El SID ( dispositivo de interfaz de sonido ) MOS Technology 6581/8580 es el chip generador de sonido programable integrado de las computadoras domésticas Commodore CBM-II , Commodore 64 , [1] Commodore 128 y MAX Machine .
Junto con el chip gráfico VIC-II , el SID fue fundamental para convertir al C64 en el ordenador doméstico más vendido de la historia, [2] y se le atribuye en parte el inicio de la escena de las demostraciones .
El SID fue ideado por el ingeniero Bob Yannes , quien más tarde cofundó la empresa de sintetizadores y samplers digitales Ensoniq . Yannes encabezó un equipo que lo incluía a él mismo, dos técnicos y un operador de CAD , que diseñó y completó el chip en cinco meses en la segunda mitad de 1981. Yannes se inspiró en trabajos anteriores en la industria de los sintetizadores y no estaba impresionado por el estado actual de los chips de sonido de computadora. En cambio, quería un chip de instrumento de alta calidad, que es la razón por la que el SID tiene características como el generador de envolvente , que anteriormente no se encontraba en los chips de sonido de computadora doméstica. [3] [4] : 235
Pensé que los chips de sonido que había en el mercado, incluidos los de los ordenadores Atari , eran primitivos y, obviamente, habían sido diseñados por personas que no sabían nada de música. [4] : 235
— Robert Yannes, Al límite: El espectacular ascenso y caída de Commodore
Durante el diseño del chip se hizo hincapié en el control de frecuencia de alta precisión, y el SID se diseñó originalmente para tener 32 voces independientes, que compartían un esquema de búsqueda de tabla de ondas común que se multiplexaba en el tiempo. [4] : 235 Sin embargo, estas características no se pudieron terminar a tiempo, por lo que, en su lugar, el trabajo de máscara para un cierto oscilador de trabajo simplemente se replicó tres veces en la superficie del chip, creando tres voces, cada una con su propio oscilador. Otra característica que no se incorporó en el diseño final fue una tabla de búsqueda de frecuencia para las notas musicales más comunes, una característica que se eliminó debido a limitaciones de espacio. [4] : 236 El soporte para un pin de entrada de audio fue una característica que Yannes agregó sin preguntar, lo que en teoría habría permitido que el chip se usara como un procesador de efectos simple . Las máscaras se produjeron en tecnología de 7 micrómetros para obtener un alto rendimiento; el estado del arte en ese momento eran las tecnologías de 6 micrómetros. [4] : 236
El chip, al igual que el primer producto que lo utilizó (el Commodore 64), estuvo terminado a tiempo para la feria Consumer Electronics Show, el primer fin de semana de enero de 1982. Aunque Yannes estaba en parte descontento con el resultado, su colega Charles Winterble dijo: "Esta cosa ya es diez veces mejor que cualquier otra cosa que exista en el mercado y veinte veces mejor de lo que debería ser". [4] : 237
Las especificaciones del chip no se utilizaron como modelo, sino que se escribieron a medida que avanzaba el trabajo de desarrollo y no todas las características planificadas se incluyeron en el producto final. Yannes afirma que tenía una lista de características de las cuales tres cuartas partes se incluyeron en el diseño final. La revisión posterior (8580) se revisó para que coincidiera más con las especificaciones. Por ejemplo, el 8580 mejoró ligeramente la capacidad de realizar una operación AND binaria entre dos formas de onda, algo que el SID solo puede hacer de una manera extraña e ilógica que da como resultado formas de onda desordenadas y, en algunos casos, casi silenciosas. Las combinaciones de ondas en el 8580 dan como resultado formas de onda más limpias que en el 6581, aunque aún hay irregularidades. Otra característica que difiere entre las dos revisiones es el filtro, ya que la versión 6581 está muy lejos de la especificación. [ cita requerida ]
El SID es un circuito integrado de señal mixta , que presenta circuitos tanto digitales como analógicos. Todos los puertos de control son digitales, mientras que los puertos de salida son analógicos. El SID presenta tres voces, con cuatro tipos de formas de onda que se pueden seleccionar por voz: onda de pulso (con ciclo de trabajo variable ), onda triangular, onda de diente de sierra y ruido pseudoaleatorio (llamado ruido blanco en la documentación). Se pueden seleccionar varios tipos de formas de onda simultáneamente, lo que produce ciertas formas de onda complejas/combinadas. Los osciladores de cada voz se construyen sobre un acumulador de fase de 24 bits . Una voz que reproduce una forma de onda triangular puede modularse en anillo con una de las otras voces, donde los bits de la forma de onda triangular se invierten cuando se establece el MSB del acumulador de la voz moduladora, lo que produce una discontinuidad e inversión de dirección con la rampa del triángulo. Las voces también pueden sincronizarse entre sí, donde el oscilador de la voz sincronizada se reinicia siempre que se aumenta el MSB del acumulador de la voz sincronizada. Si tanto la modulación en anillo como la sincronización dura se configuran para que afecten a la misma voz, se combinan los dos efectos. La voz que modula en anillo y/o sincroniza una voz afectada determinada se determina mediante el siguiente patrón: la voz 1 afecta a la voz 2, la voz 2 afecta a la voz 3 y la voz 3 afecta a la voz 1.
