Part III: Music

THE WIZARDS PART III - PROFESSIONAL SOUND PROGRAMMING
by Erik and Jochen of TEX

Finally,  now  the  time has arrived for which all  you  computer 
freaks have been waiting such an incredibly long time:  The third 
part  of  the  amazing series in which  the  hacking  group  "The 
Exceptions"  explains all about their  programming  tricks.  This 
time:  Professional  music programming on the ST,  together  with 
some amazing SOURCE stuff for a really good  synthesizer!!!  Many 
thanks need to go to Mr.  Tarik Ahmia of 68000'er/ST Magazin  for 
giving his permission for us to use these articles in ST NEWS.  

  This  time,  there's a special bonus for those among  you  that 
uptil  now always doubted the simple musical capabilities of  the 
ST:  An  exclusive music routine for ST NEWS that you can use  in 
your  own  programs  and that is supplied  with  several  special 
effects!
 You know the recipe:  First I,  Erik,  will talk a bit with  you 
about  the  background story of TEX,  and  then  the  specialist, 
Jochen, will tell you how it is possible to get decent music from 
the ST.

  That this is very difficult,  nobody knows better  than  Jochen 
himself. Our second demo (LSD, Little Sound Demo; we talked about 
that  in  ST  NEWS Volume 3 issue 6) was  barely  ready  when  he 
already started improving his synthesizer routine.  Heated up  by 
real  'sound  orgies',  that were especially  celebrated  by  the 
English  music programmer Rob Hubbard on the Commodore  64,  'Mad 
Max'  eagerly sought to get similar effects from the  prehistoric 
soundchip of the ST. Some things have to be said in advance:
  When  looked  at  objectively,  our ST  surely  has  the  worst 
soundchip of all current home computers (exceptions  later).  The 
Commodore 64 as well as the Amiga are way ahead. But, immodest as 
it  may  sound,  Jochen  doesn't allow  hardware  limitations  to 
impress him much,  just like the rest of our strange group. Soon, 
my  old  C-64 moved to our music freak more and  more  often,  to 
assist him with reference during the conversion of Rob  Hubbard's 
game music;  since we had received some positive reactions to our 
demos,  the motivation grew to make a third program of this  kind 
to  put  all previous once in the shade.  Whilst  my  nothingness 
started making a small portrait of the mentioned Rob Hubbard, and 
Udo was busy working out some new ideas for new  effects,  Jochen 
didn't  do nothing either.  Perhaps,  the way in which music  was 
converted  from the 64 to the ST might be interested for some  of 
you.  At  the time of the creation of our third  demo,  this  was 
still  very tiring.  Jochen knew how to read Hubbard's C-64  note 
format like other people read comics,  but the whole thing had to 
be typed and converted in the head to Jochen's note  format,  and 
then typed into the ST.  Next,  he had to try to make the  sounds 
arising  from  the 'bread toaster' sound as much like the  64  as 
possible, with the modest capabilities of the Yamaha soundchip.

  That's  how  8  pieces  of  music  were  developed  that   were 
desperately looking for some competition back then.  Further, the 
creation  of  the third demo was quite the same as  that  of  the 
other  two.  We worked for weeks and then,  on one night and  the 
morning  after that,  we mashed the whole thing together  to  the 
best  TEX-Demo then existing.  Except for the good  sound,  there 
were  two astounding things to note in the new  demo:  A  'Three-
channel-LED-VU-metre  display' and a scroll line  that  displayed 
dozens of colors (thus giving the third demo its name:  'LCD'  or 
'Little Color Demo'). After that, there was peace and tranquility 
for some time. Like people can still read in the 'LCD', we didn't 
want  to  produce any demos for a while (boy,  were  we  naive!), 
mainly because Udo and myself were working some time already on a 
commercial program - a game,  of course.  At the moment that  you 
read  these  lines,  it  will  still probably  not  be  for  sale 
anywhere.  Nobody  is  surpised by that,  and we  in  the  least, 
because  we  couldn't resist to throw away our time  making  more 
demos of course.

