全球首款STC32G12K128 多音源芯片音乐合成器内含ADPCM/FM/Wavetable/PSG多种合成原理

denj*** · 发表于前天 22:48

STC_Chiptune

STC32G12K128 多音源芯片合成器。通过 UART 接收命令，PWM 8-bit DAC 输出音频，实时模拟 6 种经典音源芯片 + ADPCM 采样。

开发者: Denjhang (硬件设计/系统架构), Claude (GLM-5) (固件开发/工具链/上位机)

功能演示视频请看bilibili：STC32G音源演示视频 https://space.bilibili.com/579590644/upload/video

1. 硬件
- 1.1 参数总览
- 1.2 引脚分配
- 1.3 PWM DAC 输出原理
1. 音源架构
- 2.1 活跃音源总览
- 2.2 混音与处理
- 2.3 AY8910 (YM2149)
- 2.4 SN76489
- 2.5 FM 合成 (自定义 2-Op)
- 2.6 Gigatron TTL 波形
- 2.7 WT 波形表
- 2.8 ADPCM 采样
- 2.9 已放弃的音源
1. UART 协议
- 3.1 通用命令
- 3.2 WT 寄存器
- 3.3 FM 寄存器
- 3.4 ADPCM 寄存器
1. 上位机工具
- 4.1 VGM 播放器
- 4.2 ADPCM 鼓声测试
- 4.3 ADPCM 鼓机 (ini 驱动)
- 4.4 ADPCM 变频测试
- 4.5 ADPCM 通道调试
- 4.6 SF2 旋律测试
- 4.7 SF2 变频扫频
- 4.8 WT 扫频测试
- 4.9 离线工具
- 4.10 配置文件
1. 工具链与编译
- 5.1 工具链
- 5.2 编译步骤
- 5.3 编译注意事项
1. 目录结构
1. 开发历程
1. 参考项目与移植说明
- 8.1 AY8910 — libvgm
- 8.2 SN76489 — libvgm
- 8.3 FM 合成 — ArduinoUnoTinyFmKeyboard
- 8.4 WT 波形表 — ArduinoUno WaveMemorySyns
- 8.5 Gigatron — Denjhang_Music_Player

1. 硬件

1.1 参数总览

参数	值	说明
MCU	STC32G12K128	32 位 C251 指令集。128K Flash, 4K SRAM + 8K XRAM
系统时钟	38 MHz	IRC 内部 RC (Fosc=38000000)
DAC 输出	P2.0 (PWMA PWM1)	8-bit PWM DAC, 载波 148kHz, 详见下方
采样率	17640 Hz	Timer0 ISR
串口	UART1 @ 115200 baud	Timer1, 2048 字节环形缓冲
LED	P0 端口	8 位, 按活跃音源通道显示
任务调度	294 tick	~60Hz 调用 process_uart(), 解析命令

1.2 引脚分配

引脚	功能	说明
P2.0	PWMA PWM1 → 音频输出	8-bit PWM DAC, 接 RC 低通滤波 + 运放 → 扬声器/耳机
P1.6/P1.7	UART1 TX/RX	115200 baud, 接 USB-TTL
P0.0-P0.7	LED 指示灯	8-bit, 按音源通道活跃状态显示
P3.4/P3.5	STC-ISP	编程接口 (TXD2/RXD2)

1.3 PWM DAC 输出原理

硬件配置

使用 STC32G 内置高级 PWM 模块 (PWMA) 通道 1, 输出到 P2.0:

PWMA_ARR = 255          (8-bit 分辨率, 0-255)
PWMA_CCR1 = sample       (ISR 写入, 128=静音中点)
PWMA_PSC = 0             (无分频)
载波频率 = 38MHz / 256 = 148.4kHz

寄存器配置:

CCMR1 = 0x68 — PWM mode 1, 预装载使能
CCER1 = 0x05 — CH1 输出使能, 低电平有效
PS |= 0x01 — P2.0 映射到 PWM1 输出
BKR = 0x80 — 主输出使能

音频输出链路

Timer0 ISR (17640Hz)
  → 6 种音源混音 → s16 mix (-128~+127)
  → out = 128 + mix → u8 (0~255)
  → PWMA_CCR1L = out (直接写比较寄存器)
  → P2.0 输出 148kHz PWM 方波
  → RC 低通滤波 (截止 < 10kHz)
  → 运放缓冲
  → 扬声器 / 耳机

设计要点

8-bit 分辨率: 256 级, 信噪比 ~48dB, 够用于 chiptune 风格
载波 148kHz: 远高于音频 20kHz, 简单一阶 RC 即可滤除
静音偏置 128: PWM 占空比 50% = 无音频输出
OPTIMIZE(8, SPEED): Keil 最高优化, 确保 ISR 在 56.7us (17640Hz 周期) 内完成

2. 音源架构

2.1 活跃音源总览

音源	命令前缀	通道数	渲染频率	说明
AY8910 (YM2149)	`0xA0`	3 方波 + 噪声 + 包络	17640Hz	完美, ZX Spectrum/MSX 曲目
SN76489	`0x50`	3 方波 + 噪声	17640Hz	Sega Master System, 3 种变体
FM (自定义 2-Op)	`0x51`	16 voice (32 op)	17640Hz	2-Operator FM, 6 种波形
Gigatron	`0xB0`	4 ch	8820Hz	4ch TTL 波形, 直接写 fnum
WT (Wavetable)	`0xC0`	4 ch	17640Hz	14 种波形, ADSR 包络
ADPCM	`0xC0`	6 ch	17640Hz	鼓声 + SF2 旋律采样

2.2 混音与处理

Timer0 ISR 17640Hz 逐 tick 渲染所有活跃音源, 累加后 clamp 到 8-bit DAC:

mix = ay*1.5 + sn*0.75 + fm*1.5 + gt*1.5 + wt*1.5 + adpcm*1.5
clamp(-128, 127) → 128+offset → PWM