Cada voz puede ser enrutada a un filtro multimodo analógico de 12 dB/octava común, controlado digitalmente , que se construye con la ayuda de condensadores externos al chip. El filtro tiene salidas de paso bajo, paso de banda y paso alto, que pueden seleccionarse individualmente para la amplificación de salida final a través del registro de volumen maestro. Los modos de filtro también pueden combinarse. Por ejemplo, el uso de un estado combinado de paso bajo y paso alto da como resultado una salida de muesca (o paso de banda invertida). [5] El programador puede variar la frecuencia de corte y la resonancia del filtro. Un puerto de entrada de audio externo permite que el audio externo pase a través del filtro.
La modulación de anillo, el filtro y las técnicas de programación como el arpegio (ciclos rápidos entre frecuencias para producir sonidos similares a acordes) producen juntas la sensación y el sonido característicos de la música SID.
Debido a las tecnologías de fabricación imperfectas de la época y a la mala separación entre las partes analógicas y digitales del chip, la salida del 6581 (antes de la etapa del amplificador) siempre estaba ligeramente sesgada desde el nivel cero. Cada vez que se modificaba el registro de volumen, se producía un clic audible. Al ajustar rápidamente la ganancia del amplificador a través del registro de volumen principal de 4 bits, este sesgo se podía modular como PCM , lo que daba como resultado un cuarto canal "virtual" que permitía la reproducción de muestras digitales de 4 bits. El fallo era conocido y utilizado desde un punto temprano, primero por Electronic Speech Systems para producir voces muestreadas en juegos como Impossible Mission (1984, Epyx ) y Ghostbusters (1984, Activision ). El primer ejemplo de uso de muestras en composiciones musicales reales fue por Martin Galway en Arkanoid (1987, Imagine), aunque había copiado la idea de un paquete de sintetizador de batería anterior llamado Digidrums. La duración de la reproducción del sonido muestreado estuvo limitada primero por la memoria y luego por la técnica. Kung Fu Fighting (1986), una muestra popular de los primeros discos, tiene una duración de reproducción medida en segundos. c64mp3 (2010) y Cubase64 (2010) muestran duraciones de reproducción medidas en minutos. Además, consumía mucha CPU : había que generar las muestras muy rápido (en comparación con la velocidad de la CPU 6510 ).
La mejor tecnología de fabricación del 8580 que se utilizó en las revisiones posteriores del Commodore 64C y del Commodore 128 DCR hizo que el sesgo desapareciera casi por completo, lo que provocó que las muestras de sonido digitalizadas se volvieran muy silenciosas. Afortunadamente, el nivel de volumen se podía restaurar en su mayor parte con una modificación de hardware (polarizando el pin de entrada de audio) o, más comúnmente, con un truco de software que implicaba usar la forma de onda Pulse para recrear intencionalmente el sesgo requerido. El truco de software generalmente deja una voz temporalmente inutilizable, aunque las composiciones musicales inteligentes pueden hacer que este problema sea menos notorio. Un excelente ejemplo de esta mejora de calidad que reduce notablemente un canal muestreado se puede encontrar en la introducción al juego Skate or Die (1987) de Electronic Arts. El riff de guitarra que se toca prácticamente desaparece cuando se toca en el Commodore 64c o el Commodore 128.