  First,  it was impossible to resist the temptation of making  a 
slideshow  for  Neochrome  pictures,  as a friend  of  ours  from 
Mannheim (working under the pseudonym ALYSSA) had discovered  how 
it is possible to display graphics in the lower border of the ST. 
Next, Udo succeeded in displaying complete pictures, scrolling in 
the  lower border,  setting rasters,  playing music with  digital 
sound  effects and loading pictures with the operating  system  - 
all simultaneously! But more about that in a later article.

  Now,  we are interested in music,  and everybody who knows  our 
demos should now immediately think of our 'B.I.G. Demo', since it 
contains  127 different pieces of music.  The one that this  time 
started  it  all  was our good  friend  Richard  Karsmakers  from 
Holland,  now ex-editor (but special correspondent) of just about 
the  best disk magazine for the Atari,  ST  NEWS  (thanks,  guys! 
ED.).  After he had convinced us (or,  rather,  Jochen) to supply 
his disk magazine with background music, he started bombarding us 
with  plans for a demo that should put everything else  that  had 
then been finished in the shade!  He plainly stated that it would 
be  very nice for a demo to contain ALL the musical  compositions 
ever made by the music programmer that he (and we)  admired:  Rob 
Hubbard!  Before we, others, only had the chance to breathe, 'Mad 
Max'  had already agreed.  He had surely not done that if we  had 
not  made an interesting tool.  Because while I was  soldering  a 
cable for data transfer from 64 to ST,  Udo had programmed a  bit 
on both computers so that the whole RAM memory of the 64 could be 
stuffed into the upper part of the ST's RAM.  The tedious  typing 
that  Jochen had to do was now definite history,  and  what  else 
could  he  do  then  to write a  conversion  routine  to  convert 
Hubbard's  note format directly to his?  Some work is still  left 
then,  however,  since not everything can be translated,  and the 
seperate voices have to be manually adjusted - still  today.  But 
this  data transfer cable was the condition needed to start  with 
something  crazy  like  the 'B.I.G.  Demo' in  the  first  place. 
Additionally,  TEX  had gained some powerful support by means  of 
Michael  (Daryl) and Gunter (6719).  The production time of  this 
project was, just allow me to use an eufemism, long.
 Over three months we worked,  more or less intensively,  on  our 
5th demo,  and in the end it turned out that we had all put  more 
work  in it than we had wanted to and than that was good for  our 
game.  The program-technical and graphical tricks that we used in 
this program will be revealed some other time. With regard to the 
sound and music,  the endless list of musical compositions wasn't 
enough  to satisfy us.  In the 'B.I.G.-Demo',  there was a  world 
premier  of  one  of Jochen's new  programs:  The  digital  sound 
synthesizer! It could do nothing less than creating musical notes 
through  the  same  principle that the Amiga  soundchip  uses  to 
create them.

 But one thing after the other.  Let's first talk about  Jochen's 
'normal' synthesizer program,  and how it creates music with  the 
built-in  soundchip.  This soundchip was developed by Yamaha  and 
listens to the name 'YM 2149'.  At the time it was introduced, it 
was  a  blessing for all Coin-up producers and was  now  able  to 
supply the newest arcade games with sounds never heard before. We 
hereby mean current arcade hits like Pac-Man, Asteroids and other 
oldies that we now think back about with tears of emotion.  Tears 
of sadness, however, can be seen in one's eyes when one discovers 
that  this ancient technical piece is again found in one  of  the 
hottest home computers at the end of the eighties. Probably, Jack 
Tramiel's developers treated the YM like a port chip anyway, that 
accidentally  had some music generating circuits attached to  it. 
Yeah,  all right,  I will stop this now.  It just had to be  said 
once.  The  technical  data of the chip speaks  for  itself:  The 
mentioned ports,  two in number, switched as in-and output ports, 
take over data exchange with the disk drive and the printer.  For 
the  creation  of  music,   they  don't  do  much,  as  you  will 
understand.

