Sound Programming

SOUND AND MUSIC PROGRAMMING ON THE ST by Richard Karsmakers

Originally  published  in ST NEWS Volume 1 Issue  3,  launched  on 
August 16th 1986.

Most people think that the ST's sound chip isn't really much,  but 
it's  not  that bad at all;  you'd better listen to the  music  in 
Epyx'  "Winter Games" and you'll know that a lot more can be  done 
with the ST's YM 2149 sound chip.  All right,  it's not as good as 
the  Amiga  soundchip,  but  that one  works  through  a  complete 
different principle;  it "knows" a lot of sounds,  which are  kind 
of "digitized" inside its memory. When the programmer asks for it, 
it just spits it out with variable pitch, tone height, etc. People 
should  also  know that many Yamaha keyboards actually use  the YM 
2149 soundchip,  like ICG's Yamaha PSR 40.  The sound coming  from 
that keyboard isn't bad at all!
Some  of us might remember the intro from Psygnosis'  "Brataccas"; 
it  uses nice sound effects,  as well as something that  might  be 
described  as "ring-modulation".  It just shows that more  can  be 
done than most people think on the field of music.
Back  on  the Commodore 64,  some professional  musicians  started 
programming music on it,  like Rob Hubbard.  They knew how to make 
good  music and they also knew the principles of  programming  the 
built-in  SID  soundchip.  Other music  programmers,  like  Martin 
Galway  and Ben Dalglish,  also knew what they had to do  to  make 
good  music  and  sound  effects  on  it.  I  am  sure  that  good 
programmers might get almost as much out of the ST's sound chip as 
that  they did on the SID.  The Atari 800 XL is also said to  have 
used the YM 2149 and I have heard of quite stunning music on those 
machines!
Some of us already know that the ST system was originally designed 
around another sound chip,  the "AMY".  Instead of the AMY,  Atari 
decided to build in the YM 2149 and the MIDI interface. Antiware's 
digital  preprogrammed synthesizer sounds really great when  using 
MIDI!  But  more about the AMY;  here you will read a part  of  an 
interview with Atari's vice president of research and development, 
Shiraz Shivji.  It is taken from a brochure of "Personal  Computer 
World".  When you want to get it, together with a software list of 
ST programs and lots more,  please write to: SILICA Shop Ltd., 1-4 
The Mews,  Hatherley Road,  Sidcup,  Kent DA14 4DX,  England. This 
part  of  the  interview was made  by  BYTE's  Phil  Robinson,  in 
December of last year....

BYTE: What about the sound capabilities?
Shivji: We had a project here started during Alan Kay's tenure - a 
chip called AMY.  And the ST was designed to have the AMY. But the 
AMY did not happen. We  had silicon, the first pass, in October or 
November,  and we had severe problems with it.  It was kind of  an 
orphan project.  There were a lot of people that had worked on it. 
And  if  you have a chip that takes six or eight people  who  have 
worked on it at different times,   the chances of the chip working 
are slim. But it's a good design.
BYTE: What does it do? What's so special about it?
Shivji:  The approach of others is that during horizontal  refresh 
you  go out to some place and put some memory  out  automatically, 
and that goes through a DAC (digital to analog converter,  RED)and 
you have sound.  Essentially,  you're sampling at 15.75 kHz, which 
is  the typical frequency.  So it's like a digital tape  recorder. 
You have a digitized sound and you're just putting it out.  And it 
needs enormous amounts of memory.  The key is:  how do you  encode 
sound? Form an information-theoretic point of view,  there are two 
problems  with  this approach.  One is it's an enormous  waste  of 
memory.  Because  you could encode whatever sound you're going  to 
play,  as far as data is concerned in a sound piece, the data rate 
is extremely low.  And doing it in the digital tape recorder  way, 
you're wasting an awful lot of bandwidth and a lot of memory.  The 
second problem with other implementations is that you have only  8 
bits  and it's not really that good.  Especially with CD's  coming 
out.
Amy  was  a chip that had 16 bits of information  coming  out.  So 
you could have 96 decibels of range. What you could hear!  Amy was 
a  complete digital sound chip.  It's called  an  additive-digital 
synthesizer.  It had an adder and 64 independent  oscillators.  It 
has a model for sound and you feed it the parameters.  But if  you 
do that you have to do an awful lot of preprocessing. We had hired 
a lot of people. We had a VAX 780 devoted to it. We had equipment, 
fast floating point array processors, and so on, to analyze notes. 
We  would  get  a tape of piano playing and  then  the  VAX  would 
analyze  it and would take the Amy model and give the  parameters. 
To play anything you needed to have parameters tables and feed  it 
to the chip.
BYTE: Is it still a possibility, then?
Shivji:  It is still a possibility. We were going to have the Amy, 
and  then it didn't happen.  Then we said,  look,  we have a  base 
machine  that's a good machine.  Every really doesn't  care  about 
great  sound,  right?  (The ACC thinks Mr.  Shivji  went  terribly 
wrong  here!  RED) So let's not penalize people that don't  really 
care.  Let's put something that will allow people who really  care 
about sound to be able to play things .  That's how the MIDI  came 
in.  And so if you get Amy,  we would even have it out as a  MIDI-
chip. It's a great chip. Essentially all you do is load it up. Off 
line  you're doing an analysis of all the  different  things,  and 
then you have it in table form.  And you can play it any time  you 
want. And you're not using up the bus that much.
BYTE:  If it has that kind of processing capability,  it  probably 
could build models for voice, too.
Shivji:  Exactly.  We actually could reproduce opera sound.  As  a 
matter  of fact,  we had a sound lab.  The type of sound that  you 
could  hear from that chip was just  incredible.  Again,  16  bit. 
Actually,  the  chip could even give you 17 bits if you wanted  it 
to.  The  problems  are it uses too much memory and  it  hogs  the 
bandwidth.  The bandwidth you could probably get around.  However, 
that's not the whole thing.  You still have to move all that  data 
around.  Of course you don't get the right data at the right place 
for  free.  For example,  you have to move it somehow from a  disk 
drive.
BYTE: So the Yamaha chip is there just to give it the basic sound?

