Как рождался компьютерный звук. Часть 1

Сегодня трудно представить себе компьютер, не обладающий звуковыми возможностями. Звук присутствует везде – от игр до сайтов в Интернете, и современный ПК с успехом заменяет целый комплект аудиоаппаратуры, делая ненужными для большинства пользователей DVD-проигрыватели, усилители и эквалайзеры.

Однако, так было не всегда. Прародитель семейства х86 – IBM PC, появившийся в 1981 году, ничего не знал о звуке, кроме того, что в случае неисправности надо издавать писк встроенным динамиком. Это вполне логично, поскольку изначально он задумывался как бизнес-продукт, инструмент бухгалтера, этакий калькулятор-переросток. Но успех конкурирующих продуктов (например, Commodore 64) заставил менеджеров IBM задуматься и о других рынках. Первой ласточкой стала модель IBM PCjr, появившаяся в 1994 году.

Новая модель компьютера была разновидностью IBM PC, предназначенной для домашнего использования, в частности для развлечений, потому изначально оснащалась улучшенным цветным видеоадаптером CGA Plus и комплектовалась двумя портами для джойстиков. И вдобавок на ее материнской плате устанавливался звуковая микросхема Texas Instruments SN76489 – зародыш аудиоадаптера.

Что же он умел? Увы, почти ничего. Микросхема содержала три генератора тона и один генератор белого шума, каждый из которых мог формировать сигнал разных частот с 16 уровнями громкости. Благодаря этому, встроенный динамик просто научился пиликать мелодию на четыре голоса, но это было уже что-то. Игры на IBM PC наконец-то обрели голос!

Но IBM PCjr с треском провалился из-за примитивности издаваемых им звуков, а ведь машины Atari того времени умели гораздо больше. IBM надолго забросила идею развлекательного компьютера, но упавшее знамя подхватили сторонние производители, ведь благодаря открытой архитектуре IBM PC они могли свободно выпускать любые устройства, расширяющие возможности популярного ПК.

Рис. 1. Covox Speech Thing. Выглядит как переходник. Второй разъем нужен для работы с принтером в свободное от игр время ;)

Компания Covox в 1986 году выпустила довольно оригинальный аксессуар для РС-совместимых машин – Covox Speech Thing (рис. 1). Это была маленькая коробочка, а внутри 8-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и подключалась к порту для принтера. Любая программа, подавая на порт принтера (он же Centronics/LPT) произвольные данные, могла воспроизводить музыку или звуки любой сложности, но о качестве тогда речи и идти не могло.

Основным преимуществом новинки была ее цена, т.е. на то время не было платы расширения, которая бы стоила менее $100, а за Covox просили $70.

В то время среди юзеров было много энтузиастов радиоэлектроники. Они тут же вскрыли любопытное устройство и обнаружили, что та самая небывало низкая цена на деле завышена в несколько раз, так как Covox не содержал в себе ни единого чипа, а состоял всего-навсего из 18 резисторов (рис. 2).

Понятно, что схема мгновенно стала широко известна, и практически каждый пользователь IBM PC, умевший пользоваться паяльником, самостоятельно оснастил свой компьютер копеечным самодельным Covox. В нашей же стране “ковоксы” были в ходу вплоть до середины 90-х годов. Лично я свой собрал в 1998-м.

Широкое распространение самоделок привело к тому, что производить сами Covox Speech Thing стало нерентабельно. Тем не менее идея коммерческого использования простейшего ЦАП не умерла и в начале 90-х годов возродилась в виде Disney Sound Source.

Устройство, распространяемое компанией Disney Software, представляло собой все тот же ЦАП для порта LPT, и усилитель с динамиком в отдельном корпусе с внешним питанием (рис. 3). Качество звучания было чуть улучшено благодаря применению частотных фильтров. Disney Sound Source был почти полностью совместим с оригинальным Covox и стоил всего-навсего $14. Благодаря этому он получил свою долю популярности. Многие игры тех лет поддерживали Disney Sound Source (например, игра Wolfenstein 3D Spear of destiny), большинство же других работали с ним как с Covox.

Мартин Превел – канадский профессор Университета Лаваля, будучи заместителем декана музыкального факультета, в электронике был не силен, но по роду занятий он много общался с молодежью, увлекавшейся как музыкой, так и компьютерами. Он уловил, что нужно пользователю. Он создал амбициозную компанию под названием AdLib (от лат. AdLibitum – импровизация).