  The  following specifications can be set for any of  the  three 
sound channels still left:

1. Volume. Can be specified from 0-15.
2. Frequency. Selectable from 30 - 150.000 Herz (?)
3. ADSR tables. One of 10 pre-defined ADSR types selectable.

  The waveform specifies how a tone handles  its  Attack,  Decay, 
Sustain  and  Release,  so that one often talks  about  an  ADSR-
waveform.  A piano, for example, has a rapid attack, doesn't keep 
the tone going for long and takes a long time to disappear.  This 
is almost everything one needs to say about these  tables,  since 
the sounds produced by these tables don't sound all too well, and 
are almost all equal as well.
  The  YM-2149  knows  only  one  true  waveform,  which  is  the 
rectangular  waveform.  Additionally,  one (and the  same)  noise 
generator can be added to the voices.  That's about  it.  Really, 
there isn't any more!

  To illustrate that it really isn't much,  we will have a  brief 
look  at the SID,  the soundchip of the C-64.  It also  has  just 
three  voices,  that all have to share the same volume  register. 
Additionally, it has:

1.   Four different ADSR tables  (rectangle,  triangle,  sawtooth 
     and noise)
2.   With  rectangle:   Variable  puls  width  (relation  of  the 
     negative and the positive wave parts)
3.   Ring  modulation  (a second voice can be  modulated  by  the 
     frequency of another)
4.   Selectable high-and low pass filters
5.   Limitless specifiable waveforms

  All these features can be specified for each individual  voice. 
This  assures  that  a more widely varied sound  pattern  can  be 
created  -  and just think that this C-64 computer  exists  since 
1982!
  You  might now perhaps wonder why a regular ST freak  talks  so 
badly  about his machine's musical capabilities.  The reason  for 
this is the fact that we find that it should be common  knowledge 
that  the ST hasn't particularly been supplied with superb  stuff 
with regard to sound production.  When you often read, in reviews 
of music programs or games, that the "sound is almost never worse 
than on the C-64",  this proves that mankind and particularly the 
software  reviewers  (no,  not  you,  Boris!) do  not  have  much 
knowledge of the above said.  It is especially irritating when  a 
programmer takes much trouble to get better sound from the ST and 
that  this is recognized nowhere (I am hereby  thinking  e.g.  of 
"Sapiens",  a French program with good, three-voice digital music 
in the background).  Enough smalltalk.  Since there are, like you 
surely  must have heard or noticed,  methods to create  something 
better  than obnoxious bleeping on the  YM-2149.  As  usual,  the 
software has to do the work here.  So let's look at the principal 
operation of a synthesizer routine.

 First, the program should run on the background, 'on interrupt', 
so  that the music can be played simultaneously with the  program 
(of  which the music in ST NEWS is an  excellent  example).  This 
also  has  the advantage that the sound processing  routines  are 
executed regularly.  In the ST,  the 200Hz timers can be used for 
this,  or,  like  with  our  program,  the  VBL  (Vertical  Blank 
Interrupt);  this one is executed 50 (or 60) times per second (70 
times  in monochrome mode,  ED.).  Principally,  such  a  program 
doesn't  do much more than getting notes and note lengths from  a 
table  and writing this (converted through a frequency  list)  to 
the  soundchip.  Since the routine is executed regularly,  it  is 
also  possible  to  change the soundchip data  regularly  -  this 
creates  the  effects  that  can normally  not  be  done  by  the 
soundchip  itself.  In the synthesizer routine that is  added  on 
this ST NEWS disk, the following effects are built in:

 1. Frequency  modulation.  By  regularly  changing  the  current 
    frequency a bit,  a new sound pattern is created.  One  could 
    describe  this  as 'pingling' (sorry  for  the  word,  folks! 
    German is 'klingeln')
 2. Vibrato.   This   seperately  mentioned  way   of   frequency 
    modulation causes the note to 'float'.
 3. Custom  ADSR-waveforms.  What one doesn't have,  one  has  to 
    program!  Working through a table of soundchip volume values, 
    the ADSR of a note can be specified.

