В обе стороны

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.

Листинг 1. Простейшее цифровое эхо

program echo;
uses dsp_dma,getsbinf;
{Ввод звука - 16 бит со знаком, вывод - 8 бит со знаком.}

const
   BufSize   = 2*1024;              { размер буфера DMA }
   TimeConst = 156;             { 156 - примерно 10 кГц }
   HalfBufToFill  : integer = 0; 
                 { которая половина буфера DMA свободна }
   BothBuf        : byte    = 0;
                   { индикатор заполнения обоих буферов }
type
   RecBufType  = array[0..BufSize-1]of integer;
                                { для буфера DMA записи }
   PlayBufType = array[0..BufSize-1]of shortint;
                       { для буфера DMA воспроизведения }
var
   RecBuf  : ^RecBufType;         { буфер DMA для записи}
   PlayBuf : ^PlayBufType;{буфер DMA для воспроизведения}
   inpage,   outpage   : word; {страницы для буферов DMA}
   inoffset, outoffset : word; {смещения для буферов DMA}

{$F+}
procedure SBint;interrupt;
                {обработчик прерывания от звуковой платы}
var
   intstat : integer;
   i : integer;
begin
   Port[base + $04] := $82;
          {проверяем, по какому каналу пришло прерывание}
   intstat := Port[base + $05] and 3;
   BothBuf := BothBuf or intstat;
   if (intstat and 2 <> 0) then begin  {16-битовый канал}
      i := Port[base + $0F];
   end;
   if (intstat and 1 <> 0) then begin {8-битовый канал}
      i := Port[base + $0E];
   end;
   if BothBuf = 3 then begin
                {если прошли прерывания от обоих каналов}
      for i := 0 to BufSize div 2 - 1 do
         PlayBuf^[HalfBufToFill*BufSize div 2 + i] :=
            hi(RecBuf^[HalfBufToFill*BufSize div 2 + i]);
      write(HalfBufToFill,#8);
                {выводим на экран номер половинки буфера}
      HalfBufToFill := HalfBufToFill xor 1;
      BothBuf := 0;
   end;
   if (irq > 8) then  
  {для  IRQ 10, посылаем сигнал EOI во второй контроллер}
      Port[$A0] := $20;
   Port[$20] := $20;  { посылаем EOI в первый контроллер}
end;
{$F-}

var
   SkipLength : longint;
           {размер памяти до границы 64-Кбайт страницы}
   SkipBlock  : pointer;
begin
   writeln(‘               Эхо - Sound Blaster 16 в ‘,
                                   ‘режиме full duplex’);
   writeln(‘                   для завершения работы ‘,
                                        ‘нажмите Enter’);

   GetBlasterInfo;     {определяем характеристики карты}
   if (cardtype <> 6) then begin
            {Проверка, что на плате возможен full duplex}
      writeln(cardtype);
      writeln(
     ‘Для работы программы необходим Sound Blaster 16.’);
      halt;
   end;
   if (dma8 = dma16) then begin
      writeln(‘Ошибка: совпадение 8-битового и ‘,
                              ‘16-битового каналов DMA.’);
      halt;
   end;

   SetMixer; {сброс DMAC и установки микшера}

   getmem(SkipBlock,16);
       {проверка, чтобы буферы не пересекали границу 64К}
   SkipLength := $10000 - (seg(SkipBlock^) shl 4) 
                                       - ofs(SkipBlock^);
   freemem(SkipBlock,16);
   if SkipLength > 3*BufSize then 
      getmem(SkipBlock,SkipLength);

   getmem(RecBuf,2*BufSize);
                     {выделение памяти для буфера записи}
   inpage   := ((longint(seg(RecBuf^)) * 16) 
                              + ofs(RecBuf^)) div $10000;
   inoffset := ((longint(seg(RecBuf^)) * 16) 
                               + ofs(RecBuf^)) and $FFFF;

   getmem(PlayBuf,BufSize);
            {выделение памяти для буфера воспроизведения}
   outpage   := ((longint(seg(PlayBuf^)) * 16) 
                             + ofs(PlayBuf^)) div $10000;
   outoffset := ((longint(seg(PlayBuf^)) * 16) 
                              + ofs(PlayBuf^)) and $FFFF;

   fillchar(PlayBuf^,BufSize,0);
                         {очистка буфера воспроизведения}