Shivji:  Yes.  Just the basic sounds you need.  Though, of course, 
the  ports are very usefull (the YM 2149 in the ST has two  8  bit 
wide data ports, RED).

Mr.  Shivji  didn't give all the reasons for not using the Amy  in 
the ST; another reason was the manufacturer of the chip; he simply 
couldn't produce it in large enough volume.

According to Data Becker's "ST Intern" (ISBN  3-89011-119-X;  Data 
Becker GmbH,  Merowingerstraße 30, 4000 Düsseldorf, West Germany), 
the  YM 2149 sound chip is a "soundchip der spitzenklasse",  so  a 
very good soundchip. It is compatible with General Instruments' IC 
AY-3-8910,  and it's called a PSG,  which stands for  Programmable 
Sound Generator. It has 40 pins. The qualifications of the YM 2149 
are (in short) are written on the next page.

 -  Three independent programmable tone-oscillators
 -  A programmable noise-genarator
 -  Complete software-controlled Analog output ports
 -  Programmable mixer for tones and noises
 -  Programmable waveforms
 -  two bi-directional 8 bit dataports
 -  TTL-Compatible
 -  Simple 5 volts operating conditions

The YM 2149 has 16 registers, whose functions are explained here:

Registers 0 and 1:
  These  registers  determine the frequency of  the  tone  signals 
  coming from ANALOG A.  Not all 16 bits are used; only all 8 bits 
  of register  0 and the low 4 bits of register 1 are  used.  With 
  the bits of register 1 one can determine the note roughly, while
  register 0 enables fine tuning.  The total 12-bit value of these 
  registers   determines the height of the  tone;  the  lower  the 
  value, the higher the tone.
Registers 2 and 3:
  The   functions  of these registers are the  same  as  those  of 
  registers 0 and 1, but now for channel B.
Registers 3 and 4:
  The   functions  of these registers are the  same  as  those  of
  registers 0 and 1, but now for channel C.
Register 6:
  This registers manipulates the noise generator with its lower  5 
  bits. Also here: the lower the value,  the higher the noise fre-
  quency.
Register 7:
  In this multi-function register,  the individual bits  determine 
  different functions:

      Bit 0:  Tone from channel A on (0) or off (1)
      Bit 1:  Tone from channel B on (0) or off (1)
      Bit 2:  Tone from channel C on (0) or off (1)
      Bit 3:  Noise for channel A on (0) or off (1)
      Bit 4:  Noise for channel B on (0) or off (1)
      Bit 5:  Noise for channel C on (0) or off (1)
      Bit 6:  Port A is an output (1) or input (0) port
      Bit 7:  Port B is an output (1) or input (0) port