UART 处理

每 294 tick (~60Hz) 调用 process_uart(), 从 2048 字节环形缓冲解析命令。

2.3 AY8910 (YM2149)

参考芯片 YM2149 (AY-3-8910), 完美仿真。

架构

3 方波通道 + 1 噪声通道: 每通道 12-bit 频率 (reg 0/1, 2/3, 4/5), 4-bit 音量 (reg 8-10)
包络发生器: 12-bit 频率 (reg 11/12), 4 种形状 (reg 13: hold/alternate/attack/continue)
噪声: 可编程分频 (reg 6), 17-bit LFSR (seed ^= 0x24000 if LSB, seed >>= 1)
混合: 每通道独立的音调屏蔽 + 噪声屏蔽 (reg 7)
音量表: 32 级 (ay_voltbl[32], 16 级 x2 对称)

频率映射

AY_CLK = 1789772 Hz (NTSC), 24-bit 基数 AY_BASE_INCR = 212779134。内部计数器每 tick 增加 base_incr, 取高 8 位作为步进量驱动方波/噪声计数器。

渲染

每 tick: 方波翻转 → 噪声 LFSR → 包络步进 → 查表混音。方波输出 = 音量 × 方波/噪声混合, 总输出 = 3 通道之和。

2.4 SN76489

参考芯片 SN76489 (Sega Master System), 支持 3 种硬件变体。

架构

3 方波通道 + 1 噪声通道: 每通道 10-bit 频率 (高 6 位 + 低 4 位分两次写入), 4-bit 音量
音量表: 16 级 (sn_voltbl[16], 对数衰减: 255→0)
噪声: 可编程分频 (reg 6 低 2 位: /1, /2, /4, /8)

3 种变体

变体	移位寄存器宽度	Taps	说明
SN76489 (TI)	15 bit	0x0003 (bit0,1)	原版 TI
Sega VDP (默认)	16 bit	0x0009 (bit0,3)	SMS/Game Gear
SN76489A	17 bit	0x000C (bit2,3)	Atari 变体

噪声 LFSR: 白噪声模式 (bit4=0) fb = rng & 1, 周期噪声模式 (bit4=1) fb = (masked != 0) && (masked != taps)。

渲染

SN_CLK = 3579545 Hz, SN_BASE_INCR = 212779193, 同 AY 的 24-bit 计数器。方波翻转 + 噪声, 输出 >>2 衰减。

命令格式

VGM 标准 2 字节: 首字节 0x80|reg, 次字节数据。锁存机制: dat & 0x80 时更新 last_reg。

2.5 FM 合成 (自定义 2-Op)

自定义精简 2-Operator FM 合成核心, 参考 ArduinoUnoTinyFmKeyboard 适配 38MHz/17640Hz。

架构

16 voice, 32 operator: 每 voice = op1 (调制器) + op2 (载波器)
6 种波形 x 64 entries = 384 bytes (code 段):

索引	名称	特征
0	tri	三角波, 64 点
1	clipsin	削顶正弦, ±20 饱和
2	rect	矩形波, ±21
3	sin	标准正弦, ±31
4	saw	锯齿波, ±31
5	abssin	绝对值正弦 (全波整流)

相位累加器: 16-bit (8.8 定点), pos += step, idx = (pos >> 8) & 0x3F
波形查表: fm_waves[(wave_idx << 6) | idx] — 位移代替乘法
频率: MIDI C1-C9 (note 24-127), 104 条目, step = freq * 16384 / 17640

2-Operator FM 算法

每个 voice 每采样周期:

OP1 (调制器): idx = (pos>>8 + fb_val) & 0x3F, wave = fm_waves[wi*64+idx]
OP1 包络: ch_out = wave * (level+1) * (tl+1) >> 10 — 移位代替除法
OP1 反馈: fb_val = ch_out >> fb (fb=0-7), 累积到下次相位
OP2 (载波器): idx = (pos>>8 + op1_ch_out) & 0x3F — 调频核心
OP2 输出: 同 OP1 包络公式
voice_out = op2_out, 总输出 = sum(voice_out)

音色模板 (reg 0x00-0x09, 全局共用)

寄存器	说明
0x00	调制器 MULTI (0-15)
0x01	载波器 MULTI (0-15)
0x02	调制器 TL (0-31, 调制深度)
0x03	载波器 TL (高5位) + 反馈 (低3位)
0x04	调制器 AR
0x05	载波器 AR
0x06	调制器 SL
0x07	载波器 SL
0x08	调制器波形 (低3位, 0-5)
0x09	载波器波形 (低3位, 0-5)

Note On 时音色模板自动应用到两个 operator。mul=0 时 step = freq/2。

ADSR 包络

4 态: Attack → Decay → Sustain → Release。速度表 fm_env_cnt[16] (0-255) 控制每级包络的 tick 间隔。 env_cnt 倒计数到 0 触发一级变化。level 范围 0-31。 Round-robin: fm_wait_cnt & 0x0F, 每个 tick 只更新 1 个 operator 的包络 (16 voice = 每 16 tick 轮一圈)。

运算优化

8.8 定点相位, 位移取波形索引 (>>8, & 0x3F), 无浮点
位移查表 (wave_idx << 6) 代替乘法索引
包络 >> 10 代替 /(31*31) (误差 < 0.5%)
Round-robin 包络 tick 分散 CPU 负载
反馈 >> fb (0-7) 一条移位指令

2.6 Gigatron TTL 波形

参考 Gigatron TTL 计算机, 4ch 波形合成。

架构

4 通道: 共享 256 字节波形表 (可运行时自定义写入)
16-bit 相位累加器: osc += step, idx = (osc >> 7) & 0xFC
fnum 直接写入: 14-bit (7-bit fnumL + 7-bit fnumH), step = key * 44 / 101
波形选择: wavX (XOR 掩码) + wavA (幅度偏移)
渲染频率: 8820Hz (每 2 tick 渲染一次)

波形表

初始化时伪随机生成 4 种波形, 每 4 字节一组: noise/tri/pulse/saw。运行时可通过 addr 0x14-0xFF 自定义写入任意波形数据。

