基于YM3812的简易MIDI合成器（芯片部分）

注意:文章中有些公式目前显示不出来

前言

本文主要是对芯片做介绍,之后还有设计思路，成品展示以及如何调制出想要音色的教程。本中会出现大量专有名词的编者图省事而自创的词，前者有不懂的话建议配合搜索引擎阅读，后者，，，，，看编者之后能不能想到更形象的词来替代了，强烈建议配合数据手册去查看。

附:一些用这个简易合成器播放的音乐:

μs-爱上你万岁

残酷天使的行动纲领(这首除了鼓组以外都是)

芯片介绍

YM3812(OPL2)是一款在1985年由雅马哈研发基于FM音频合成的音乐芯片，其广泛使用在以IBM PC 为载体的独立声卡上。其中最著名的就是ADLIB声卡，当年一些低端的雅马哈电子琴上也可以见到该芯片。该芯片有⑨个通道，每个通道由两个振荡器组成。或者由6个声道和5种打击乐器组成。每个振荡器都可以产生正弦波，也可以将其修改为其他3种波形：一种是像半波整流后的波形，一种是像全波整流后的波形，还有一种是伪锯齿波。这种奇怪的产生波形的方式为YM3812提供了独特的声音，对于上个世纪80年代中后期的游戏爱好者来说，该芯片产生的独特声音可以说是刻在了DNA当中。

关于FM合成

这个编者也是三脚猫功夫，就不在这献丑了：），感兴趣的可以看这篇文章

有能者也可以看看John Chowning教授关于FM音频合成的论文

简单说一下吧，FM调制原理大概就是用一个信号去调制另一个信号的频率。说白了这里的FM跟我们平常听的FM广播是一个东西，只不过广播的频率不在人的听觉频率范围内且我们听到的是解调过后的信号，而这里提到的FM频率是在人的听觉范围内且我们听到的是调制后的信号。

芯片介绍（建议配合数据手册查看）

数据手册及相关资料：

YM3812选型手册

YM3812应用手册

YM3014数据手册

首先来看芯片管脚功能

总览

1.ΦM

芯片主时钟输入

2.ΦSY*SH

外置DAC控制信号，因为YM3812内部没有集成DAC，所以需要配套的DAC YM3014输出信号。

SY：DAC的主时钟；

SH：同步时钟。

3.D0~D7

8位并行数据输入

4.CS*RD*WR*A0

这四位控制芯片读写操作

注意：这里的读取读取的是YM3812的中断状态寄存器，其他寄存器不能读取

5.IRQ

默认低电平，当芯片的定时器溢出时产生中断信号（低电平）。这个中断信号可以被程序屏蔽。

6.IC

复位芯片，包括清除所有寄存器中的值。

7.MO

YM3812的13位串行数字音频信号输出，需要外置DAC转化。

8.GND,VCC

地和电源。

读写控制

a):Inactive Mode(停用模式)

CS位置1，数据线D0~D7为高阻态，此时芯片不接收数据。

b):Address Write Mode(写地址模式)

当芯片位于此模式，数据线接受的数据视作寄存器地址。

注意：切换到此模式后需要等待至少12个主时钟周期才能进行下一步操作

c): Data Write Mode(写数据模式)

当芯片位于此模式，数据线接受的数据视作值写入选中的寄存器。

注意：切换到此模式后需要等待至少84个主时钟周期才能进行下一步操作

d):Status Read Mode(状态读取)

当芯片位于此模式，读取中断状态寄存器的值并发送到数据线上。

e):Inhibit（禁止模式）^注1

当芯片位于此模式，数据线上的数据均视为无效。

芯片通道设置

在介绍之前，需要再提一下FM合成相关知识。

之前说过，FM调制是用一个信号去调制另一个信号的频率，也就是说需要一个东西去产生这两个信号。在YAMAHA生产的FM合成芯片中，这个东西叫做运算子(operator)^注2。算子是芯片中产生信号的最小单位，每个算子产生一个信号，芯片内部通过将多个算子以不同的形式相连接来产生不同特征的信号。

YM3812有⑨个FM音频通道，这意味着可以同时发出⑨个声音，每一个音频通道有两个运算子。值得注意的是，实际上在YM3812内部只有一个算子，所有的音频通道通过复用这一个算子来产生声音。那么如何控制这9个通道呢，在YAMAHA生产的FM合成芯片中，是通过槽（slot）来控制发声通道。