 All these manipulation possibilities together bring a remarkable 
effect from your speaker; just listen to the small demo song that 
is  added at the end of the listing on the  disk.  Before  Jochen 
will start explaining all there is to know about working with his 
program,  I  will talk briefly about the operation principles  of 
the 'digital synthesizer' I mentioned earlier.

  This  miracle  of programming art (cough cough)  gives  the  ST 
similar sound capabilities than the Amiga, but it costs of lot of 
processor time.  In memory,  just a single digitized sound of any 
instrument is needed,  and the software can play that on  various 
lengths or frequencies. Up to four of these voices are then mixed 
together  and  played  through the  soundchip.  Only  the  volume 
register, that is misused as Analog-Digital converter, is applied 
here.  The whole thing still runs 'on interrupt',  but one has to 
know that this method of creating sound costs about 70-80% of the 
total available processor time.  How it functions precisely, will 
for a time remain our secret - we don't want to give away all the 
cookies! Instead of that, I will now give the keyboard to Jochen, 
who will now talk about the principles of his listing.

  Greetings  to  all you music freaks!  This  is  Jochen  on  the 
keyboard.  In the next piece, you will be able to read everything 
about  how  to use the assembler source that is added on  the  ST 
NEWS disk (in the folder "PROGRAMS";  it is called something like 
SYN68000.S).  I  am  afraid  you have to type in  all  notes  and 
effects directly in the assembler,  as I didn't have the time  to 
write a user interface for this synthesizer.  By the way, I do it 
manually with my 'big' synthesizer programs as well,  that I  use 
for our demos and for commercial pieces of music.  All songs  are 
directly edited in the assembler. So here we'll go...

USER MANUAL for the 68000 synthesizer (by Mad Max from TEX)

Preface:

 This program should only be used by people that have  experience 
with programming in assembler.

The synthesizer commands and their syntax:

Label 'Pointer'
---------------
 Three pointers to the sequence tables.

The sequence tables:

 Every voice can create seperate sequences after each other, just 
 like in a string. Each time, they have to be ended with the byte 
 $FF.  The  numbers specify the numbers of the  sequences  meant. 
 However, when the seventh bit is set, then a 'transpose' byte is 
 meant. The lower 6 bytes then specify the height.
 Example:   $8C <------ The voice is transposed with $C half tone 
             ^          steps up
            bit 7 set...

Label 'seqtab'
-------------
 These pointers point to their own sequences.

The sequences; the actual note input

  Every note starts with a signal byte of which every  bit  takes 
over a function.

       Is the signal byte $FF, than the sequence ends here.

       Bit  0 to 4 specify the note length -1 (0 to 31)  and  are 
       always before a note.
       A whole note is 32-1, so that would be 31 ($1F)
       A half note is 16-1, so that would be 15 ($0F)
       Etc.

       When bit number 5 is also set,  this note will be attached 
       to the previous one.
       Syntax : Signal byte, Note
           or : Signal byte, Waveform number, Note

       When bit 6 is set, the program knows that this is a pause.
       The syntax of pause is: Signal byte.....
       When bit 7 is set,  the progrmam expects the number of the 
       waveform.
       Syntax : Signal byte, Waveform number, note

The notes:

       Every  note has a number between $0C (12) and  $6C  (108). 
       The program counts in half-note steps...
       $0c is a deep C
       $0d is a C#
       $0e is a D
       $0f is a D#
       $10 is an E
       $11 is an F
       ....
       $30 is a C''
       etc.

Example for a sequence

bsp:
       dc.b $87,$00,$18,$07,$1c,$07,$1f,$07,$21,$07,$22,$07,$21
       dc.b $07,$1f,$07,$1c,$ff

  At the start of each sequence,  one should select the  waveform 
anew, or else the old one will be used.