渲染

每通道: idx = (osc >> 7) & 0xFC ^ wavX, val = sound[idx] + wavA, clamp 到 0-63。 4 通道求和 + 偏置 3, 输出 samp - 131 映射到 ±128。

2.7 WT 波形表

Wavetable 波形表合成器, 参考 fm.c 架构和 ArduinoUno_wavetable_synthesis。

架构

4 通道: 独立相位/包络/音量
14 种预置波形 x 128 entries = 1792 bytes (code 段):

索引	名称	特征
0	sq12	GB duty 12.5% 方波
1	sq25	GB duty 25% 方波
2	pulse50	50% 方波
3	sq75	GB duty 75% 方波
4	sin	标准正弦, ±31
5	clipsin	削顶正弦, ±20 饱和
6	abssin	绝对值正弦 (全波整流)
7	halfsin	OPL3 Sin1: +sine/0
8	qsin	OPL3 Sin3: sine/0/sine/0
9	altsin	OPL3 Sin4: 2x freq +/-/0/0
10	althalfsin	OPL3 Sin5: 2x freq +/0/0/0
11	tri	三角波
12	saw	锯齿波
13	gb_dmg	DMG 默认 WaveRAM

相位累加器: 16-bit, pos += step, idx = (pos >> 5) & 0x7F
波形查表: wt_waves[(wave_idx << 7) | idx] — 7-bit 位移代替乘法
频率: MIDI C1-C9 (note 24-127), 104 条目, step = freq * 8192 / 17640
波形长度: 可切换 32/64/128 (reg 0x14)

ADSR 包络

4 态: Attack → Decay → Sustain → Release。速度表 wt_env_cnt[16] (同 FM)。 Round-robin: wt_wait_cnt & 0x03, 每 4 tick 轮一圈 (4 通道)。

渲染

每通道: 波形查表 → 包络 → ch_out = wave * (level+1) * (vol+1) >> 10 → 求和。音色模板 (reg 0x10-0x13) 全局共用, Note On 时应用到通道。

2.8 ADPCM 采样

YM2608 ADPCM Type-A 解码, 49 级 JEDI 查表, 12-bit 累加器。

编码格式

JEDI 查表: jedi_table[49][16] = 784 x s16 (1568 bytes, code 段)
12-bit 累加器: 每 2 nibble 更新, acc = CLIP12(acc + table[nibble])
步进表: adpcm_step_inc[8] = {-16,-16,-16,-16,32,80,112,144}
8-bit 压缩比: ~3.2:1
线性插值: s_prev + (s_cur - s_prev) * frac >> 8

鼓声 (6种, one-shot, 无循环)

ID	名称	采样长 (bytes)	基准 Step	说明
0	BD (Bass Drum)	854	0x0100	底鼓
1	SD (Snare)	1219	0x0100	军鼓
2	CY (Cymbal)	5670	0x0080	镲片
3	HH (Hi-Hat)	732	0x0100	踩镲
4	TM (Tom)	1219	0x0080	嗵鼓
5	RS (Rimshot)	244	0x0080	边击

变频: Python 端计算 step = base_step * ratio, 通过 0x27/0x2D 写入
鼓变频无上限 (无循环, ISR 无压力)
包络: env_state=0 (无 ADSR), out>>5 增益归一化, total += out * vol >> 5

SF2 旋律乐器 (5种, 有循环, DSR 包络)

ID	名称	采样长 (bytes)	循环区间 (nibbles)
0	Piano	1164	1915→2127
1	SlapBass	1835	3017→3512
2	Guitar	3722	7080→7291
3	Oboe	2015	2425→2852
4	Harp	3187	3374→6372

ROM: SF2_ROM[11936] (11.7 KB), 12-bit 归一化 ADPCM
包络: DSR only (无 Attack), note_on 直接 level=31, note_off 触发 release
变频: 通过 0x27/0x2D 写 step, 上限 0x0400 (有循环, C5 以上死机)
循环: loop 回绕时恢复 acc/adpcm_step 状态 (防漂移)

ADPCM 通道分配

6 个通道复用: ch0-5 可同时播放鼓声或 SF2 旋律。通过 data 范围区分:

data 0-5: 鼓声
data 16-25: SF2 乐器 (16+inst_idx, inst_idx 0-4)

ADSR 包络 (SF2 旋律 + WT 共用)

参数	地址	说明
Attack	0x10 高4位	SF2 旋律不使用 (直接 level=31)
Decay	0x10 低4位	衰减速度
Sustain Level	0x11 高4位	0-15
Sustain	0x11 低4位	持续速度
Release	0x12	释放速度

包络速度表: pcm_env_cnt[16] = {0,1,2,3,4,5,7,10,13,20,29,43,64,86,128,255} Round-robin: 每 4 tick 轮一圈 (6 通道)。

2.9 已放弃的音源

以下 4 种音源在 STC8H8K64U 原型阶段实现, 迁移至 STC32G 后因资源/优先级考虑未启用。源码文件仍保留于 STC32G12K128/ 目录, main.c 中 #include 已注释, UART 命令分支保留但无效。

音源	命令前缀	通道数	状态	放弃原因
SCC (Konami)	`0xD2` (4 字节)	5 ch	源码存在, 注释	WT 完善后不再需要, 且 SCC 需 A51 汇编辅助
GB DMG (Game Boy)	`0xB3` (3 字节)	4 ch	源码存在, 注释	功能与 WT sq12/sq25/sq75/gb_dmg 波形重叠
NES APU (Ricoh 2A03)	`0xB4` (3 字节)	2 脉冲+1 三角+1 噪声+1 DMC	源码存在, 注释	与 AY8910/SN76489 功能重叠, CPU 开销大
SAA1099 (Philips)	`0xBD` (3 字节)	6 ch + 2 噪声	源码存在, 注释	通道数需求不足, 与现有音源重叠, 见 SAA 失败记录

