GBA MOD音乐播放探索！

这是一篇老文章了,最早放在CGDS上.
GBA MOD音乐播放探索
写在前面
我并不是搞音乐的，甚至五音不全，仅仅是为了能在GBA上播放MOD音乐，我进行了一些学习，
找了大量资料后，基本有一个完整的结构，拿出来让大家打牙祭。专业音乐人士不要笑哟？

１、音乐是一门艺术

音乐是一门艺术（地球人都知道，你不是废话吗?)。一个最简单的佐证就是：
影响现代音乐理论最深的十二平均律是同一个时代出现在东西方的，但当时他们肯定是不可能有
交流的。这两个人是

欧洲荷兰人斯特芬（Stevin约1548 - 约1620）:
他于1600年前后用两音频率比严格地确立了十二平均律；

中国明代科学家、音乐家朱载堉（1536 - 1612）:
他表述的十二平均律甚至将2的12次平方根及各次幂均计算到小数点后24位（约完成
于1581年前）。

这绝不是什么巧合，而是他们都发现了音乐艺术的真谛。音乐是一门艺术，艺术是没有国界的。
那么什么是音乐的十二平均律？让我们从头说起------都是为了和谐，为了人的主观听觉。

首先古人很早就发现，如果一根空弦调整好后发出的音很好听，那么它的二分之一长度的音仍然
很好听，
并且这两个音听起来很和谐（当然你不能无休止的分下去）。于是人们就在不断的探索中发现了
和谐音的规律，五度律（不同时代东西方都有），由于五度律是一种整数比关系，人们曾经普遍
认为和谐音的规律必须
满足整数比的关系，例如把一根弦平分成Ｎ份后，它的1, 9/8, 81/64, 3/2, 27/16都将产生和谐
音，后来又发现
它的1, 9/8, 81/64, 4/3, 3/2, 27/16, 243/128也产生和谐音，这就是５音阶和７音阶。
为什么是整数比的关系呢？显然是因为当时的人还不能从理性的角度认识无理数，他们只能用能
理解的整数比的形式
来表达。到了１７世纪前后，才有上述两位大哥（很崇敬的说）运用无理数的知识发现了相邻各
音（半音）频率之比：
2的12次平方根约等于1.05946,十二平均律(等比，不是等差）诞生。有了这个,数字音乐有了数字
化基础。

总结一下：音遵循相邻各音（半音）频率之比为1.05946的规律，当１２个半音之后（1.05946的
12次方＝2），音被提高了
一倍，即高８度,因为有７个音名C、D、E、F、G、A、B,对应唱名do、re、mi、fa、so、la、si。

学物理我们知道，声音是一种波（震动产生），波是有频率的，那各个音的频率是多少呢？
目前国际通用的标准音高(第一国际高度)是：a(小字一组的a,什么意思不再祥述，对于我这个外
行言多必失)音作为标准音，
标定它的频率为440Hz,那么其它频率你可以计算出来。但要注意，不要一直乘1.05946或一直除
1.05946，应该一个８度
一个８度的计算，即，以440Hz为基准计算小字一组,以880Hz为基准计算小字一组高8度，以220Hz
为基准计算小字一组低8度等等。
因为1.05946只是一个近似值，累计计算有误差，这样计算误差小一些。
对于乐器来讲，不同的乐器发出的音的音色不同，如果反映为图像---音频包络线，你可以看到更
直观的不同。
例如：有如下包络线，它的音色听起来会像什么呢？
(插图）

２、欺骗你的耳朵

实际上，上面的声音听起来像什么，是可以变化的，因为它受播放的频率（速度）影响。我们知
道声音用数字化来存储，必须设定
采样率（每秒采集的数据量），采样率越高，越接近真实的情况。但到底多高才能满足要求呢？
对此有一个采样定理：

如果对某一模拟信号进行采样，则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半，
或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍，就能从采样信号系列重构原始信号。

因为人的听力范围大约在11-20000多Hz，所以就产生了ＣＤ音质44.1KHz的采样标准。
音乐中使用的音一般在27-4100Hz，也就是说对纯数字音乐，8KHz采样就可以满足有求了。但自然
中的音乐情况要比这复杂的多，因为
还没有哪一个乐器可以发出单一频率的音（含有泛音），这正是乐器的魅力所在，单一频率的音
是不会好听的。
这也就是电子琴的声音没有钢琴的音色好的原因（扯远了，赶快回来）。
例如上面的声音，本来是木鱼的声音，如果采样时按10KHz，播放按10KHz，那听起来就是木鱼的
声音，但是如果你播放的频率与
10KHz的差距太大，那听起来可能像敲竹筒的声音或别的什么声音。