Let's look at the first note...

         '$87,$00,$18'

In the signal byte,  bit 7 is set, i.e. a waveform number must be 
specified  (in our small example,  this is $00).  The lower  five 
bits form number $07, i.e. a quarter note ($08-1).

Then, the note always follows. $18 means a C'.
The next signal byte is again $07, so yet another quarter note...
This  continues several times until the $FF byte -  the  sequence 
ends here.

The Arpeggio tables:

 Arpeggio's are rapidly following note heights,  that have to  be 
 set in this table (with Arpeggio's,  it is possible to  simulate 
 chords).
 An  Arpeggio exists of a number of note steps,  that are  called 
 after  each other.  Every Arpeggio step function just  like  the 
 same principle as Transpose (see Transpose).  If one would  want 
 to simulate a Dur-chord,  for example,  the numbers should  look 
 like this:

 $0c $07 $04 $00

 This  is  like you're playing a chord  with  four  fingers.  For 
 example C-moll:    First finger C' ($0C)
                    Second finger G ($07)
                    Third finger E  ($04)
                    Fourth finger C ($00)

 How you use Arpaggio tables in the program,  I will explain with 
 our example.

 1. Next, you have to put a pointer to the Arpeggio table so that 
    the  program knows where the table is in  memory.  This,  you 
    have to do with the 'Arpeggiotab' label.
 2. You  have  to  set the speed at which  the  table  should  be 
    handled.
 3. Type the table after each other in the listing.
 4. End the table with the byte $FF.

   Example:
    
         arpeggiotab:
               dc.l arp0,arp1,arp2,arp3,our_table
         arp0:....
         arp1:....
         arp2:....
         arp3:....
         our_table:
               dc.b $01,$0c,$07,$04,$00,$ff    ---> End mark $ff
                     ^   ^                
                     ^   ---------Our Dur-Table
                     maximal speed (1 -> fast 3... -> slow)
        
 
 The  specification number can be calculated by the  position  it 
 has  in  the  list,  minus  one (in our  example  on  the  fifth 
 position, so 5-1 is 4!).
  This  specification number will have to put  in  the  'wavetab' 
table.

The waveform tables

 They are built up much like the Arpeggio tables.

    wavetab: dc.l pointer on the wave tables....

    wave0:
                dc.b 
                        1st  Byte - > The Arpeggio  specification 
                                        nr.
                        2st  Byte - > The  speed with  which  the 
                                        ADSR
                                      waveforms     should     be 
                                        handled...
                        3rd Byte - > Vibrato speed
                                   (1 = fast,100 = slow)
                        4th Byte - > Vibrato-strength
                                   (1 = weak,100 = strong)

                        From now on, the ADSR waveforms follows,
                         according to the volume registers of the
                         soundchip.

                        This table also end with the byte $FF.

 So far everything's alright.  I hope it can be understood.  Have 
fun with trying and experimenting!

 So that's yet another part of "The Wizards",  dear readers. Next 
time,  we will not spoil the ear, but the eye: Graphical tips and 
tricks can be expected. 'Till then, bye!

 A last note for those among you who do not know much of  working 
in assembler:
 After having loaded the SEKA assembler,  you can load the source 
by  typing  'R' (return),  and then the file  name  (followed  by 
return).  Then, you type 'A' (followed twice by return). Now, you 
must switch to supervisor mode.  This can be done by typing 'XSR' 
(return) and '$2300' (return).  Now, you can start the program by 
typing  'G' (followed twice by return).  You will then  hear  the 
sample tune!

  If  you have questions or stuff like that for  The  Exceptions, 
please write to:

 TEX
 Postfach 1322
 D-6702 Bad Dürkheim
 West Germany

  Don't forget to add an International Reply Coupon (or  several, 
depending on the weight of your package).
