumentace k finální verzi čipu se odložila a ve skutečnosti nebyla nikdy ve své úplnosti dopsána.
To vedlo k zajímavému paradoxu – zvukový čip sice pracoval (a to velmi dobře, zejména když vezmeme v úvahu jeho minimalistický hardware poplatný době vzniku a technologickým možnostem), ale existující dokumentace (platná pro vývojové verze) neodpovídala finálnímu výrobku, což pro mnoho lidí znamenalo určitou formu dobrodružství při hledání všech možností, které tento čip pro tvorbu hudby poskytoval.
SID se nicméně i přes tento malý handicap rozšířil, v neposlední řadě i díky úspěchu osmibitového domácího mikropočítače Commodore C64, kterého se prodalo několik desítek milionů kusů. Časopis Byte dokonce SID zařadil mezi dvacet nejdůležitějších čipů v historii počítačů. Unikátní zvukové možnosti SIDu jsou dodnes využívány v některých syntetizérech, především v SIDStation. Dále je SID použit v HardSIDu a MSSIAH, s velkou pravděpodobností pak ještě v dalších podobně koncipovaných zvukových zařízeních.
Podívejme se nyní na zapojení vývodů čipu SID (viz obrázek).
Na tomto zapojení můžeme vidět, že se jedná o poměrně malý integrovaný obvod s 28 piny, na rozdíl od "konkurenčního" čtyřicetipinového čipu POKEY (Atari), jenž měl poměrně velké množství pinů určených pro připojení klávesnice, sériové sběrnice a pro další veskrze "neakustické" účely. Část pinů čipu SID je digitální (dvoustavová), například část určená pro připojení k adresové a datové sběrnici (úrovně odpovídají technologii N-MOS a H-MOS).
Další piny jsou ovšem analogové – vstup zvuku, výstup zvuku, připojení kondenzátorů pro filtry atd. Navíc SID vyžaduje dvoje napájecí napětí, a to konkrétně standardních 5 V a navíc i poměrně nestandardních 9 V pro analogovou část (novější verze mají toto napětí snížené, takže čip vyzařuje méně tepla, nehledě na jednodušší zapojení celého počítače či zvukového zařízení).
Na druhém obrázku je zobrazena bloková struktura zvukového čipu SID. Z tohoto obrázku je patrné, že existuje více navzájem propojených bloků, ve kterých se zvuky vytváří a modifikují. Některé bloky jsou sestaveny z digitálních prvků, další bloky jsou čistě analogové, což přispívá k unikátnímu (a mnohdy i snadno rozpoznatelnému) zvuku.
Základ celého řetězce, ve kterém zvuk vzniká, tvoří tři generátory periodického signálu, jehož tvar může být obdélníkový s nastavitelnou střídou, trojúhelníkový či pilový (SID nedokáže automaticky vygenerovat sinusovku, podobně jako mnoho dalších zvukových čipů osmibitové éry, na druhou stranu je tón generovaný sinusovkou plochý, tedy i bez vyšších harmonických).
Tón, resp. přesněji řečeno periodický signál, který vychází z generátoru, je upraven v amplitudovém modulátoru, jenž dokáže amplitudu měnit na základě obálky specifikované čtveřicí hodnot známých pod souhrnným označením ADSR, neboli attack, decay, sustain a release.
Před vstupem signálu do amplitudového modulátoru lze dva vybrané zvukové signály podrobit kruhové modulaci (ring modulation), jejíž použití taktéž vede k vytvoření unikátních a pro SID typických zvuků.
Signál, který vznikne po aplikaci kruhové modulace a modulace amplitudové, může být buď přímo zesílen a poslán na výstup (taktéž k němu lze přičíst externí signál, například z dalšího SIDu, fajnšmekři dokonce mohou zkombinovat SID a POKEY nebo SID a AY-8910), nebo může být dále zpracován v bloku analogových filtrů.
Podle aktuální konfigurace čipu lze použít filtr typu dolní propust, horní propust či pásmová propust.
Konkrétní rozsahy frekvencí pro zmíněné filtry jsou určeny kapacitou kondenzátorů připojených k čipu SID (vstupy CAP1A, CAP1B, CAP2A a CAP2B, používají se kondenzátory s přibližnou kapacitou 6,8 nF) a nastavením 11bitové hodnoty do dvojice řídicích registrů.
Zvukový čip SID je možné ovládat s využitím 29 osmibitových registrů, které jsou rozděleny do pěti skupin:
Generátory signálů tvoří první část celého řetězce vytvářejícího zvuk. Čip SID může pro každý zvukový kanál produkovat periodické signály tří typů (obdélníkový, trojúhelníkový, pilový), popř. lze použít zdroj šumu (noise), který se v praxi využívá, podobně jako v případě minule popsaného zvukového čipu POKEY, například na napodobení zvuku perkusních nástrojů (některé hudební skladby však místo toho využívají zdigitalizované vzorky skutečných perkusních nástrojů).