En la fiesta de demostración X'2008, se dio a conocer un método completamente nuevo para reproducir muestras digitalizadas. El método permite cuatro canales (mezclados por software) de muestras de 8 bits sin precedentes con filtrado opcional sobre todas las muestras, así como dos canales de sonido SID ordinarios. [6] [7] El método funciona reiniciando el oscilador utilizando el bit de prueba del generador de forma de onda, aumentando rápidamente la nueva forma de onda con la forma de onda triangular seleccionada y luego deshabilitando todas las formas de onda, lo que hace que el DAC continúe emitiendo el último valor, que es la muestra deseada. Esto continúa durante dos líneas de escaneo, lo que es tiempo suficiente para una salida de muestra arbitraria sin fallas. Sin embargo, es más intensivo en CPU que el truco del DAC de registro de volumen de 4 bits descrito anteriormente. Debido a que el filtrado en un chip SID se aplica después de los generadores de forma de onda, las muestras producidas de esta manera se pueden filtrar normalmente.
El manual original del SID menciona que si se habilitan varias formas de onda al mismo tiempo, el resultado será un AND binario entre ellas. Lo que sucede en realidad es que la entrada a los pines de forma de onda del DAC recibe varias formas de onda a la vez. Por ejemplo, la forma de onda triangular se crea con un circuito XOR separado y un circuito de desplazamiento a la izquierda. El bit superior controla si el circuito XOR invierte el valor del acumulador visto por el DAC. Por lo tanto, habilitar el triángulo y el diente de sierra simultáneamente hace que los bits del acumulador adyacentes en la entrada del DAC se mezclen. (El circuito XOR no entra en juego porque siempre está deshabilitado cuando se selecciona la forma de onda de diente de sierra). La forma de onda de pulso se construye uniendo todos los bits del DAC a través de una tira larga de polisilicio, conectada a la lógica de control de pulso que compara digitalmente el valor actual del acumulador con el valor del ancho del pulso. Por lo tanto, seleccionar la forma de onda de pulso junto con cualquier otra forma de onda hace que cada bit del DAC se mezcle parcialmente, y la sonoridad de la forma de onda se ve afectada por el estado del pulso.
El generador de ruido se implementa como un LFSR de Fibonacci de 23 bits de longitud (polinomio de retroalimentación: x^22+x^17+1). [8] [9] Cuando se utiliza la forma de onda de ruido simultáneamente con cualquier otra forma de onda, el pull-down a través del selector de forma de onda tiende a reducir rápidamente el registro de desplazamiento XOR a 0 para todos los bits que están conectados al DAC de salida. Como los ceros se desplazan en el registro cuando se sincroniza el ruido, y no se producen bits 1 para reemplazarlos, puede surgir una situación en la que el registro de desplazamiento XOR se pone completamente a cero. Afortunadamente, la situación se puede remediar utilizando el bit de prueba de control de forma de onda, que en esa condición inyecta un bit 1 en el registro de desplazamiento XOR. También se sabe que algunos músicos utilizan las formas de onda combinadas del ruido y el bit de prueba para construir sonidos inusuales.
El 6581 y el 8580 se diferencian entre sí en varios aspectos. El 6581 original se fabricó utilizando el antiguo proceso NMOS , que utilizaba 12 V CC para funcionar. El 6581 es muy sensible a las descargas estáticas y, si no se manipulaban adecuadamente, los filtros dejaban de funcionar, lo que explica la gran cantidad de 6581 muertos en el mercado. El 8580 se fabricó utilizando el proceso HMOS-II, que requiere menos energía (9 V CC) y, por lo tanto, hace que el CI funcione a menor temperatura. Por lo tanto, el 8580 es mucho más duradero que el 6581. Además, debido a los generadores de formas de onda más estables, los efectos de mezcla de bits son menos perceptibles y, por lo tanto, las formas de onda combinadas se acercan a la especificación SID original (que establecía que se combinarían como un AND binario). El filtro también es muy diferente entre los dos modelos. El rango de corte del 6581 se asemeja a una función sigmoidea en una escala logarítmica y varía enormemente entre chips, mientras que el rango de corte del 8580 es una línea recta en una escala lineal y es más consistente entre chips y se acerca a las especificaciones reales de los diseñadores. El filtro del 8580 también puede lograr resonancias más altas. Además, una mejor separación entre los circuitos analógicos y digitales hizo que la salida del 8580 fuera menos ruidosa y distorsionada. El ruido en los sistemas de la serie 6xxx se puede reducir desconectando el pin de entrada de audio.
