OSC2016 Hiroshima PSG tunes on NetBSD luna68k again

NetBSD/luna68kで
「PSG音源の調べ」
ふたたび
オープンソースカンファレンス2016広島
ルナ＠広島ご当地ソングデモ
Izumi Tsutsui
[email protected]
Twitter: @tsutsuii

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LUNAとは
 よしだともこ先生のブロクより
LUNAというのは、1980年代から1990年代
の初めごろにかけて、京都に本社を持つ
オムロン株式会社が発売していた、
UNIXワークステーションの名前です
（その当時、私はこの会社のUNIXワークス
　テーション開発部門で働いていました）
http://notredameningen.kyo2.jp/e422862.html

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過去のLUNA＠広島
 2013年
サテライト
キャンパス
ひろしま
初年度
https://twitter.com/moveccr/status/386697554529771520

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Twitter TL on LUNA-II
 mlterm-fb + tw rubygem

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OSC2015広島にて
「今回は LUNAが見られなくて
残念でした」
えーと、なんかすいません

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そういえばルナと言えば
https://twitter.com/tsutsuii/status/398686477023858688
＠KOF2013

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2015年シーズンオフ
https://twitter.com/ebijun/status/677990635211587584

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2016年の
OSC広島には
なんとかして
LUNAを持ち込ま
なければ……

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と、
思っていたの
ですが

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2016年 11月23日
https://twitter.com/carp_News24/status/801662159012831232

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(´・ω・｀)
ありがとう、ルナ

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とりあえずネタは仕込みました
「みくった〜♪」

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●
いわゆるピコピコ音 × 3和音
●
元はアーケードゲーム用
●
イメージとしてはファミコンの
音が近いです
（※ファミコンの音源とPSGとは微妙に違います）
PSG音源とは

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●
NEC PC-6001/mkII
●
SHARP X1シリーズ
●
富士通 FM-7/FM-77シリーズ
●
MSX
●
SHARP MZ-5500
だいたい ’80年代前半のマシン。
85年以降は FM音源チップ搭載機が主流に
PSG音源を搭載したマシン
出典: https://ja.wikipedia.org/wiki/Programmable_Sound_Generator

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PC-6001内のPSG音源IC

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MOSAIC.WAV アルバム
「電気の恋人」の歌詞より
「PSGでやっと3和音
　それでも感動してた
あの頃〜♪」
https://www.amazon.co.jp/dp/B00569BHDY

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いわゆるおっ◯んホイホイ
https://twitter.com/isaki68k/status/802177405582327808

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「チップチューン」として
最近(?)見直されています

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PSG 3和音での楽曲
 ボカロとかより簡単です
●
1音目：メインメロディ
●
2音目：バッキング（副旋律）
●
3音目：ベース or ドラム
ノイズを使ったリズムとかもできますが
そのへんの細かい技は慣れてから徐々に

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最近は PC-6001の PSGで遊んでました
http://www.nicovideo.jp/watch/sm29263535 http://www.nicovideo.jp/watch/sm29939586

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LUNAとPSG音源
 OMRON TECHNICS Vol.29 No.1

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初代LUNA構成
OMRON TECHNICS Vol.29 No.1 “LUNA(デスクトップWS)のハードウェア”
PSG (SSG) は
ここにある
メインCPU
MC68030 デバイス
サブCPU
HD647180 デバイス
MC68030
HD647180

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LUNA内のYM2149
●
YAMAHA製の AY-3-8910 互換チップ

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HD647180 とは
 日立製 Zilog Z80 上位互換マイコン
●
6.144MHz クロック
●
タイマ、シリアル、DMA内蔵
●
MMU内蔵で1MBアドレスサポート
●
647180はワンタイム PROM版

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HD647180XP

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●
Z80互換サブCPU
「ハードウェア設計者の趣味で〜」
（元カーネル開発者という方のお話）
●
PSG について
「当時のパソコンと同じ機能が必要、
　という考えがあったのでは」
（サブCPUに関係されていた方のお話）
なぜLUNAにPSG音源が?

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ここまでが前提知識です

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PC-6001用 PSGドライバ移植

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調査・検討の結果、
I/Oポート変更・
周波数テーブル修正・
タイマ割り込み実装等で
PC-6001用PSGドライバを
LUNAの HD647180でも
使用可能、という結論に
詳細はOSC2016京都のスライド↓を参照
https://speakerdeck.com/tsutsui/osc2016-kyoto-psg-tunes-on-netbsd-luna68k

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リセット信号
割り込み要求
LUNA I/Oプロセッサ (XP) 構成
MC68030
NetBSD
カーネル
支配下
8255
PIO
HD647180
独立動作
共有
メモリ
64KB
アドレス
71000000h
〜
7100FFFFh
アドレス
0000h
〜
FFFFh
YM2149
SSG
タイマ
SCI

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リセット信号
割り込み要求
XPデバイスドライバ実装(1)
MC68030
NetBSD
カーネル
支配下
8255
PIO
HD647180
独立動作
共有
メモリ
64KB
アドレス
71000000h
〜
7100FFFFh
アドレス
0000h
〜
FFFFh
YM2149
SSG
タイマ
SCI
演奏プログラム
PSGドライバ
以下の ioctl(2) を実装
・指定したZ80コードをロード
・HD647180をリセット
　⇒これで演奏プログラムを実行