相关文件: scc.c/h gb.c/h nes.c/h saa1099.c/h (及对应的 .LST 编译输出) 相关工具: tools/gen_scc_table.py (SCC 步进查表生成, 历史遗留)

3. UART 协议

3.1 通用命令

命令	格式	校验	ACK	说明
SN76489	`[0x50][data]`	无	无	2 字节, 透明
SN76489 变体	`[0x52][variant]`	无	无	0=SN76489 1=SegaVDP 2=SN76489A
AY8910	`[0xA0][reg][data]`	无	无	3 字节, 透明
FM	`[0x51][addr][data][xor]`	XOR	0xAA/0xFF	4 字节
Gigatron	`[0xB0][addr][data][xor]`	XOR	丢弃	4 字节
WT/ADPCM	`[0xC0][addr][data][xor]`	XOR	0xAA/0xFF	4 字节

3.2 WT 寄存器 (0xC0, addr 0x00-0x14)

地址	说明
0x00-0x03	ch0-3 Note On (data=MIDI note 24-127)
0x04-0x07	ch0-3 Note Off
0x08-0x0B	ch0-3 Volume (0-31)
0x10	ADSR attack
0x11	ADSR sustain_level
0x12	ADSR release
0x13	Wave select (0-13)
0x14	Wave length (0=32, 1=64, 2=128)

3.3 FM 寄存器 (0x51, addr 0x00-0x3F)

地址	说明
0x00-0x09	音色参数 (全局共用, 10 字节)
0x10-0x1F	Note On voice 0-15 (data=MIDI note)
0x20-0x2F	Note Off voice 0-15
0x30-0x3F	Volume override voice 0-15 (0-31)

3.4 ADPCM 寄存器 (0xC0, addr 0x15-0x33)

地址	说明
0x15-0x1A	ch0-5 Note On (data: 0-5=鼓声, 16-25=SF2乐器)
0x1B-0x20	ch0-5 Note Off
0x21-0x26	ch0-5 Volume (0-31)
0x27-0x2C	ch0-5 Step Hi (变频步进高位)
0x2D-0x32	ch0-5 Step Lo (变频步进低位)
0x33	MIDI Note (紧跟 SF2 Note On, 24-95)

4. 上位机工具

所有串口工具默认 COM12 @ 115200 baud (可在脚本头部修改)。依赖: pip install pyserial

4.1 VGM 播放器

python tools/vgm_player.py --list --vgm-dir vgm/ay8910     # 列出 AY8910 曲目
python tools/vgm_player.py 10 --vgm-dir vgm/ay8910          # 播放第 10 首
python tools/vgm_player.py --list --vgm-dir vgm/sn76489     # 列出 SN76489 曲目
python tools/vgm_player.py 16 --vgm-dir vgm/sn76489          # 播放第 16 首
python tools/vgm_player.py --list --vgm-dir vgm/opll        # 列出 FM 曲目
python tools/vgm_player.py <编号> --vgm-dir vgm/opll         # 播放 FM
python tools/vgm_player.py --fm-note 0 60                     # FM ch0 C4 单音
python tools/vgm_player.py --fm-scale                         # FM C1-C9 扫频
python tools/vgm_player.py --wt-scale                         # WT C2-C6 扫频
python tools/vgm_player.py --loop --vgm-dir vgm/ay8910       # 循环播放
python tools/vgm_player.py --speed 0.5 --vgm-dir vgm/ay8910  # 0.5x 变速

支持芯片: AY8910, SN76489, FM, WT, Gigatron。参数: --port COM3 --baud 115200 --dump 1 (十六进制转储命令流)

4.2 ADPCM 鼓声测试

python tools/adpcm_test.py                    # 14 种节奏风格全部播放
python tools/adpcm_test.py 3                  # 播放第 3 个风格

硬编码 14 种风格 (Modern/Rock/Pop/Funk/HipHop/Ballad/SlowRock/HardRock/Disco/DancePop/Trance/Jazz/Bossa/Square), 6 种鼓声 (BD/SD/CY/HH/TM/RS)。

4.3 ADPCM 鼓机 (ini 驱动)

python tools/adpcm_drumkit_pro.py             # 播放全部风格
python tools/adpcm_drumkit_pro.py 3          # 播放第 3 个
python tools/adpcm_drumkit_pro.py list       # 列出全部风格

从 drum.ini 读取 MIDI 映射 (35-81) + 别名 + 音量, 从 drum_patterns/*.ini 读取节奏序列。支持 per-drum 音量、per-pattern 音量覆盖、swing 节拍。

4.4 ADPCM 变频测试

python tools/adpcm_pitch_test.py             # 6 鼓 C1→C8 变频扫频
python tools/adpcm_div_test.py               # 同鼓不同 step 对比

4.5 ADPCM 通道调试

python tools/adpcm_ch_test.py                 # 逐通道发声确认
python tools/adpcm_debug.py                   # 触发通道 + 读 channel mask
python tools/adpcm_led_test.py                 # 6 通道 LED 确认

4.6 SF2 旋律测试

python tools/sf2_test.py                      # 5 乐器依次原音播放
python tools/sf2_test.py piano 60             # 钢琴 C4
python tools/sf2_test.py all 60               # 所有乐器 C4
python tools/sf2_test.py chord                # 和弦测试

4.7 SF2 变频扫频

python tools/sf2_sweep.py                     # 所有乐器 C1→4x→C1
python tools/sf2_sweep.py piano               # 钢琴
python tools/sf2_pitch_test.py                # 鼓路径变频 (无 ADSR)

4.8 WT 扫频测试

python tools/wt_scale_test.py                 # 14 种波形 C2↔C6 循环扫频
python tools/wt_pcm_debug.py                  # WT+ADPCM 简单测试

4.9 离线工具 (无需串口)