La versión para consumidores del 8580 fue rebautizada como 6582, a pesar de que el chip es idéntico al chip 8580 estándar, incluida la marca "8580R5". Dr. Evil Laboratories lo utilizó en su cartucho de expansión SID Symphony (vendido a Creative Micro Designs en 1991), y también se utilizó en algunos otros lugares, incluida una tarjeta de sonido para PC.
A pesar de sus deficiencias documentadas, muchos músicos de SID prefieren el chip 6581 defectuoso al chip 8580 corregido, y algunos incluso ven las fallas como "características" reales que hicieron que el chip SID se distinguiera de otros chips de sonido de la época. La razón principal de esto es que el filtro produce una fuerte distorsión que a veces se usa para producir simulación de instrumentos como una guitarra eléctrica distorsionada. Además, el componente de paso alto del filtro se mezcló con una atenuación de 3 dB en comparación con las otras salidas, lo que hace que el sonido sea más grave. Además de las no linealidades en el filtro, el circuito D/A utilizado en los generadores de formas de onda produce aún más distorsión adicional que hace que su sonido sea más rico en carácter.
Nunca llegó al mercado ningún ejemplar que dijera "6581 R1". De hecho, Yannes ha declarado que "el chip SID salió bastante bien la primera vez, sonaba bien. Todo lo que necesitábamos para el espectáculo funcionaba después de la segunda pasada". Las fotografías de alta resolución del prototipo C64 de Charles Winterble muestran las marcas "MOS 6581 2082", siendo el último número un código de fecha que indica que su prototipo de chip SID se fabricó durante la semana 20 de 1982, es decir, dentro de los 6 días posteriores al 17 de mayo de 1982.
Estas son las revisiones conocidas de los distintos chips SID: (los códigos de fecha están en formato WWYY w=semana y=año)
El chip SID (Sound Interface Device), conocido por su fusión de tecnologías digitales y analógicas, fue una piedra angular en la arquitectura del sistema del Commodore 64, entre otros modelos. El chip contaba con tres voces distintas, cada una con opciones de forma de onda precisas y variables; también incluía un filtro multimodo de 12 dB/octava. A lo largo de los años, el diseño de este filtro fue variando con cada revisión posterior del chip, lo que le dio a cada una su huella sonora única.
Uno de los primeros modelos del chip SID, el 6581, se utilizó inicialmente en las computadoras Commodore 64 entre 1982 y alrededor de 1986. Este modelo sufrió varias revisiones notables, incluido el 6581 R1, un modelo prototipo que solo se vio en las máquinas CES y en los prototipos de desarrollo y que tenía un código de fecha de 4981 a 0882. [11]
Este modelo era famoso por su rango de corte de filtro completo de 12 bits y, si bien se desconoce el número preciso de modelos producidos, se estima que fueron entre 50 y 100 chips, empaquetados en cerámica.
Después del R1, llegaron el 6581 R2, el 6581 R3, el 6581 R4 AR y, por último, el 6581 R4. La evolución de las iteraciones del 6581 incluyó cambios menores en la protección/almacenamiento en búfer de los pines de entrada, ajustes del grado de silicio y cambios en su encapsulado. Sin embargo, no se realizaron modificaciones sustanciales en la sección de filtros a lo largo de estas progresiones. [12]
En cuanto a los últimos modelos, el chip SID 8580 actualizado marcó su introducción en las versiones más nuevas de las máquinas Commodore 64. Técnicamente compatible con el software 6581, el 8580 trajo consigo un carácter de sonido único debido a ajustes específicos en la estructura del filtro. [13]
Las diferencias de sonido observadas entre los dos modelos, 6581 y 8580, se atribuyeron en gran medida a los matices de los filtros analógicos y a las distorsiones intrínsecas del diseño. Estas características de sonido se vieron muy influenciadas por las actualizaciones en los circuitos y las diferencias de calidad en los lotes de material utilizados en las distintas series de producción de los chips.
El chip SID fue el resultado de un proceso continuo de especificaciones que evolucionaron en paralelo con el proceso de diseño del chip. No todas las características iniciales llegaron al diseño final. Sin embargo, las iteraciones posteriores, como el modelo 8580, se revisaron meticulosamente para que coincidieran más estrechamente con las especificaciones originales, centrándose específicamente en las combinaciones de formas de onda y la funcionalidad de los filtros.
