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NES APU深潜：从寄存器到代码，复刻8位音乐的硬件精髓

61 0 像素之声

在尝试用现代编程语言复刻NES音乐制作流程时，许多开发者都面临着一个共同的困境：市面上的教程往往只停留在“如何用某个软件制作Chiptune”，却鲜少深入探讨NES硬件背后的原理，以及作曲家在面对这些限制时是如何进行精细操作的。如果你也曾因此感到 frustratred，那么你来对地方了。本文旨在从代码实现的角度，为你揭开NES音频处理单元（APU）的神秘面纱，帮助你理解如何通过精确控制寄存器，模拟出原汁原味的NES音源。

NES APU概览：四个基本声部

NES的APU是一个精巧的音频芯片，它提供了五个主要的声音通道：

  1. 方波1 (Pulse 1)：两个独立的方波通道，可调节占空比（12.5%, 25%, 50%, 75%），产生丰富的主旋律或伴奏。
  2. 方波2 (Pulse 2)：与方波1类似。
  3. 三角波 (Triangle)：产生近似纯净的低音或旋律，音色柔和，没有音量控制，但可通过线性计数器实现“渐强”效果。
  4. 噪声 (Noise)：生成各种噪音效果，如鼓点、爆炸声、风声等，通过伪随机序列控制。
  5. DMC (Delta Modulation Channel)：用于播放8位PCM采样，通常是鼓点或语音片段。

理解这些通道是复刻NES音乐的基础。每个通道都有其专属的寄存器组，用于控制频率、音量、包络、扫描（sweep）和长度计数器（length counter）等参数。

核心寄存器与写入时序

NES的APU通过内存映射寄存器进行控制。当你写入特定地址时，实际上是在改变APU的行为。理解这些寄存器的功能和写入时序至关重要。

以方波通道为例，它通常有四个寄存器：

  • $4000 (Pulse X Duty/Envelope)：控制占空比、音量包络（包络模式、循环、固定音量）和长度计数器暂停。
  • $4001 (Pulse X Sweep)：控制频率扫描（sweep）单元（启用、周期、负向/正向、移位）。
  • $4002 (Pulse X Low-Pass Timer)：频率计时器的低8位。
  • $4003 (Pulse X High-Pass Timer/Length Counter)：频率计时器的高3位和长度计数器载入值。

关键的写入时序：
当你需要改变一个音符的频率时，通常会先写入$4002（低位），然后再写入$4003（高位）。写入$4003不仅仅是设置高位频率，它还会重置长度计数器并重启包络发生器。这意味着，如果你想在不重置长度计数器或包络的情况下只改变频率，这是不可能的。作曲家在制作音乐时，会利用这一点来巧妙地实现一些声音效果，比如音符重新触发时的短暂“冲击”感。

通道间的互动与帧计数器

NES APU的独特之处在于其“帧计数器（Frame Counter）”。这是一个独立的240Hz或200Hz（根据模式）时钟，它负责驱动所有通道的长度计数器、包络和扫描单元。这意味着，这些参数的更新不是实时发生的，而是以固定频率步进的。

  • 长度计数器：每个音符都有一个长度计数器，当其归零时，通道静音。写入$4003会载入一个初始值，然后帧计数器会按步进将其递减。
  • 音量包络：控制音量的渐变，由帧计数器驱动，可以设置为循环或单次衰减。
  • 频率扫描（Sweep）：只适用于方波通道，可以使频率向上或向下自动变化，产生滑音效果。其更新也由帧计数器驱动。

模拟器实现中的“陷阱”与边缘情况

在尝试用代码模拟APU时，以下是几个常见的“陷阱”和需要注意的边缘情况，它们是确保音源真实性的关键：

  1. APU时钟同步：NES的CPU和APU以不同的时钟频率运行，并且它们都与主时钟同步。APU的时钟通常是CPU时钟的1/2。正确模拟这种时钟关系是所有事件（寄存器写入、帧计数器步进、采样生成）精确同步的基础。如果时钟不同步，你可能会听到“节奏漂移”或不正确的音高。

  2. 长度计数器和包络的精确行为：

    • 当长度计数器归零时，通道会立即静音，并且不能再发声，直到再次写入$4003。
    • 包络发生器的循环模式和非循环模式有不同的行为，并且在重置时（写入$4003）会立即从最大音量开始衰减。
    • 暂停位：$4000寄存器的第5位（0x20）可以暂停长度计数器。如果这个位被设置，长度计数器不会被帧计数器递减。

  3. Sweep单元的复杂性：方波的Sweep单元非常复杂，它不仅能改变频率，在某些条件下还会使通道静音：

    • 如果目标频率超出NES的音频范围（例如，过高导致计时器值小于8），通道会静音。
    • 负向Sweep在计算新频率时，会根据Pulse 1和Pulse 2有不同的行为（Pulse 1减法时会加1，Pulse 2直接减法）。
    • Sweep单元自身也有一个使能位和一个静音位，如果当前频率计时器值小于8，也会被静音。

  4. 三角波的线性计数器：三角波没有音量包络，但有一个线性计数器（由$4008控制），它可以控制声音的渐强时间。这个计数器也由帧计数器驱动，并且在写入$400B（长度计数器/载入值）时会被重置，同时也会载入长度计数器。

  5. DMC通道的样本播放：DMC通道的采样是以固定速率播放的，并且可以循环。它有自己的内存地址范围（通常在$C000-$FFFF之间）。DMC的DMA（直接内存访问）读取样本的机制，可能会在极短的时间内“暂停”CPU执行，这在模拟时需要精确处理，否则会导致其他通道的时序错误。

  6. 混合逻辑（Mixing Logic）：NES的APU输出并不是简单的通道音量叠加。它有一个非线性的混合器，特别是Pulse和Triangle/Noise/DMC组之间，存在不同的混合曲线。为了达到“真实感”，不能简单地将所有通道的数字输出相加。通常需要查阅NES开发文档中的混合公式，或者通过逆向工程得到的结果。

  7. 上电/复位状态：当NES上电或复位时，APU的所有寄存器都有一个明确的初始状态。在模拟器初始化时，需要将这些寄存器设置为正确的值，否则可能导致一开始的声音不正确。

实现建议

  • 模块化设计：将每个APU通道实现为一个独立的模块，封装其寄存器和逻辑。
  • 精确计时：建立一个主时钟系统，所有APU事件（寄存器写入、帧计数器步进、样本生成）都严格按照时钟周期进行。
  • 状态机：包络、Sweep和DMC等复杂组件，可以使用状态机来清晰地管理其内部逻辑。
  • 参考文档：查阅NESDEV Wiki（英文资源，但非常权威和详尽）是理解NES APU最佳的资源之一。它包含了所有寄存器的详细描述、时序图和算法。
  • 渐进式调试：先实现最简单的方波发声，然后逐步加入包络、Sweep、长度计数器，再到其他通道和DMC，每一步都进行测试和验证。

复刻NES APU是一个充满挑战但也极具回报的项目。当你成功听到自己代码模拟出的“真实”Chiptune时，那种成就感是无与伦比的。深入理解这些底层原理，不仅能让你更好地制作音乐，更能提升你对计算机音频处理的理解。祝你好运！

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