SF2 采样处理链:

python tools/sf2_extract.py                  # SF2 → WAV + JSON + C header
python tools/sf2_preview.py                  # PC 模拟 MCU ADPCM 解码 (含循环+变频)
python tools/sf2_verify.py                   # ADPCM 编解码往返验证
python tools/sf2_loop_sim.py                  # PC 模拟 MCU 循环回绕行为
python tools/sf2_player_sim.py <dir> [idx] [note] [dur]  # 完整 ADPCM 播放模拟
python tools/sf2_drum_test.py                  # SF2 乐器用鼓编码器验证
python tools/sf2_snese_sim.py                  # SNES SoundFont 预览 WAV

ADPCM ROM 生成:

python tools/gen_adpcm_rom.py                 # WAV → ADPCM ROM C header (sf2_rom.h)
python tools/adpcm_preprocess.py              # YM2608 原始鼓 → 重采样 17640Hz → ADPCM C header
python tools/adpcm_decode_wav.py               # ROM → WAV 解码验证
python tools/adpcm_interp_test.py             # PC 线性插值算法验证
python tools/adpcm_step_sim.py                 # PC 定点步进变频模拟

循环搜索算法:

python tools/adpcm_perfect_loop.py            # 最小方差 + 回文 + 交叉淡出自动寻环
python tools/fix_loop.py                      # 振幅+斜率匹配搜索更优 loop_end
python tools/polyphone_loop.py                 # 多点质量评分 + 交叉淡出烘焙

BRR 格式 (SNES DSP):

python tools/brr_test.py                      # BRR 编解码验证 (GME Spc_Dsp 兼容)
python tools/brr_loop.py                      # BRR 块状循环模拟

XI 格式 (YRW801/OPL4 波形):

python tools/xi_parse.py --list               # 列出 XI 乐器
python tools/xi_parse.py --wav 0x10 0x16       # 导出 WAV
python tools/xi_demo.py                        # XI 乐器包络+循环预览
python tools/xi_adpcm_test.py                  # XI → ADPCM 循环测试
python tools/xi_brr_test.py                    # XI → BRR filter=0 循环测试
python tools/xi_crossfade_test.py              # XI 交叉淡出循环测试
python tools/yrw801_extract.py                 # YRW801 ROM 直接解析 + WAV 导出

其他:

python tools/piano_pitch_sweep.py             # Grand Piano C3 采样 C1-C8 扫频
python tools/gen_scc_table.py                 # SCC 步进查表生成 (STC8H 历史遗留)

4.10 配置文件

文件	说明
`tools/drum.ini`	MIDI GM 35-81 鼓组映射 (drum_id + ratio) + 19 别名 + 全局音量
`tools/drum_patterns/*.ini`	14 个独立风格节奏序列 (bpm/bars/swing/vol)

5. 工具链与编译

5.1 工具链

工具	版本/路径	说明
编译器	`D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe`	Keil C251 (非 C51), STC32G 是 C251 架构
链接器	`D:/Keil_v5/C251/BIN/L251.exe`	C251 链接器 (非 BL51)
HEX 转换	`D:/Keil_v5/C251/BIN/OH251.exe`	输出 Intel HEX
烧录	STC-ISP	手动烧录 (串口 P3.4/P3.5)
上位机	Python 3 + pyserial	测试/播放工具

5.2 编译选项

#pragma LARGE          — LARGE 内存模型 (xdata/XRAM)
#pragma OPTIMIZE(8, SPEED) — 最高优化等级, 优速

5.3 编译步骤

方法一: 分步编译

cd STC32G12K128
rm -f *.OBJ
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe ay8910.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" "NOALIAS" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe sn76489.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe fm.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe gigatron.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe wt.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe adpcm.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe main.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/L251.exe ay8910.OBJ,sn76489.OBJ,fm.OBJ,gigatron.OBJ,wt.OBJ,adpcm.OBJ,main.OBJ TO build/MAIN 2>&1
D:/Keil_v5/C251/BIN/OH251.exe build/MAIN HEXFILE\(build/MAIN.hex\) 2>&1

方法二: 一行命令 (bash)

cd STC32G12K128 && rm -f *.OBJ ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe ay8910.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" "NOALIAS" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe sn76489.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe gigatron.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe fm.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe wt.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe adpcm.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/C251.exe main.c "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)" 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/L251.exe ay8910.OBJ,sn76489.OBJ,gigatron.OBJ,fm.OBJ,wt.OBJ,adpcm.OBJ,main.OBJ TO build/MAIN 2>&1 ; D:/Keil_v5/C251/BIN/OH251.exe build/MAIN HEXFILE\(build/MAIN.hex\) 2>&1 ; echo "BUILD DONE"

5.4 编译注意事项

编译器是 C251.EXE (不是 C51), 链接器是 L251.EXE (不是 BL51)
bash 下用 ; 分隔命令, 不能用 && — C251 WARNING 返回非零会中断 &&
bash 下括号要加引号: "LARGE" "OPTIMIZE(8,SPEED)"
HEX 参数括号要转义: HEXFILE\(build/MAIN.hex\)
必须先 rm -f *.OBJ 清理旧目标文件
WARNING C115/C153 可忽略
输出: build/MAIN.hex → 用 STC-ISP 手动烧录