Превел пошел кротчайшим путем – он просто заказал разработку музыкального адаптера электронной компании Lyrtech. Необходимые компоненты имелись у Yamaha, которая давно освоила выпуск музыкальных синтезаторов, но на РС-рынок соваться не рисковала.

В 1987 году была выпущена AdLib Music Synthesizer Card (ALMSC, рис. 4), с которой IBM PC зазвучала по-настоящему. Конструкция была проста и состояла из чипа FM-синтеза Yamaha YM3812 и нескольких микросхем обвязки, необходимых для работы с шиной ISA. Та же Lyrtech разработала демонстрационное ПО и библиотеку процедур для программирования музыки.

Сначала разработчики игр не обратили внимания на новинку. Они не хотели тратиться на программирование музыки для устройства, перспективы продаж которого были туманны. Превел нашел выход, обратившись к компании Top Star Computer Service, которая как раз и занималась аудитом и аналитикой для игровых компаний. Президент Top Star был очень впечатлен качеством звучания платы AdLib и рекомендовал ее своим клиентам.

В итоге появилась поддержка музыкальной платы в новых играх, первой из которых стала King's Quest IV. Издатель игры, Sierra OnLine, нанял профессионального композитора, который сумел реализовать потенциал ALMSC.

Сбыт King's Quest IV дал старт продажам ALMSC, и, наоборот, все обладатели ALMSC покупали King's Quest IV, чтобы насладиться электронной музыкой. С тех пор композиторы прочно прописались в индустрии компьютерных игр, а программная библиотека AdLib на какое-то время стала отраслевым стандартом.

По сегодняшним меркам плата AdLib не умела почти ничего, только генерировать основной тон и обертоны в одиннадцать голосов, не слишком убедительно имитируя звучание музыкальных инструментов. Играть оцифрованный звук она не могла, синтез речи и сложных звуковых эффектов тоже лежал за пределами ее возможностей.

Тем не менее звучала она гораздо лучше примитивного генератора PCjr и аналогичных ПК. К концу 1990 года более половины выпущенных игр имели встроенную (без каких-либо драйверов) поддержку ALMSC.

Единовременно с AdLib на рынок ворвался самый известный игрок из мира аудиоадаптеров – американская компания Creative Labs, основанная выходцем из Сингапура Сим Вонг Ху. Плата Creative Music Systems (CMS), еще известная как Game Blaster, была собрана на базе двух чипов Philips SAA1099 по шесть генераторов тона каждый, обеспечивая стереозвучание с шестью голосами на канал. Несмотря на высокую (около $300) цену CMS звучал гораздо хуже ALMSC, так как не умел выполнять FM-синтез, из-за чего и был отвергнут рынком.

Но Сим Вонг Ху был не так-то прост. Проиграв AdLib первую битву, к 1989 году Creative Labs подготовила карту с тем же чипом Yamaha YM3812, что и обеспечило совместимость с конкурентом. Получился адаптер Sound Blaster 1.0 (СТ1320А, рис. 5), который заложил основу успеха Creative и стал основателем славной династии Sound Blaster, до сих пор продолжающей радовать поклонников качественного звука.

В чем отличие от ALMSC? Creative наделила свое детище невиданными дотоле возможностями. Помимо YM3812, Sound Blaster был оснащен еще одним чипом, DSP (Digital Sound Processor). Он обеспечивал воспроизведение монофонических цифровых записей (сэмплов) с частотой дискретизации до 22 кГц и запись с частотой 12 кГц, при этом поддерживая ADPCM-сжатие звука. Еще ощутимым преимуществом было наличие порта для джойстика, а у ALMSC такого не было.

С этого момента игры, помимо ненатурально звучащей AdLib-музыки, получили возможность воспроизведения реального, предварительно записанного звука. Конечно, это было накладно по дисковому пространству и требовало серьезных процессорных ресурсов, но все же стало возможно! Началась эра цифровой компьютерной музыки. Менее чем за год Creative Labs вышла на первое место по продажам звуковых карт и отныне и навсегда стала законодателем мод в отрасли.

Реагируя на появление рынка звуковых карт, компания Roland, известная своей техникой для профессиональных музыкантов, разработала собственный адаптер. По сути, классический роландовский внешний MIDI-процессор получил компактный вариант для шины ISA, названный Roland SCC-1 (рис. 6).