由上图可以看到，每个通道对应两个槽（第一二行），这里槽就代替了算子实现了控制信号的功能。而表格中第三行指的是槽之间的联系，1是指调制波^注3，2指载波^注3。倒数两行是不同槽对应的寄存器地址，通过向寄存器中写入数据控制槽输出的信号频率。

寄存器介绍

注：($xx)指寄存器地址

总览

中断状态寄存器：

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
| IRQ | FLG T1 | FLG T2 | \ | \ | \ | \ | \ |

1.TEST

雅马哈测试芯片用的，没用

2.定时器

YM3812中有两个定时器，Timer1最多支持80us延时，Timer2支持320us。当定时器溢出时，IRQ拉低。

计算公式：

a):Timer1($02)

主频率为3.6Mhz时：

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |

$$
延时时间:Tov(ms) ={ (256-\mathbf{N}1)0.08\
\mathbf{N}1 = \mathbf{D}72^{7+....+\mathbf{D}}1*2+\mathbf{D}_0}
$$

b):Timer2($03)

主频率为3.6Mhz时：

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |

$$
延时时间：Tov(ms) = (256-\mathbf{N}2)0.32\
\mathbf{N}2 = \mathbf{D}72^{7+....+\mathbf{D}}1*2+\mathbf{D}_0
$$

c):TimerControl($04)

此寄存器控制定时器1，2的启停和溢出动作。

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
| IRQ RESET | MASK T1 | MASK T2 | \ | \ | \ | ST2 | ST1 |

ST1:控制定时器1启停

置1：装载值并开始计时
置0：停止运行

ST2:控制定时器2启停，功能与定时器1相同

MASK T2:置1时，定时器2无溢出动作

MASK T1:置1时，定时器1无溢出动作

IRQ RESET：重置定时器1，2

当D7置1，低6位的值全部忽略，此时D7自动置0

3.芯片工作模式选择（$08)

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
| CSM | NOTE SEL | \ | \ | \ | \ | \ | \ |

CSM：置1语音合成模式，置0音乐模式

注：语音合成模式用不到。

NOTE SEL：这一位控制键盘分割点（类似电子琴的键盘分割功能）。置0时，由F-Number（后面会讲）的高两位控制音符8度；置1时由F-Number低八位控制。

4.AM/VIB/EG-TYP/KSR/Multiple($20~35)

| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 D2 D1 D0 |
| AM | VIB | EG-Typ | KSR | MULTIPLE |

1):MULTIPLE:载波和调制波的倍频系数。参数如下表：

| MUL | Multiple | MUL | Multiple | MUL | Multiple | MUL | Multiple |
| 0 | 1/2 | 4 | 4 | 8 | 8 | C | 12 |
| 1 | 1 | 5 | 5 | 9 | 9 | D | 12 |
| 2 | 2 | 6 | 6 | A | 10 | E | 15 |
| 3 | 3 | 7 | 7 | B | 10 | F | 15 |

MUL：填入寄存器的值

Multiple：倍频系数

公式：
$$
输出信号F(t) = Esin(ωft+Isin(iωft))
$$

ωf:信号频率(F-number)
I:载波倍频系数
i:调制波倍频系数

2):KSR:键缩放率。通过改变ADSR包络中的AD速率使得芯片发出的声音更接近真正乐器的声音（大致意思）

| D4 | N | Rks | N | Rks | N | Rks | N | Rks |
| 0 | 0 | 0 | 4 | 1 | 8 | 2 | 12 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 5 | 1 | 9 | 2 | 13 | 3 |
| 0 | 2 | 0 | 6 | 1 | 10 | 2 | 14 | 3 |
| 0 | 3 | 0 | 7 | 1 | 11 | 2 | 15 | 3 |
| 1^*1 | 0 | 0 | 4 | 4 | 8 | 8 | 12 | 12 |
| 1^*1 | 1 | 1 | 5 | 5 | 9 | 9 | 13 | 13 |
| 1^*1 | 2 | 2 | 6 | 6 | 10 | 10 | 14 | 14 |
| 1^*1 | 3 | 3 | 7 | 7 | 11 | 11 | 15 | 15 |