6. 目录结构

STC_Chiptune/
├── STC32G12K128/              # 固件 (Keil C251)
│   ├── main.c                # 主程序 (Timer0 ISR + UART + 混音 + LED)
│   ├── ay8910.c/h            # AY8910 仿真 (3ch+噪声+包络)
│   ├── sn76489.c/h           # SN76489 仿真 (3ch+噪声, 3变体)
│   ├── fm.c/h                # FM 2-Op 合成 (16 voice / 32 op / 6波形)
│   ├── gigatron.c/h          # Gigatron TTL 波形 (4ch, 256B共享表)
│   ├── wt.c/h                # Wavetable 合成 (4ch / 14波形 / ADSR)
│   ├── adpcm.c/h             # ADPCM 解码 (6ch: 鼓声+SF2旋律)
│   ├── types.h               # 共享类型定义
│   ├── sf2_rom.h             # SF2 采样 ROM (5乐器, 11936B)
│   ├── fmopn_2608rom.h       # YM2608 ADPCM 鼓声 ROM + JEDI表
│   └── build/                # 编译输出 (MAIN.hex)
│
├── tools/                    # Python 上位机工具
│   ├── vgm_player.py         # VGM 播放器 (AY/SN/FM/WT/Gigatron)
│   ├── adpcm_test.py         # 鼓声节奏测试 (14风格硬编码)
│   ├── adpcm_drumkit.py      # 鼓机基础版
│   ├── adpcm_drumkit_pro.py  # 鼓机加强版 (ini驱动)
│   ├── adpcm_pitch_test.py   # 鼓变频扫频
│   ├── adpcm_div_test.py     # 鼓 step 对比测试
│   ├── adpcm_ch_test.py      # ADPCM 逐通道测试
│   ├── adpcm_debug.py        # ADPCM 通道 mask 调试
│   ├── adpcm_led_test.py     # ADPCM LED 测试
│   ├── gen_adpcm_rom.py      # WAV → ADPCM ROM C header 生成
│   ├── adpcm_preprocess.py   # YM2608 原始鼓重采样+编码
│   ├── adpcm_decode_wav.py   # ROM → WAV 解码验证
│   ├── adpcm_interp_test.py  # 线性插值算法验证
│   ├── adpcm_step_sim.py     # 定点步进变频模拟
│   ├── adpcm_perfect_loop.py # 自动寻环 (最小方差+回文+交叉淡出)
│   ├── adpcm_wav_test.py     # ADPCM 编解码实验
│   ├── fix_loop.py           # 搜索更优 loop_end
│   ├── polyphone_loop.py     # 多点质量评分寻环
│   ├── brr_test.py           # BRR 编解码验证 (SNES DSP)
│   ├── brr_loop.py           # BRR 块状循环模拟
│   ├── sf2_extract.py        # SF2 → WAV + JSON + C header
│   ├── sf2_test.py           # SF2 旋律硬件测试
│   ├── sf2_sweep.py          # SF2 变频扫频
│   ├── sf2_pitch_test.py     # SF2 鼓路径变频测试
│   ├── sf2_preview.py        # SF2 PC 模拟 (ADPCM+循环+变频)
│   ├── sf2_verify.py         # ADPCM 编解码往返验证
│   ├── sf2_loop_sim.py       # PC 循环回绕模拟
│   ├── sf2_player_sim.py     # 完整 ADPCM 播放模拟
│   ├── sf2_drum_test.py      # SF2 鼓编码器验证
│   ├── sf2_snese_sim.py      # SNES SoundFont 预览
│   ├── xi_parse.py           # YRW801 XI 解析+WAV导出
│   ├── xi_demo.py            # XI 乐器预览
│   ├── xi_adpcm_test.py      # XI → ADPCM 循环测试
│   ├── xi_brr_test.py        # XI → BRR filter=0 测试
│   ├── xi_crossfade_test.py  # XI 交叉淡出测试
│   ├── xi_brr_crossfade_test.py # XI BRR 交叉淡出测试
│   ├── yrw801_extract.py     # YRW801 ROM 解析+WAV导出
│   ├── piano_pitch_sweep.py  # Grand Piano C3 扫频
│   ├── wt_scale_test.py      # WT 14波形 C2↔C6 扫频
│   ├── wt_pcm_debug.py       # WT+ADPCM 简单测试
│   ├── gen_scc_table.py      # SCC 查表生成 (历史遗留)
│   ├── drum.ini              # MIDI 35-81 鼓组映射+别名+音量
│   └── drum_patterns/        # 14个风格独立节奏 ini
│
├── vgm/                      # VGM 曲目库
│   ├── ay8910/               # AY8910 (ZX Spectrum / MSX)
│   ├── sn76489/              # SN76489 (Sega Master System)
│   └── opll/                 # FM OPLL (YM2413)
│
├── docs/                     # 技术文档
├── README.md                 # 中文文档
└── README_EN.md              # English documentation

7. 开发历程

7.1 Phase 1-6: STC8H8K64U 时代

8051 (48MHz) 上的原型开发: SCC/AY8910/SN76489 仿真, GB/NES/SAA 失败尝试。详见 git history。

7.2 Phase 7: 迁移 STC32G12K128

STC32G C251, 38MHz, 128K Flash, 10K SRAM + 8K XRAM。

移植全部音源到 C251
新增 FM (自定义 2-Op) 16 voice 合成
新增 Gigatron 4ch TTL 波形
SCC 剔除 (WT 完善, 不再需要)

7.3 Phase 8: ADPCM 采样

实现 YM2608 ADPCM Type-A 解码器 (JEDI 表, 12-bit acc)
从 SF2 音色库提取 5 种乐器 (Piano/SlapBass/Guitar/Oboe/Harp)
6 种鼓声 ROM (BD/SD/CY/HH/TM/RS)
DSR 包络 (无 Attack, 避免 4-bit 量化破音)
鼓声变频: Python 端计算 step, MCU 不做计算
SF2 变频上限 0x0400 (有循环, C5 以上 ISR 死机)
鼓变频无上限 (无循环, 无压力)

7.4 Phase 9: WT 波形扩充

14 种预置波形 (原 6 种 + 8 种 OPL3/GB 风格)
波形长度可切换 (32/64/128)
C2↔C6 循环扫频测试

7.5 Phase 10: 鼓机系统

14 种节奏风格 (Modern/Rock/Pop/Funk/HipHop/Ballad/SlowRock/HardRock/Disco/DancePop/Trance/Jazz/Bossa/Square)
ini 驱动: drum.ini (映射+别名+音量) + drum_patterns/ (独立风格)
MIDI GM Percussion 35-81 全覆盖
19 个变频别名快捷键

