声音控制器

15.1 概述

Zeal 视频板包含一个强大的声音子系统，具有五个声道：

• 4 个标准声道，可生成基本波形：方波、三角波、锯齿波和噪声。
• 1 个采样声道，能够通过 256 字节的 FIFO 缓冲区播放任意波形数据。

4 个标准声道共享一个 16 位线性反馈移位寄存器（LFSR）用于噪声生成。采样声道独立运行，但在输出前会与其他声道混合。

混合方式是先对四个标准声道取平均值，然后加上采样表声道的当前采样值。这种方法保持音频输出平衡，但同时在两种类型声道播放时需要注意避免饱和或削波。

与其他控制器一样，DMA 控制器可以映射到设备组中，I/O 端口起始地址为 0xA0，其设备索引为 3。

15.2 声道控制与同步

• 保持寄存器（hold register） 可将声道输出冻结在当前采样值，从而实现静音，而无需停止波形生成。
• 此保持功能支持同时原子化启动/停止多个声道，以避免时序毛刺或伪影。可通过设置 MASTER_HOLD 寄存器来选择要保持或取消保持的声道。
• 声音选择寄存器决定哪些声道会受到频率和波形配置寄存器写入的影响，从而支持灵活的每声道独立配置。可在 MASTER_ENABLE 寄存器中选择/启用声道。

例如，如果要将声道 0 和 1 设置为频率 0x1000，可以使用以下伪代码：

// 启用声道 0 和 1（每个声道 1 位）
MASTER_ENABLE  = (1 << 1) | (1 << 0);

// 所有选中的声道将监听以下寄存器的变化
FREQUENCY_LOW  = 0x00;
FREQUENCY_HIGH = 0x10;

// 将声道 0 设置为方波，50% 占空比
MASTER_ENABLE  = (1 << 0);
WAVEFORM = 0x80;

// 将声道 1 设置为锯齿波
MASTER_ENABLE  = (1 << 1);
WAVEFORM = 0x02;

15.3 声道与波形

4 个标准声道中的每一个都可以产生以下波形之一，每个声道可独立选择：

设置一个或多个声道的波形可通过设置 WAVEFORM 寄存器完成。要配置的声道必须先在 MASTER_ENABLE 寄存器中选择。

方波的占空比由 3 位字段控制，支持以下设置：

设置占空比仅适用于将声道设置为方波的情况，可通过设置 WAVEFORM 寄存器中的 Duty cycle 字段完成。

⚠️ 频率、波形或占空比的更改会被锁存，仅在当前波形周期结束时生效，从而避免咔嗒声或爆音。

15.4 频率与音高

每个声道的频率由 16 位寄存器设置。最终的频率（Hz）计算公式如下：

其中标准声道的固定采样率为 44,091Hz。

硬件不限制频率值，因此极高或极低的值可能会产生人耳无法听见的声音。

已启用声道的频率可通过分别设置 FREQUENCY_LOW（低字节）和 FREQUENCY_HIGH（高字节）寄存器来写入。

15.5 音量与混音

• 每个声道有一个禁用位和一个2 位线性音量控制，支持五个级别：0%、25%、50%、75% 和 100%。已启用声道的音量可通过 VOLUME 寄存器设置。
• 主音量分别控制每个通道（左声道和右声道）的输出音量，也采用 2 位线性缩放。左/右声道的音量可通过 MASTER_VOLUME 寄存器设置。
• 声道（包括采样表声道）可以单独分配到左和/或右音频通道，为此提供了 MASTER_LEFT_CHANNEL 和 MASTER_RIGHT_CHANNEL 寄存器。
• 混音时，四个标准声道的输出先取平均值，然后再加上采样表声道的当前采样值。

这种方案保持输出平衡，避免了简单的累加削波，但请注意，同时播放采样声道和所有四个标准声道可能会导致饱和，因为采样是在取平均值之后添加的。

15.6 采样表声道

第五个声道使用256 字节的 FIFO 缓冲区来播放任意数字采样。 可通过在 MASTER_ENABLE 寄存器中设置 SAMPLE_TAB 位来选择它。该特殊声道不使用与其他声道相同的 WAVEFORM、FREQUENCY 和 VOLUME 寄存器。这些寄存器偏移量被重新用作 ST_FIFO、ST_SRATE_DIV 和 ST_STATUS 寄存器。

• 支持以下采样格式，可在 ST_SRATE_DIV 寄存器中设置：
  • 8 位无符号
  • 16 位有符号或无符号（小端序）
• 采样播放速率可通过分频器编程，设置在 ST_SRATE_DIV 中，解释如下：

• FIFO 具有满和空状态标志：
  • 如果 FIFO 为空，播放暂停。
  • 当 FIFO 满时，写入停止。

当前 FIFO 状态可从 ST_STATUS 寄存器中读取。

该声道允许在标准合成声道之外播放复杂声音或采样音频。

15.7 编写声音控制器程序

SDK 提供了简洁的 API 来控制声道和采样：

• 初始化并重置声音子系统。
• 配置声道的频率、波形、音量和通道分配。
• 管理采样表声道：配置采样格式、采样率分频器，并将采样数据写入 FIFO。
• 使用保持寄存器原子化地静音或启动声道。

有关详细示例和完整的 API 用法，请查看 SDK 声音示例。

15.8 寄存器总览

15.9 寄存器