Для 1991 года цена адаптера ($400), разумеется, кусалась, но плата была ориентирована не на геймеров, а на музыкантов. Работала она не с простыми тонами FM-модуляции, а полноценными патчами (наборами параметров звучания), хранящимися в ее памяти, а также умела накладывать эффекты реверберации и хоруса. SCC-1 не изменила рынок звуковых карт начала 90-х, но повлияла на будущие продукты той же Creative.

В 1991 году вышел Sound Blaster Pro (CT1600), дав начало второму поколению плат семейства Sound Blaster. Схема подверглась существенной модернизации по сравнению с предыдущей моделью. SB Pro получил возможность воспроизводить звуковые записи с частотой 22 кГц в стерео или 44,1 кГц в моно.

Появился примитивный микшер, благодаря которому можно было регулировать громкость источников. Фильтры высоких и низких частот. Помимо DSP, на карте размещалось два YM3812, обеспечивавших двухканальное 18-голосое звучание. Наконец, появился контроллер привода CD-ROM, позволявший устанавливать в компьютер CDD Panasonic (Matsushita) без дополнительной платы расширения.

Вскоре его сменил более продвинутый SB Pro 2 (рис. 7), также оснащенным контроллером привода CD-ROM. В отсутствие стандартного интерфейса для этих устройств Creative Labs пришлось поставлять сразу несколько вариантов платы – с интерфейсами SCSI, LMSI, Sony и Mitsumi. Более того, хорошую прибыль приносили мультимедиа-наборы, продаваемые Creative: SB Pro 2, привод CD-ROM Matsushita (одно- или двух-скоростной) и CD с разнообразным программным обеспечением для работы с CDD.

В этот момент очередная канадская маленькая компания Advanced Gravis Computer Technology рискнула пошатнуть трон Creative. Она специализировалась на выпуске разного рода джойстиков, выбросила на рынок революционный для своего времени адаптер.

Gravis Ultra Sound (GUS, рис. 8), прозванный в народе “гусем”, во многом был аналогичен своему современнику SB Pro (ему не хватало лишь встроенного микшера), причем он был абсолютно не совместим с оригиналом.

Однако, у “гуся” была очень сильная сторона: он поддерживал таблично-волновой синтез (WT) и обеспечивал почти профессиональное качество воспроизведения MIDI-музыки.

Идея таблично-волнового (англ. Wave-Tablet, WT) синтеза состоит в использовании не наборов параметров звучания (патчей), а оцифрованных образцов звучания реальных инструментов (сэмплов). Синтезированная таким образом музыка воспринимается на слух почти так же натурально, как и настоящая запись, хотя тут все зависит от качества сэмплов.

Посудите сами, в то время как все конкуренты имитировали звучание музыкальных инструментов с помощью набора примитивных генераторов тона, GUS оперировал настоящими сэмплами, набор которых загружался программно в бортовую память объемом 256 Кб (расширяемую до 1 Мб).

Стоил он немногим больше, чем Sound Blaster Pro 2, и мгновенно завоевал популярность у любителей качественного звука. Лишь несовместимость с SB ограничивала его использование в играх. Начиная с 1992 года, почти все выпускаемые игры стали поддерживать GUS.

В ответ Creative выпустила SB третьего поколения. Sound Blaster 16 (рис. 9), обеспечивал соответственно 16-битное качество сэмплирования (чего в GUS не было), полноценный MIDI-интерфейс и возможность подключения дополнительного (в виде дочерней платы) таблично-волнового MIDI-синтезатора Wave Blaster (рис. 10).

Разумеется, связка SB 16 + Wave Blaster была, мягко выражаясь, недешева – дороже GUS. Но совместимость с предшественниками и известное имя сделали свое дело – Creative сумела удержаться на вершине продаж. Тогда же, 1992 года вышел настоящий хит – удешевленный вариант SB 16, названный Sound Blaster ViBRAl6. Прилично воспроизводить MIDI он не мог, зато стоил скромнее.

Creative выпускала множество вариантов этой недорогой платы: со встроенным модемом, с FM-тюнером и т.д. Компания просто наводнила рынок платами на любой вкус, обеспечивая собственное доминирование в отсутствие заметного технологического превосходства над конкурентами.

Пытаясь держать удар, нанесенный его компании главным конкурентом, Мартин Превел развил бурную деятельность. Новый продукт, громко названный AdLib Gold (рис. 11), был задуман как прямой ответ Sound Blaster.