8. 参考项目与移植说明

本项目音源核心均移植自开源项目, 针对 STC32G12K128 (C251, 38MHz, 10K SRAM, 8K XRAM) 做了深度精简和适配。

8.1 AY8910 — 参考 libvgm (开源, BSD-3-Clause)

原作者: Couriersud (libvgm), 基于 Ville Hallik / Michael Cuddy / Tatsuyuki Satoh / Fabrice Frances / Nicola Salmoria 的早期工作, 2008 年大幅重写
原始项目: D:\working\vscode-projects\Reference_Project\vgm_libs\libvgm-master\emu\cores\ay8910.c + ayintf.c
原版规模: ~1620 行 (ay8910.c) + 接口层 + 依赖 EmuStructs.h / snddef.h / EmuCores.h 等框架

精简要点 (1620 行 → 230 行, 约 86% 代码量缩减):

去掉 DEV_DATA/DEV_DEF/DEVFUNC 全部框架接口, 改为直接函数调用 (ay_wr() / ay_render())
去掉 I/O 端口 (AY8910 的 8-bit parallel port), 只保留纯音频寄存器 (0-15)
去掉通道混合 DAC 模型 (R-C 负载网络、内部阻抗 AY8910_INTERNAL_RESISTANCE=356 等精确模拟), 改为 32 级音量表直查
去掉浮点采样率重采样, 固定 17640Hz 输出, 频率基数预计算 (AY_BASE_INCR)
去掉立体声/声像/静音/选项位等高级功能
去掉 AY8930 扩展模式、YM2149 分频器选择等变体支持
包络保持完整 4 形状 (hold/alternate/attack/continue)

8.2 SN76489 — 参考 libvgm (开源, BSD-3-Clause)

原作者: Maxim (2001-2002), 从 Delphi 原始实现转换, Charles MacDonald 修改用于 SMS Plus
原始项目: D:\working\vscode-projects\Reference_Project\vgm_libs\libvgm-master\emu\cores\sn76489.c + sn76489_private.h + sn764intf.c
原版规模: ~530 行 (sn76489.c + sn76489_private.h) + 接口层

精简要点 (530 行 → 165 行, 约 69% 代码量缩减):

去掉 DEV_DATA/DEV_DEF 框架接口, 改为直接函数调用 (sn_wr() / sn_render())
去掉浮点 dClock 频率跟踪, 改为预计算 SN_BASE_INCR 24-bit 定点基数
去掉方波 "oversampling" 中间位置计算 (IntermediatePos / FLT_MIN), 改为简单翻转
去掉 NeoGeoPocket 双芯片模式 (T6W28 connect)
去掉 GameGear 立体声写入 (GGStereoWrite)
去掉声像 (panning) / 静音 (mute) 接口
保留 3 种变体: SN76489 (TI 15-bit SR) / Sega VDP (16-bit, 默认) / SN76489A (17-bit), 比原版增加了第三种变体
音量表: 原版 16 级 (0-4096, MAME 标准), 精简为 16 级 (0-255, 适配 8-bit 输出)

8.3 FM 合成 — 参考 ArduinoUnoTinyFmKeyboard (开源)

原作者: Keiji Katahira (ArduinoUnoTinyFmKeyboard, ATmega328P, 20MHz, 24kHz PWM)
原始项目: D:\working\vscode-projects\Reference_Project\STC-MCU\extracted\ArduinoUnoFMsynsynthesizer-master\ArduinoUnoTinyFmKeyboard\
原版规模: ~668 行 (.ino + fmtone.cpp + fmtone.h), C++ class 架构
原版: 5 voice (10 op), ATmega328P, 20MHz, 24kHz, AVR Timer1 ISR, 4 种 PWM 引脚可选

移植改动 (C++ class → C251 纯 C, 5 voice → 16 voice):

C++ → 纯 C: FmTone class 拆为全局状态 + 函数 (fm_wr() / fm_render())
音频: 6 种独立波形表 (wave_sin[] 等) → 合并单一数组 fm_waves[384], 位移查表 (wave_idx << 6) | idx
波形: 6 种 (sin/clipsin/rect/tri/saw/abssin) 完全保留
频率表: PROGMEM tone_freq[80] (MIDI 36-115) → code 段 fm_note_freq[104] (MIDI 24-127, C1-C9)
voice 数: 5 voice → 16 voice, operator 数 10 → 32
包络: envelope_cnt[16] 表完全保留, ADSR 逻辑一致
反馈: fb=7 → fb=8 补正 → 标准 >> fb (0-7), 原版做法过于 hacky
去掉 MIDI 解析 (Note On/Off/Program Change), 改为寄存器直写模式
去掉 poly/mono 模式切换、voice queue、velocity 映射
去掉 SysEx 音色编辑 (sysEx.cpp / deftone.h)
去掉硬件初始化 (AVR Timer PWM), 改为 ISR 回调 fm_render()
新增: 全局音色模板机制 (reg 0x00-0x09), Note On 自动 apply tone

8.4 WT 波形表 — 参考 ArduinoUno WaveMemorySyns (开源)

原作者: Keiji Katahira (ArduinoUno_wavetable_synthesis, WaveMemorySyns)
原始项目: D:\working\vscode-projects\Reference_Project\STC-MCU\extracted\ArduinoUno_wavetable_synthesis-master\WaveMemorySyns\
原版规模: ~709 行 (.ino + memtone.cpp + envtone.cpp + headers), C++ class 架构
原版: 4 ch, ATmega328P, 20MHz, 运行时可写波形表 (WaveMemoryEditor)

移植改动 (C++ class → C251 纯 C, 可写 RAM → 固化 code 段):

C++ → 纯 C: MemTone class 拆为全局状态 + 函数 (wt_wr() / wt_render())
波形: 原版运行时可写 RAM 波形表 → 固化 14 种 128-entry 波形到 code 段 (1792 bytes), 不可运行时修改
波形数量: 原版 1 张可写表 → 14 种预置波形 (sq12/sq25/pulse50/sq75/sin/clipsin/abssin/halfsin/qsin/altsin/althalfsin/tri/saw/gb_dmg)
频率表: PROGMEM → code 段 wt_note_freq[104] (MIDI C1-C9)
包络: envtone.cpp 的 ADSR 独立对象 → 内联 round-robin tick (同 FM 架构)
去掉 MIDI 解析、Echo 效果 (USE_ECHO)
去掉运行时波形编辑 (WaveMemoryEditor / set_value())
去掉 SysEx 接口 (sysex.cpp)
新增: 波形长度切换 (32/64/128), 音色模板机制