   EnableInterrupt( @SBint);
   SetupDMA(dma16,inpage,inoffset,BufSize, $54);
                                            {DMA на ввод}
   SetupDSP($BE,$10,BufSize div 2,TimeConst);
                             {16 бит со знаком FIFO моно}
   SetupDMA(dma8,outpage,outoffset,BufSize, $58);
                                           {DMA на вывод}
   SetupDSP($C6,$10,BufSize div 2,TimeConst);
                              {8 бит со знаком FIFO моно}

   readln;

   dspout($D5); {приостанавливаем 16-битовый ввод-вывод}
   dspout($D0); {приостанавливаем 8-битовый ввод-вывод}
   DisableInterrupt;

   freemem(PlayBuf,BufSize);
   freemem(RecBuf,2*BufSize);
   if SkipLength < 3*BufSize then 
      freemem(SkipBlock,SkipLength);
end.

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.

Листинг 2. Извлечение данных из переменной окружения

unit GetSBInf; 
interface

var
   base          :integer;  { базовый адрес ввода-вывода}
   irq           :integer;  { номер IRQ                 }
   dma8          :integer;  { 8-битный канал DMA        }
   dma16         :integer;  { 16-битный канал DMA       }
   midi          :integer;  { порт MIDI                 }
   cardtype      :integer;  { номер типа платы          }

procedure GetBlasterInfo; {извлечение информации о плате}

implementation
uses dos;

var
   s : string; {переменная окружения ‘BLASTER’}
   e : byte;   {позиция в этой строке}

function str2hex:word;
        {преобразует последовательность hex-цифр в число}
var
   val : word;
begin
   val := 0;
   inc(e);
   while (s[e] <> ‘ ‘) and (s[e] <> char(0)) and 
                                (e <= length(s)) do begin
      case UpCase(s[e]) of
         ‘0’..’9’ : val := val * 16
                              + (byte(s[e]) - byte(‘0’));
         ‘A’..’F’ : val := val * 16 
                        + (byte(s[e]) - byte(‘A’)  + 10);
         else begin
            writeln(
    ‘Ошибка в цифровых параметрах переменной окружения’);
            halt;
         end;
      end;
      inc(e);
   end;
   str2hex := val;
end;

procedure GetBlasterInfo; {информация о плате}
begin
   s := getenv(‘BLASTER’);
   e := 1;
   if (length(s)>0) then begin
      while (e < length(s)) do begin
         case UpCase(s[e]) of
            ‘A’:base     := str2hex;
            ‘I’:irq      := str2hex;
            ‘D’:dma8     := str2hex;
            ‘H’:dma16    := str2hex;
            ‘P’:midi     := str2hex;
            ‘T’:cardtype := str2hex;
         end; {case}
         inc(e);
      end; {while}
   end else begin
      writeln(
             ‘Отсутствует переменная окружения BLASTER’);
      halt;
   end; {if}
end;

end.

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.

Листинг 3. Работа с DSP и DMA

unit DSP_DMA;
interface

procedure DspOut(val:byte);         {выводит байт на DSP} 
procedure SetupDMA(dmach,page,ofs,DMAcount,dmacmd:word);
                                   {установка режима DMA}
procedure SetupDSP(dspcmd, mode, DSPcount, tc:word);
                                   {установка режима DSP}
procedure SetMixer;       
                  {сброс платы и выбор источника сигнала}
procedure EnableInterrupt(newvect:pointer);
                          {установка векторов прерываний}
procedure DisableInterrupt;
                     {восстановление векторов прерываний}

implementation
uses getsbinf,crt,dos;

var
   intvecsave      :pointer;  { старый вектор прерывания}
   intrnum         :integer;  { номер прерывания        }
   intrmask        :integer;  { маска прерывания        }