Сконструированная на новейшем 18-голосом чипе Yamaha YMF262, плата также содержала 12-разрядный стереофонический DSP, сохраняя совместимость с ALMSC. По всем параметрам AdLib Gold был лучше Sound Blaster. Но рынок – это не просто технологическое соревнование. Не имевшая собственных разработчиков, AdLib поручила проектирование платы компании Yamaha. А ведь к 1991 году крупнейшим клиентом Yamaha была Creative Labs...

Из-за возникшего конфликта интересов разработка перспективной платы затянулась. Лишь год спустя AdLib Gold увидела свет, вместе с вариантом для IBM PS/2, названным AdLib Gold MC2000, а к тому времени Creative успела несколько раз модернизировать свой продукт.

Слишком дорогая из-за долгой разработки AdLib Gold конкурировать с Sound Blaster Pro уже не могла. Весной 1992-го AdLib обанкротилась, а в конце того же года Сим Вонг Ху был объявлен самым молодым сингапурским миллиардером.

SB 16 был всем хорош, кроме одного – неумел выполнять WT-синтез без дочерней платы. На первом месте тут стоял Gravis Ultra Sound. Помимо этого, в продажу хлынули поделки от проснувшихся азиатских производителей, совместимые с SB Pro и оснащаемые 1-мегайтным ПЗУ с сэмплами инструментов. Стоили они меньше Creative, зато обеспечивали хоть кое-какой WT-синтез. Такой конкуренции Creative Labs могла и не выдержать.

Был жизненно необходим технологический прорыв, задела для которого у компании не было. Зато было много денег. Потому проблема была решена просто, путем покупки компании E-Mu, разрабатывавшей профессиональные чипы для WT-синтеза.

E-Mu, ставшая подразделением Creative, быстро подготовила решение: аудиопроцессор EMU 8000, обеспечивавший 32-голосый WT-синтез с хранением сэмплов в памяти объемом до 32 Мб и возможностью наложения множества фильтров и эффектов. Новый чип предназначался для карт четвертого поколения Sound Blaster AWE32.

Новинка появилась на свет в марте 1994 года и вызвала большой интерес публики. Кроме традиционных для Creative чипов FM-синтеза от Yamaha и собственного DSP Creative, на ней стоял новенький EMU 8000, благодаря которому удалось добиться беспрецедентного качества звучания MIDI.

Аналогично конкурентам AWE32 оснащался 1 Мб ПЗУ с набором простеньких сэмплов и имел 512 кб ОЗУ для загрузки дополнительных. А память карты можно было расширить до 28 Мб, что позволяло использовать наилучшие сэмплы.

AWE32 очень быстро стала популярной среди небедных геймеров и небогатых музыкантов. Окрыленная успехом новинки, Creative сделала акцент на развитие MIDI и устремилась совершенствовать чип E-Mu в этом направлении. Как показало история – это было очень серьезным просчетом.

MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface – цифровой интерфейс музыкальных инструментов) – это формат обмена командами между электронными музыкальными инструментами. Он предполагает хранение нажатий клавиш, громкости, тембра, темпа, тональности с привязкой во времени исполнения.

По сути, MIDI-файл (файл с окончанием .MID) - программа для синтезатора музыки. В чем преимущество стандарта MIDI применительно к компьютеру? Прежде всего в небольшом объеме записи. Даже очень длинная музыкальная композиция в MIDI-формате занимает считанные килобайты, ведь это, можно сказать, просто партитура (последовательность нот). А вот запись той же самой композиции в исполнении живых инструментов занимает, в зависимости от степени сжатия, до нескольких десятков-сотен мегабайт.

Маломощные ПК того времени не были способны воспроизводить звук с высокой степенью сжатия, а жесткие диски имели малый объем, поэтому простые любители музыки не могли позволить себе хранить на ПК цифровые записи.

На нашем сайте можно не только бесплатно скачать игры, но и документацию и книги по программированию на MIDLetPascal, Turbo Pascal 6, Turbo Pascal 7, Borland Pascal, по программированию устройств Sound Blaster, Adlib, VESA BIOS, справочник Norton Guide и много другой полезной информации для программистов, включая примеры решения реальных задач по созданию резидентных программ.

Как рождался компьютерный звук. Часть 1

Цифровая музыка

Приходит дракон

Музыкальные профи

Мастер “Бластер”

Последний из племени AdLib

Взлет MIDI