8.5 Gigatron — 移植自 Denjhang_Music_Player (自有项目)

原作者: Denjhang
原始项目: D:\working\vscode-projects\YM2163-Midi\Denjhang_Music_Player_v16\src\windows\gigatron\gigatron_emu.c + gigatron_emu.h
原版规模: ~287 行 (.c), C, Windows WinMM 音频回调架构
原版: 4ch, 44100Hz, 32-bit float 输出, 浮点 RatioCounter 采样率转换, 可选 4/6/8/12/16-bit 音频深度, DC offset 去除, 自定义波形表 + 原始波形表双表, 示波器

移植改动 (Windows 音频 → 嵌入式 ISR 回调):

去掉 RatioCounter 浮点采样率转换 (RC_SET_RATIO / RC_STEP), 改为固定 8820Hz (每 2 tick 渲染一次)
去掉 521 scanline × 59.98Hz Gigatron 帧同步机制
去掉双波形表 (customWaveTable + soundTable), 只保留单一 256 字节波形表
去掉 bit depth 选择 (4/6/8/12/16-bit), 固定 s16 输出
去掉 DC offset 去除 (dc_alpha 滤波)
去掉 volume_scale 浮点缩放
去掉示波器 (scope) 功能
去掉 GigatronState 结构体, 改为 static 全局变量
去掉 srand(time(NULL)) 随机种子, 改为固定种子 r = 0x12345678 (确定性, 嵌入式无需每次不同)
fnumH: 原版 key *= 4 → 移植版 step = key * 44 / 101 (适配 17640Hz 采样率)
核心算法完全一致: idx = (osc>>7) & 0xFC ^ wavX, val = sound[idx] + wavA, clamp 0-63

denj*** · 发表于昨天 09:44

全部工具+源码打包上传

狂热*** · 发表于前天 22:56

技术栈强
集成功能多
期待作品效果视频

denj*** · 发表于前天 23:02

演示视频已经上传bilibili：

Denjhang的b站视频

STC32G ADPCM Drum Sweep

STC32G ADPCM Piano Sweep Demo

STC32G ADPCM Drum Style Demo 3

STC32G ADPCM Drum Style Demo 2

STC32G ADPCM Drum Style Demo 1

STC32G SN76489 Collision Chaos

梁*** · 发表于昨天 11:46

denj*** 发表于 2026-6-12 09:44
全部工具+源码打包上传

很好很强大！
声音可以使用HSPWM，144M时钟。
声音使用8位比较粗糙，可以考虑使用11位或12位，会得到很好的音质：
使用8位PWM（时钟38MHz）频率为144KHz，动态48dB。
使用11位HSPWM频率为72KHz，动态66.2dB。
使用12位HSPWM频率为36KHz，动态72.2dB。
作为对比，16位CD的动态为96dB。

我心*** · 发表于昨天 14:41

音频方面挖掘芯片能力，扩展芯片功能，

。

清晰、简洁、严谨的技术工作者的风格，

。

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STC AI助手发布

全球首款STC32G12K128 多音源芯片音乐合成器 内含ADPCM/FM/Wavetable/PSG多种合成原理

STC_Chiptune

目录

1. 硬件

1.1 参数总览

1.2 引脚分配

1.3 PWM DAC 输出原理

硬件配置

音频输出链路

设计要点

2. 音源架构

2.1 活跃音源总览

2.2 混音与处理

UART 处理

2.3 AY8910 (YM2149)

架构

频率映射

渲染

2.4 SN76489

架构

3 种变体

渲染

命令格式

2.5 FM 合成 (自定义 2-Op)

架构

2-Operator FM 算法

音色模板 (reg 0x00-0x09, 全局共用)

ADSR 包络

运算优化

2.6 Gigatron TTL 波形

架构

波形表

渲染

2.7 WT 波形表

架构

ADSR 包络

渲染

2.8 ADPCM 采样

编码格式

鼓声 (6种, one-shot, 无循环)

SF2 旋律乐器 (5种, 有循环, DSR 包络)

ADPCM 通道分配

ADSR 包络 (SF2 旋律 + WT 共用)

2.9 已放弃的音源

3. UART 协议

3.1 通用命令

3.2 WT 寄存器 (0xC0, addr 0x00-0x14)

3.3 FM 寄存器 (0x51, addr 0x00-0x3F)

3.4 ADPCM 寄存器 (0xC0, addr 0x15-0x33)

4. 上位机工具

4.1 VGM 播放器

4.2 ADPCM 鼓声测试

4.3 ADPCM 鼓机 (ini 驱动)

4.4 ADPCM 变频测试

4.5 ADPCM 通道调试

4.6 SF2 旋律测试

4.7 SF2 变频扫频

4.8 WT 扫频测试

4.9 离线工具 (无需串口)

4.10 配置文件

5. 工具链与编译

5.1 工具链

5.2 编译选项

5.3 编译步骤

5.4 编译注意事项

6. 目录结构

7. 开发历程

7.1 Phase 1-6: STC8H8K64U 时代

7.2 Phase 7: 迁移 STC32G12K128

7.3 Phase 8: ADPCM 采样

7.4 Phase 9: WT 波形扩充

7.5 Phase 10: 鼓机系统

8. 参考项目与移植说明

8.1 AY8910 — 参考 libvgm (开源, BSD-3-Clause)

8.2 SN76489 — 参考 libvgm (开源, BSD-3-Clause)

8.3 FM 合成 — 参考 ArduinoUnoTinyFmKeyboard (开源)

8.4 WT 波形表 — 参考 ArduinoUno WaveMemorySyns (开源)

8.5 Gigatron — 移植自 Denjhang_Music_Player (自有项目)

点评

全球首款STC32G12K128 多音源芯片音乐合成器内含ADPCM/FM/Wavetable/PSG多种合成原理