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リセット信号
割り込み要求
XPデバイスドライバ実装(2)
MC68030
NetBSD
カーネル
支配下
8255
PIO
HD647180
独立動作
共有
メモリ
64KB
アドレス
71000000h
〜
7100FFFFh
アドレス
0000h
〜
FFFFh
YM2149
SSG
タイマ
SCI
演奏プログラム
PSGドライバ
ユーザープロセス
/dev/xp 経由
プロセス
仮想アドレス
制御コマンド
PSGドライバ用
曲データ
共有メモリ mmap(2) を実装
⇒ユーザープロセスから
　曲データのダウンロード
　および演奏開始停止制御が
　可能に

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OSC京都はそんな展示デモでした
http://p.twipple.jp/AWyea https://twitter.com/tokudahiroshi/status/758874111418306560

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ここから
OSC広島の
新ネタです

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展示予告スライド

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展示予告スライド
ここ

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PC-6001を含む
PSG搭載マシンに
しゃべらせる
……という
いにしえの技が存在

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 Wikipediaより
PSGによってPCMを再生する技法が存在し、
PSGPCM や SSGPCM等と呼ぶ。
※PCM：.wav ファイル等で使われる音楽データ形式
 PSGPCMの原理
PSGで発声されるのは矩形波である。これはロー（=0）とハイ（=1）の2値し
かとらない。これに音量レジスタ（4bit）の値を掛けたものが1チャンネル分の
出力である。
AY-3-8910相当品では、あるチャンネルの発声を停止すると矩形波出力はハイ
（=1）で固定される。従って、そのチャンネルの出力は、音量レジスタそのも
のとなる（1×音量レジスタ=音量レジスタ）。
この仕様を利用し、発声を停止した状態でそのチャンネルの音量を操作すること
で、PSGをDACとして利用するというのが大まかな原理である。
PSGによるPCM再生
出典: https://ja.wikipedia.org/wiki/Programmable_Sound_Generator

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音楽再生時のPSG出力
スピーカー
アンプ
♪♪
♪
Pico
pico
加算
PSGチップ
チャンネル3
Volume
1〜15
チャンネル1
Volume
1〜15
音程
チャンネル2
Volume
1〜15
音程
・各chで音程と音量を設定
・3chの音を合成してスピーカー駆動

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PCM再生時のPSG出力
スピーカー
アンプ
加算
PSGチップ
チャンネル3
Volume
1〜15
チャンネル1
Volume
1〜15
OFF
Volume
チャンネル2
Volume
1〜15
OFF
Volume
3chのVolume合計値
＝PSG電圧出力
サンプリング周波数(8〜11kHz)で
以下を処理することで任意PCM出力
・8ビット PCMデータ読み出し
・ボリューム変換テーブル読み出し
・PSG 各ch へボリューム設定
みくった〜♪
Volume設定値
＝各ch出力電圧
Volume設定値
＝各ch出力電圧

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PC-6001での実装例
http://sbeach.seesaa.net/article/387861465.html

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PC-6001での実装例
●64KB RAM の PC-6001mkII を想定
　⇒使用可能メモリは 57KB 程度
●11.025kHz 8bit PCM に限定
●PCMデータはテープ or RC-232C (オプション)
　
から本体RAMに読み込み
●割り込み禁止して、命令実行クロック数で
　再生タイミングを制御

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P6 PCM再生の問題点
 再生時間
・サンプリング周波数 11kHz・8bitデータ
・使用可能メモリ 57KB
　⇒再生可能時間は約５秒
 ロード時間
・データサイズ 57KB
・テープのボーレート 1200bps
　⇒57KB のロード時間：約９分３０秒

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MOSAIC.WAV アルバム
「電気の恋人」の歌詞より
「データは皆テープにダビング
　読み込むのに速くて10分♪」
http://www.nicovideo.jp/watch/sm12836594

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LUNAでのPCM再生実装
●プログラム・スタックを除く60KBを使用
●8kHz サンプルPCMをターゲット
　⇒再生可能時間は８秒弱
　　再生中にもホストからロードできれば無制限？
●8kHz サンプルはタイマ割り込み駆動
●再生・停止はホストOSからコマンド指示
●PCMデータもホストOSからロード

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●ロード
ホストOSの共有メモリで一瞬
●ストレージ
　ホストOSのHDDで実質無尽蔵
●PSGデータ・PCMデータ
　Ethernet経由で何でも取得可能
LUNA PSG最強説

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●とりあえずのご当地ネタで
列車接近メロディPSG版＋アナウンスPCM
展示 PSG+PCMデモ
http://www.nicovideo.jp/watch/sm5379033

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●PSG演奏は今でも感動できます
ついつい自分で作った曲を聞いてしまう罠
●サブCPUとしてのZ80の可能性
今のホスト OS構成では PSG制御は結構大変
●PCM再生の先人の知恵を見習いたい
●今回も「動いたわーい」でした！
まとめ

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OSC2016 Hiroshima PSG tunes on NetBSD luna68k again

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Izumi Tsutsui

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