总结一下：假设乐器的音色是固定的包络线，通过改变播放的频率，可以得到不同的音。

例如：你按440Hz采样钢琴小字一组a的声音，并按照十二平均律规律播放（1.05946作为等比）的
话，不同的播放频率你能听到最接近
标准音的所有键的声音，并不需要把钢琴的每一个键的音都采样。简单吧！其实我个人认为，之
所以能达到这种效果，更根本的原因是：
人的耳朵比眼睛更容易被欺骗，比较一下立体声和立体电影的发展进度就知道了。
（如果人有狗的听力，问题可就复杂了呀！）
又例如：你把一个女声用慢于采样频率的频率播放，听起来就会像从古堡里发出的低沉吼叫。
再例如：电影《大腕》中把哀乐以两倍的速度播放听起来就很欢快喜庆。

３、Module乐

Module乐的历史其实已经很长了，毫不夸张的讲Module乐可以轻松表现CD般的品质，而体积却很
小。因此Module成为游戏音乐中的宠儿。
原因很简单，让我们拿Module乐与MIDI乐比较一下：
MIDI很小，Module比MIDI大一点。
MIDI中定义的是声音代号，不是数据，真正的包络线数据在硬件中（或软波表）,与硬件有关；
Module中的声音是自带的（自带采样数据----samples,当然什么声音都可以存放），与硬件无
关。
另一个好处是制作编辑Module乐太直观了、太方便了。用了你就会知道！
CD般的品质、体积很小、与硬件无关、什么声音都可以存放、制作编辑直观方便、简直是完美无
缺。
在Module的发展中有很多不同的标准（文件格式），如:
MOD----------ProTracker / NoiseTracker Music Module
S3M----------ScreamTracker III Music Modules
XM ----------FastTracker II Music Modules
IT ----------Impulse Tracker Music Modules
等等。
在这里我只能给大家介绍ProTracker MOD（以后简称MOD)的结构，因为别的都比他复杂，采样率
也不符合GBA要求，我也不懂。

总结一下：MOD中带有声音采样数据（8Bits采样,我们称之为样本），可以是乐器的音色，也可以
是其它什么声音，
但要注意采样频率于播放频率变化的关系。

MOD中除了样本，就是怎么把声音样本播放的信息，大致有以下几个方面：
频率：从C-0,C#0,D-0,D#0,E-0,E#0,F-0,F#0,G-0,G#0,A-0,A#0,B-0,B#0
       C-1,C#1,D-1,D#1,E-1,E#1,F-1,F#1,G-1,G#1,A-1,A#1,B-1,B#1
     到
       C-8,C#8,D-8,D#8,E-8,E#8,F-8,F#8,G-8,G#8,A-8,A#8,B-8,B#8
       C-9,C#9,D-9,D#9,E-9,E#9,F-9,F#9,G-9,G#9,A-9,A#9,B-9,B#9
   每两个相邻频率间的关系是等比------1.05946
   C-0的频率是262Hz,B#9的频率是252867Hz。这是我自己按4舍5入计算的，
   注意ModPlug Tracker网站上有一篇精确计算频率的文章，很有技巧，感兴趣的可以看一下。
   他与我的计算有差异，当然按ModPlug的为准，方法稍后会介绍。
特效：可以进行一些声音特效处理，太复杂，谁的英文好，翻译一下吧！ModPlug Tracker网站上
有资料。
播放序列：样本播放的次序
另外：在样本中还可以定义样本的循环播放。

