YM2612 + SN76489 メガドライブ音源を ESP32 で鳴らす (SPI接続編)

メガドライブのゲームミュージックをどうしても今再び実チップで鳴らしてみたい…。DNA がそうしろと言っているのだからしょうがない。

あれこれ部品を集めてがんばっておりましたが、なんとか PCM 付きで YM2612(FM音源) と SN76489(PSG音源)を発声させることができましたので、顛末を少しずつブログに書いていきたいと思います。

ハードウェアは次のように構成しています。

  • YM2612 + SN76489(メガドライブ搭載音源)
  • ESP32 DevkitC(制御用マイコン)
  • MCP23S17(SPI I/Oエクスパンダー)
  • LTC6904 * 2(I2C クロックジェネレーター)

作成中のものでソースコードも未整理、まだ回路図も書いていませんが(結線だけ README.md にメモしてあります) github に一式コミットしてあります。一応、現段階のものでフルスピードで PCM 付き .vgm が再生できています。:)

https://github.com/h1romas4/esp32-genesis-player

構成ですが、ESP32 マイコンは GPIO が少ないのと、将来的に音源を増やしたり、PC からも音源制御をしたいと考え、SPI 制御の I/Oエクスパンダー MCP23S17 を使ってシリアルパレラル変換を試みています。

音源制御のマイコン部分は、実際にゲームから送信された音源制御コマンドを44100Hz でサンプリングして保存した VGM Format 形式を事前に準備して、マイコンからデーターを読み取り音源に送信する形式をとっています。

さて、このシリーズの最初の難関は SPI MCP23S17 を使って 44100Hz(22us) に間に合う形で音源にコマンドを送りつけることで、最初はどうやっても間に合わず途方にくれてしまいした。。

esp-idf SPI Master Driver の spi_device_transmit でコマンドを送信すると、50us 程度次のコマンドを送るまでに間隔があいてしまいます。いきなり企画倒れか!がびーん。

これはどうやら SPI Master Driver が FreeRTOS マルチタスクに対応しており、処理に mutex と割り込みを使っていてその時間が乗っかってきているという事情のようです。

このため杓子定規に音源制御シーケンスを、YM2612 データーバスをセットして、CS と WR を落として…というふうに MCP23S17 に送ると、音楽がものすごいゆっくりに…。かつ YM2612 は 6ch 目を PCM に割り当てることができ、PCM の大きいデーターをひっきりなしに送信しますので、PCM を活用した楽曲ではまったく太刀打ちできず。

ということで、まずは音源制御のコマンドをなるべくまとめて送信すべく、MCP23S17 のデーターシートを読んでいたところ、良さそうなモードを発見。

特殊なモード(IOCON.BANK = 0のバイトモード)にすると、関連付けられたA/Bレジスタペア間でアドレスポインタが切り換わります。例えばBANKビットをクリアし、アドレスポインタをアドレス12h (GPIOA)またはアドレス13h (GPIOB)に初期設定した場合、アドレスポインタがGPIOAとGPIOBとの間で切り換わります。アドレスポインタは最初レジスタペアのどちらのアドレスを指していてもかまいません。

MCP23S17 の I/O は GPIOA と GPIOB の 8本ずつに分かれていますが、これらに ひとつのSPI シーケンス中にコマンドを連続で送ると A->B->A->B… とくるくる回ってくれます。

MCP23S17 と YM2612 の接続を、GPIOB に YM2612 データバスに、GPIOA に制御系の足を接続として、次のようにコマンドをおくる用に修正。赤い線の中がひとつのSPI シーケンスのイメージです。

(下の図はプロトでつくった I2C 版 MCP23012 で行ったものなので速度は無視してください… I2C 版でも同じ動きになります)

最初(0xB1)にアドレスバス(GPIOB)をセットし、次に CS/WR を落として同時にA0/A1 を設定(0x04)、次は GPIOB に戻ってしまうので最初と同じデーターをセットし、最後に CS/WR を上げて完了です。ひとつの音源コマンドを、ひとつのSPI シーケンスで送れるようになりました。

また、YM2612 より SN76489 は遅く、このような最短シーケンスだと音源が反応できなかったので(WR を下げてから上げるまで 12us くらいいるみたいです)ダミーの同一データーをコマンドに挿入して時間待ちし、こちらも同じようにひとつの SPI シーケンスで送れるようにしています。

ということで、これにて 4つの SPI シーケンスがいるところをひとつにまとめられシーケンス間隔問題を 1/4 削減できましたが、依然としてまとめられないシーケンス間に 50us 程度間隔があいてしまう問題は残りました。

いくつか考えて、ダミーデーターを送り続けてシーケンスを繋ぎっぱなしにすればいいじゃないかと思いつきましたがちょっと普通にやるとコマンドのタイミングを取るのが難しそうです。 一応鳴るにはなりましたがテンポがずこっとなりがちでした。。

再び途方に暮れましたが、いろいろ調べていたところ ESP32 本家のサンプルで SPI の液晶コントローラーをつかった NES(ファミコン)エミュレーターがあることを思い出す。

既存のエミュレーター移植なので、最終的にメモリーにレンダリングされた 320x240x8bit という大量データーを 60fps で SPI で転送しているとすれば何かあるハズ…とソースを確認。

https://github.com/espressif/esp32-nesemu/blob/master/components/nofrendo-esp32/spi_lcd.c#L402

かくしてそこで見つけたのは ESP32 の SPI ペリフェラルを直接たたくソースでした。

ESP32 Technical Reference Manual とにらめっこで命令を理解しつつ、はたして…。

1コマンド 7us キター! 😀

YM2612 は実際には 2コマンドで1セットなので 14us になりますが 1サンプルには十分間に合っていますのでこれで大丈夫そうです。(ここもまとめようと思えばできるハズです)

そんなこんなでメガドライブ楽曲が実チップで鳴るところまでごきつけました。嬉しい…。ベアナックル2が奏でられてしばし放心…。

タイムリーなことに、ぼくのゲームミュージック好きの原点にして頂点である古代祐三さんが MUCOM88 音源ドライバーをベアナックル2を含むサンプル曲付きで CC 公開されており、mucom MML を VGM に変換するプログラム mucomMD2vgm を kumatan さんが公開されています。

現時点残念ながら mucomMD2vgm で変換した .vgm はぼくの vgm パーサーだと unknown のコマンドがでてしまってまだ完全に発声できないのですが、おそらく vgmpos ずれだと思うのでちょっと直してみたいと思います。

他にも回路図をかいたり、基板をおこしたり、クロックを安定させたりまだ仕事が残っていますので、引き続きこの未来ガジェット製作をやっていきたいと思います。:D

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