Algunos de estos chips están marcados como "CSG" (Commodore Semiconductor Group) con el logotipo de Commodore , mientras que otros están marcados como "MOS". Esto incluye chips producidos durante la misma semana (y, por lo tanto, que reciben el mismo código de fecha), lo que indica que al menos dos líneas de producción diferentes estuvieron en funcionamiento durante esa semana. Las marcas de los chips variaban según la fábrica, e incluso según la línea dentro de la fábrica, durante la mayor parte del ciclo de fabricación del chip.
Dado que los circuitos integrados SID 6581 y 8580 ya no se fabrican, se han vuelto muy buscados. A fines de 2007, comenzaron a aparecer en eBay varios chips defectuosos que supuestamente eran "nuevos". [14] [¿ Fuente poco confiable? ] Algunos de estos SID mencionados tienen un filtro defectuoso, pero algunos también tienen canales o generadores de ruido defectuosos y algunos están completamente fuera de servicio.
También se han suministrado chips SID falsos a compradores involuntarios de fabricantes inescrupulosos en China; los chips suministrados están grabados con láser con marcas completamente falsas y el chip dentro del paquete no es un SID en absoluto. [ cita requerida ]
La mayoría de los juegos producidos para el Commodore 64 utilizaban el chip SID, con sonidos que iban desde simples clics y pitidos hasta extravagancias musicales complejas o incluso pistas de audio digitales completas. Debido a la maestría técnica requerida para implementar música en el chip y sus características versátiles en comparación con otros chips de sonido de la época, los compositores para el Commodore 64 han descrito el SID como un instrumento musical por derecho propio. [15] Sin embargo, la mayoría del software no utilizaba todas las capacidades del SID, porque las especificaciones publicadas incorrectamente hacían que los programadores solo utilizaran funcionalidad bien documentada. Algunos de los primeros programas, por el contrario, dependían de las especificaciones, lo que daba como resultado efectos de sonido inaudibles. [3]
Entre los compositores más conocidos de música de juegos para este chip se encuentran Martin Galway , conocido por muchos títulos, incluidos Wizball y Times of Lore , Rob Hubbard , conocido por títulos como ACE 2 , Commando , Delta , International Karate , IK+ y Monty on the Run . Otros compositores notables incluyen a Jeroen Tel ( Cybernoid , Turbo Outrun , Robocop 3 y Myth ), Ben Daglish ( The Last Ninja , Jack the Nipper , Firelord , Gauntlet ), David Dunn ( Finders Keepers y Flight Path 737 ), David Whittaker ( Speedball , BMX Simulator , Glider Rider ) y Chris Hülsbeck ( R-Type , Turrican y The Great Giana Sisters ).
El hecho de que muchos entusiastas prefieran el sonido del chip real a los emuladores de software ha llevado a varios proyectos de grabación que apuntan a preservar el sonido auténtico del chip SID para el hardware moderno.
El proyecto sid.oth4 [16] tiene más de 380 canciones de alta calidad en formato MP3 disponibles grabadas en hardware hardsid y el proyecto SOASC= [17] tiene toda la colección High Voltage SID (HVSC) publicada con 49 (más de 35.000 canciones) grabadas de Commodore 64 reales en un archivo MP3 de alta calidad . Ambos proyectos enfatizan la importancia de preservar el sonido auténtico del chip SID. En 2016, se lanzó la Unepic Stoned High SID Collection (USHSC) [18] . Es un canal de YouTube con más de 50.000 canciones SID cargadas como videos individuales. USHSC se basa tanto en SOASC= como en HVSC, pero también carga grabaciones de música SID reciente publicada en el sitio Commodore Scene Database (CSDb). El canal presenta listas de reproducción que contienen aproximadamente 5000 canciones cada una.
Un archivo SID contiene el código del programa 6510 y los datos asociados necesarios para reproducir la música en el SID. Los archivos SID tienen el tipo de medio MIMEaudio/prs.sid .
El formato de archivo actual de un archivo SID ha tenido varias versiones. El estándar más antiguo es PSID (versión actual V4). El estándar más nuevo, RSID, está pensado para música que requiere una emulación más completa del hardware de Commodore 64. [19]
El formato de archivo SID no es un formato nativo utilizado en Commodore 64 o 128, [19] sino un formato creado específicamente para reproductores de música asistidos por emulador como PlaySID , Sidplay y JSidplay2 . [20] Sin embargo, existen cargadores como RealSIDPlay y convertidores como PSID64 [21] que permiten reproducir una parte sustancial de archivos SID en computadoras Commodore originales.
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