Frekvence těchto signálů je odvozena od frekvence hodin (hodinový signál je přiváděn na pin fi2) a šestnáctibitového čísla ukládaného do dvojice řídicích registrů – každý zvukový kanál samozřejmě může mít nastavenou odlišnou frekvenci. Při použití hodinového signálu s frekvencí 1 MHz (přibližně tato frekvence je použita i u osmibitových domácích počítačů Commodore) je rozsah generovaných tónů roven téměř osmi oktávám s velmi malým krokem, který umožňuje plynule přecházet od jedné noty k notě druhé (portamento). V rozsahu zmíněných osmi oktáv lze pro každý zvukový kanál zvolit jeden ze 65536 různých tónů (2^16=65536).
Obdélníkový signál, který obsahuje největší podíl vyšších harmonických (nejméně jich má signál trojúhelníkový, jehož tvar je nejvíce "podobný" sinusovce), je zvláštní tím, že je u něj možné volit jeho střídu, tj. poměr mezi dobou trvání nízké a vysoké úrovně. Střída neovlivňuje základní frekvenci signálu ale spektrální charakteristiku vyšších harmonických.
V případě SIDu se střída nastavuje v rozsahu 0 až 100 % pomocí dvanáctibitového čísla uloženého do dvojice řídicích osmibitových registrů (vyšší čtyři bity druhého registru zůstávají nevyužity).
Při nastavení hodnoty 2047 se generuje obdélníkový signál se střídou 1:1, naopak nejvyšší hodnota (4095) vede k tomu, že z generátoru signálu vychází pouze stejnosměrná složka (DC). Ta sama o sobě samozřejmě není slyšitelná, lze ji však přesto využít, například pro sampling nebo pro netradiční generování tónů pouze pomocí změny tvaru obálky (viz další kapitoly). Střídu je možné měnit velmi rychle, čehož se někdy využívá například ve hrách pro napodobení zvuků některých zbraní.
Důležitou součást řetězce generujícího zvuk tvoří dva bloky, pomocí nichž je možné tvarovat takzvanou obálku. Obálkou se řídí amplituda signálu na výstupu z bloku označeného Amplitude Modulator. Do tohoto bloku vstupují dva signály:
S využitím obálky je možné zvukový signál upravit tak, aby se do značné míry podobal tónu reálného hudebního nástroje, což je i jeden z důvodů, proč se obálky stejného typu (nazývané ADSR – důvod je uveden v dalším odstavci) používají i v mnoha hudebních syntetizérech a některých dalších zvukových čipech (z těch známějších se jedná o OPL-2/Yamaha YM 3812 a OPL-3/Yamaha YMF 262).
Základní tvar obálky je určen čtveřicí parametrů – attack (doba či strmost náběhu první hrany), decay (doba či strmost druhé – klesající/sestupné – hrany), sustain (stabilní úroveň signálu obálky po prvotním vzrůstu a poklesu, většinou vyjadřovaná v procentech amplitudy) a release (doba či strmost poslední – klesající – hrany). Pro každý z těchto parametrů je v řídicích registrech zvukového čipu SID vyhrazena čtveřice bitů.
Čtyřbitová hodnota parametru attack určuje dobu náběhu v rozsahu 2 ms až 8 sekund (předpokládá se, že na vstup hodin fi2 je připojen hodinový signál s frekvencí 1 MHz; v případě odlišné frekvence se pochopitelně budou lišit i uvedené časy).
Hodnoty parametrů decay a release určují dobu trvání sestupných hran v rozsahu 6 ms až 24 sekund, tj. sice se u nich též používá pouze čtyřbitová hodnota, ale všechny časy jsou třikrát delší. Hodnota parametru sustain představuje zlomek amplitudy v rozsahu 0/15 (tj. ticho – na výstupu z bloku Amplitude Modulator je stále signál s nulovou amplitudou) až 15/15 (odpovídá 100 %).
Povšimněte si, že čtyři výše uvedené parametry nejsou pro úplné popsání tvaru obálky dostatečné. Především chybí určení doby, po kterou si obálka drží úroveň sustain a taktéž amplituda, tj. maximální úroveň signálu obálky v bodě, kde se náběžná hrana attack láme a mění se v sestupnou hranu decay. Tyto dva parametry jsou totiž nastavovány samostatně.
Maximální úroveň signálu obálky je vždy nastavena na 100 %, ovšem s tím, že výstupní úroveň z celého řetězce pro generování zvuků je globálně ovlivnitelná čtyřmi bity jednoho řídicího registru. Doba trvání úrovně sustain je určena bitem GATE ukládaným do jednoho z řídicích registrů, zvlášť pro každý zvukový kanál.
Ve chvíli, kdy je tento bit nastaven na logickou jedničku, spustí se cyklus attack (obálka se začne měnit dle náběžné hrany), za nímž automaticky následuje cyklus release (první sestupná hrana) až do chvíle, kdy se úroveň obálky ustálí na hodnotě sustain. Tato hodnota se udržuje tak dlouho, dokud má bit GATE hodnotu logické jedničky. Ve chvíli, kdy se programově tento bit vynuluje, začne probíhat cyklus release, tj. úroveň obálky se snižuje až k nule.
Poznámka: například u čipů OPL2 a OPL3 se namísto bitu GATE používá bit nazvaný KEY-ON, ovšem s velmi podobným významem.