总结一下：
MOD乐就是通过按照不同的频率、特效、指定的播放序列、循环等来播放样本声音。

MOD乐相关属性：
默认扩展名轨道数目样本数目最大块的个数样本采样要求
MOD 4 　　　　31 　　64 8 bits

具体存储结构看以下C语言定义：（有些名词是我自己的习惯）

//歌曲名，长度20,OFFSET=0--19
typedef struct Mod_Header{
u8 songname[20];
};
//31个样本的相关信息，长度31*30=930,OFFSET=20--949
typedef struct Mod_Sample
{
u8 name[22];//样本名
u16 length;//8位样本长度/2
u8 finetune;//微调值（作用不清楚，猜测是防止混音时出现静音，后面
会讲）
u8 volume;//音量
u16 loopoffset;//循环偏移量
u16 looplength;//循环偏长度
};
//乐曲的播放序列，是按块划分，每块有64小ROW（我称之为节），每节4Bites,长度
134,OFFSET=950--1083
typedef struct Mod_song
{
u8 songlength;//乐曲块长度
u8 songjump;//Song end jump position (乐曲循环重放) //我没有验证，好像是乐曲循环重放,GBA上可以忽略
u8 song[128];//固定128个块序列由此计算出块的个数
u32MK;//字符M.K.内部定义的文件格式标示字符
};
//块的数据,由节组成,4个轨道，块长度 = 块的个数*4*4*64=块的个数*1024
Bytes,OFFSET=1084 //计算才知道
//节的数据结构
//Byte  1   Byte  2   Byte  3   Byte 4
//--------- --------- --------- ---------
//7654-3210 7654-3210 7654-3210 7654-3210
//wwww XXXX xxxxxxxxx yyyy ZZZZ zzzzzzzzz
//wwwwyyyy ( 8 bits) : 样本号
//XXXXxxxxxxxx (12 bits) : 调整频率
//ZZZZzzzzzzzz (12 bits) : 特效
//实际播放频率有两种计算方法
//1:PAL 制实际播放频率=7093789.2/调整频率/2
//2:NTSC制实际播放频率=7159090.5/调整频率/2
//至于用那一种你自己考虑
//节的结构定义
typedef struct Mod_Patterns_
{
u16  wXx;
u16  yZz;
}
typedef Mod_Patterns_ Mod_Patterns[64*4]; //接下来是8位样本数据,OFFSET=计算才知道--计算才知道
typedef s8 * Mod_PSample

以上就是顺序存放的结构,当然你可能有更好的定义方法。

４、在GBA上播放MOD乐

终于到达目的地了，其实经过上述铺垫，对于在GBA上WAVE播放有经验的朋友来讲，基本已经明白
了，
所以要说的并不多。
关于GBA上声音（WAVE)的播放我不想多说，不懂的到CGDN、金点时空（还有其它网站）里看看，
相关文章很好，
我可不想照抄别人的文章。这里仅谈一谈GBA播放MOD乐的原理和特别注意的地方。
有了前面的结构信息，你可以方便的调入MOD乐的数据，进行分析，按照不同的频率、特效、指定
的播放序列、循环来
播放样本（其实就是WAVE)。当然要有正确的DMA、TIMER、FIFO、中断设置，不同的程序员用起来
肯定有自己的特色。
问题还有两个:
１、混音
因为MOD乐有４个轨道，GBA只有两个FIFO声音通道，你需要把４个轨道混合成２个轨道。
给出最简单的混合公式：FIFOA=(T0+T1)/2;FIFOB=(T2+T3)/2。
当然FIFOx指的是送往FIFO声音通道的8Bits数据，Tn指的是0至3轨道8Bits有符号样本数据。
那8个轨道的声音怎么做呢？原理你可能想到了，我不想研究了，如果你研究好了，请不吝赐教。
混音有可能出现的问题:
一：不同的频率是要混合成相同的频率的，因此要进行频率的调整，原理不难，可问题不少。
   如果你真想做，就要查资料了，痛苦呀！！！对此我已经写不下去了，要写应该是一个专题
了。
二：混音后的静音问题
　　如果你的两个混合样本的包络线正好是垂直翻转的，即(Tn+Tm)=0,那播放出来就什么也听不
到了。
   不过解决起来反而简单，不用编程，只要在MOD乐制作期把其中一个样本数据的前面加一些填
充0数据就行了。
   当然如果编程解决就显得高明了，可是对GBA有限的CPU资源是一种浪费。
２、缓冲区
这也就是我为什么不用afm_v1.1的MOD乐播放库的主要原因之一，因为有混音等问题，所以必须要
有缓冲区来存放
计算后的数据，对于GBA有限资源来讲，自己清清楚楚的控制资源是有意义的。
写在后面
   如果你想要源代码，不好意思，
   第一，我还没有完成，
   第二，编程的乐趣就在痛苦的探索后得到解脱，
   第三，其实早就有afm_v1.1的MOD乐播放库，虽然不提供源码，不允许未经同意用于商业用途,但使用很方便，
   你可以拿来作为学习。
   说了这么一大通，希望对您有所帮助，希望更多的人加入GBA的开发，希望您把您的其它探索也写出来, 共同进步。

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