Register 8:
  The lower 4 bits determine the volume of the signal coming  from 
  channel A.  Bit 4 has a special meaning. When it set (also, when 
  it is 1),   the volume is determined by the  waveform  register. 
  Bits 0 to 3 (also the lower 4 bits) are then ignored.
Register 9:
  Just like Register 8, but now for channel B
Register 10:
  Just like Register 8, but now for channel C
Registers 11 and 12:
   All  16  bits of these registers determine the  length  of  the 
   waveform.   The  contents of register 11 are treated as  a  low 
   byte, that of register 12 as the high byte.
Register 13:
   Bits 0 to 3 (agains the lower 4 bits) of this register are used 
   to determine the waveform of the waveform-generator as follows:

   B3 B2 B1 B0            Waveform:

   0  0  -  -             \__________________
   0  1  -  -             /__________________
   1  0  0  0             \\\\\\\\\\\\\\\\\\\
   1  0  0  1             \__________________
   1  0  1  0             \/\/\/\/\/\/\/\/\/\
   1  0  1  1             \------------------  
   1  1  0  0             ///////////////////
   1  1  0  1             /------------------
   1  1  1  0             /\/\/\/\/\/\/\/\/\/
   1  1  1  1             /__________________

Registers 14 and 15:
    These  registers belong to the two 8-bit  ports.  Port  A  has 
    register   14,  whereas  port B has register  15.  Is  a  port 
    programmed for output (see bits 6 and 7 of register  7),  then 
    the value to be put out can be determined by these  registers. 
    This is the same as they are programmed for input.

So....now  we know everything there is to know about the  YM  2149 
sound  chip  in  the ST systems.  But how  can  the  soundchip  be 
controlled from BASIC (the language most people regularly use)? To 
achieve sound in BASIC, it has two commands: SOUND and WAVE. SOUND 
isn't really difficult to understand:  it needs five parameters to 
go with it, seperated by a comma:

        SOUND register, volume, note, octave, length

The register can be 1,2 of 3,  for channel A,B and C respectively. 
The volume is determined by 4 bits, so this value can be between 0 
and 15 (15 is the maximal volume).  The value for the note can  be 
between  1 and 12 (I suppose there are 12 notes in  each  octave), 
whereas  the value for the octave can be between 1 and 8  (because 
the YM 2149 has 8 octaves).  The length of the note can be between 
0 and 255. "1" stands for 1/50 of a second.
Now  the  WAVE  command....that's  more  difficult,  but  not  too 
difficult if you've read the register-part of this article.
The WAVE command also needs five parameters, seperated by a comma:

        WAVE channel, determine, waveform, period length, length

Through  the "channel" parameter you can determine which  channels 
should  be on,  and to which channels noise should be  added.  You 
must look at this parameter binary;  it sets or clears bits 0-5 in 
register 7. An example: value 37 (that is binary %100101) does the 
following: you have to know that when a bit is cleared in register 
7,  the actual channel is activated. In the WAVE command, you have 
to set the bits to set the channels (and to clear register 7). You 
see that bits 0,2 and 5 are set with the value 37. This means that 
channels  A and C are activated,  while noise is added as well  to 
the latter channel (channel C).  Get it? Now, let's go on with the 
second  parameter.  That determines whether the volume is  set  by 
the volume parameter in the SOUND command,  or by the waveform  in 
the  WAVE command (that way,  the volume differs during the  whole 
note).  So  it sets or clears bits 4 of registers 8  to  10.  This 
parameter also has to be treated as a binary value of three bits - 
so the range would be between 0 and 5.  Bit 0 of this value is for 
channel  A,  bit  1 for channel B and - of course - bit 2  is  for 
channel C.  If a bit is cleared,  the volume of the  corresponding 
channel is determined by the SOUND command for that channel.  When 
a bit is set,  however,  the waveform determines the volume.  So a 
value of 0 lets all volumes be determined by the SOUND commands.
The third parameter affects register 15 (see the above), to enable 
the programmer the choose from 16 waveforms (so the value of  this 
parameter will be between 0 and 15). Look at these waveforms above 
and  you  will  have to  experiment  a  little,  too.  The  fourth 
parameter  determines  the  length of a period  (vibration)  of  a 
musical note.  It can be between 0 and 65535,  where you might get 
additional  frequencies  of  the value choosen  turns  out  to  be 
smaller than about 1000.  Remember:  the shorter the  period,  the 
higher the frequency!  The fifth parameter, to  close this part of 
this  article,  determines  - like the SOUND command -  the  total 
length of the note. I suppose this value can also be between 0 and 
255.

We  hope  to have told you all you need to  know  for  programming 
sound on the Atari ST's sound chip.  If you think you have made  a 
terrific   piece   of  music  (better   than   "Temple   Trilogy", 
"Brataccas",  etc.),  please let us know.  If it's not too big, we 
might even publish the source code (or BASIC listing) in a  future 
issue of ST NEWS....