{ структура, содержащая данные контроллера DMA }
type
   DmaPortRec = record
      addr,count,page : byte;
   end;
const
   DmaPorts : array[0..7]of DmaPortRec = (
    (addr:$00; count:$01; page:$87),  {0}
    (addr:$02; count:$03; page:$83),  {1}
    (addr:$04; count:$05; page:$81),  {2 не используется}
    (addr:$06; count:$07; page:$82),  {3}
    (addr:$00; count:$00; page:$00),  {4 не используется}
    (addr:$C4; count:$C6; page:$8B),  {5}
    (addr:$C8; count:$CA; page:$89),  {6}
    (addr:$CC; count:$CE; page:$8A)); {7}

procedure DspOut(val:byte);{выводит байт в DSP}
begin
   while (Port[base + $0C] and $80) <> 0 do;
   Port[base + $0C] := val;
end;

function DspIn:byte;{читает байт из DSP}
begin
   while (Port[base + $0E] and $80) = 0 do;
   dspin := Port[base + $0A];
end;

procedure SetupDMA(dmach,page,ofs,DMAcount,dmacmd:word);
                          { Программирует контроллер DMA}
                       { для 8- или 16-разрядного канала}
var
   mask,mode,ff : byte;
begin
   if (dmach < 4) then begin
      mask := $0A;
      mode := $0B;
      ff   := $0C;
   end else begin
      mask := $D4;
      mode := $D6;
      ff   := $D8;
      ofs := (ofs shr 1) + ((page and 1) shl 15);
   end;
   Port[mask]  := 4 or dmach;  { маскируем DMA}
   Port[FF]    := 0;        { сбрасываем триггер-защелку}
   Port[mode]  := dmacmd or (dmach and 3);
                                        { уст.режима DMA}
   Port[dmaports[dmach].addr]  := lo(ofs);
                                   { младший байт адреса}
   Port[dmaports[dmach].addr]  := hi(ofs);{ старший байт}
   Port[dmaports[dmach].page]  := page; { номер страницы}
   Port[dmaports[dmach].count] := lo(DMAcount-1);
                                 { младший байт счетчика}
   Port[dmaports[dmach].count] := hi(DMAcount-1);
                                          { старший байт}
   Port[mask]  := (dmach and 3);   { сброс бита маски}
end;

procedure SetupDSP(dspcmd, mode, DSPcount, tc:word);
                      { Программирует DSP звуковой платы}
begin
   DspOut($40);             {установка константы времени}
      DspOut(tc);
   DspOut(dspcmd);                        {команда Bx/Cx}
      DspOut(mode);
      DspOut(lo(DSPcount-1));
      DspOut(hi(DSPcount-1));
end;

procedure SetMixer;{сброс платы и выбор источника сигнала}
var
   val:byte;
begin
   Port[base + $06] := 1; {сброс DSP}
   delay(1);
   Port[base + $06] := 0;
   if (dspin <> $AA) then {проверка готовности}
         writeln(‘Sound Blaster не готов.’);
   Port[base + $04] := $3D;
   Port[base + $05] := 1;
               { левый канал:источник сигнала — микрофон}
{   Port[base + $04] := $3E;  {для моно — не обязательно}
{   Port[base + $05] := 1; }
              { правый канал:источник сигнала — микрофон}
   Port[base + $04] := $3C;
   Port[base + $05] := 0;
                    { на выходе отключаем все, что можно}
end;

procedure EnableInterrupt(newvect:pointer);        
                   {установка векторов прерываний}
var intrmask1:word;
begin
   if (irq < 8) then {вычисляем номера прерывания}
      intrnum := irq + 8  { для IRQ 0-7 прерывания 8-15.}
   else
      intrnum := irq - 8 + $70;
                      { для IRQ 8-15 прерывания 70H-78H.}
   intrmask := 1 shl irq; {маска}
   GetIntVec(intrnum,intvecsave);
                               { сохраняем старый вектор}
   SetIntVec(intrnum, newvect);
                            { устанавливаем новый вектор}
   intrmask1 := intrmask;          
{разрешаем прерывания}
   Port[$21] := Port[$21] and not intrmask1;
   intrmask1 := intrmask1 shr 8;
   Port[$A1] := Port[$A1] and not intrmask1;
end;

procedure DisableInterrupt;
                     {восстановление векторов прерываний}
var  intrmask1:word;
begin
   intrmask1 := intrmask; {запрещаем прерывания}
   Port[$21] := Port[$21] or intrmask1;
   intrmask1 := intrmask1 shr 8;
   Port[$A1] := Port[$A1] or intrmask1;
   SetIntVec(intrnum,intvecsave);{восстанавливаем вектор}
end;

end.

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.

ОБ АВТОРЕ