MIDI-protokolli üksikasjalikult kirjeldavate artiklite seeria viies osa.

Üks kolmest MIDI-protokolli komponendist on andmesalvestusvormingu spetsifikatsioon (tuletan meelde, et ülejäänud kaks komponenti on sõnumivorming ja riistvaraliidese spetsifikatsioon). Sõnumi vormingut käsitleti sarja esimeses kolmes artiklis, nüüd on aeg salvestusvormingu jaoks. Selle pakkus välja MMA organisatsioon 1987. aasta lõpus ja seda nimetati standardseteks MIDI-failideks (SMF).

MIDI-failide eesmärk on võimaldada sündmuste (st ajatempliga MIDI-sõnumite) vahetamist erinevate seadmete ja programmide vahel. Enne standardsete MIDI-failide tulekut ei saanud ühes sekventeris koostatud seadet laadida teise ühildamatute vormingute tõttu. Ei saa öelda, et SMF-i tulekuga läksid kõik sekvenseritootjad sellele vormingule üle. Sellel on mitu põhjust ja neist räägime ka täna.

Kuna teabe salvestamine on otseselt seotud sekvenserite disainiga, peatume sellel teemal üksikasjalikumalt, kuid ainult niivõrd, kui see on vajalik SMF-i mõistmiseks. Ja kahtlemata pühendame sarja ühe järgmistest artiklitest sekvenaatoritele.

Sündmused
Kutsutakse välja ajatempliga MIDI-sõnum sündmus. Aja märkimiseks võib kasutada erinevaid ühikuid – linnukesed, sisemised impulsid, aeg SMPTE formaadis jne. Oluline on mõista sündmuse ja sõnumi põhimõttelist erinevust. Sõnum “elab” murdosa millisekundist reaalajas – hetkest, mil allikas selle genereerib, kuni hetkeni, mil see jõuab vastuvõtjasse täitmiseks. Seda saab püüda ülekande ajal MIDI-kaabli kaudu impulsside komplektina. Sündmus on seadme mällu salvestatud mõnebaidine info, mille alusel edaspidi genereeritakse määratud ajal teade.

Näiteks võib sekvenseri mällu salvestada märkmesündmuse ajatempliga 100 ms alates taasesituse algusest. Seda sündmust saate redigeerida kahes dimensioonis: esiteks muutke MIDI-sõnumi enda parameetreid (antud juhul noodi kõrgust või dünaamikat) ja teiseks liigutage nooti rada mööda, st muutke täitmisaega. sõnumist.

Sündmused ilmuvad sekvenseri mällu, kui MIDI-sõnumid salvestatakse. Kui vajutate nuppu Record, lülitab sekvenser sisse riistvaralise impulsi generaatori (tikstub) ja hakkab "kuulama" määratud MIDI-sisendit. Näiteks kui vajutate klahvi, on sisestussõnum "mängi nooti". Sekvenser vaatab - jah, teade saabus 20. linnukesega ja kirjutab selle mällu märgiga 20. Paari sekundi pärast vabastasid nad võtme - saabus teade “eemalda märge”, sisemine generaator sel hetkel lehvitas rõõmsalt sekvenserile 64 linnukesega. Sekvenser salvestab sõnumi sildiga 64. Nüüd on meil tegemist kahe sündmusega - Note On ja Note Off. Taasesituse ajal lülitub impulsigeneraator uuesti sisse. Kui läheneb 20. linnuke, saadetakse sekvenseri MIDI väljundisse teade Note On ja 64. linnukesele teade Note Off. Salvestasime ja seejärel esitasime esitaja tegevust!

Ilmselgelt saab sama teha "offline", st ilma et oleks vaja live-esinemist. Klõpsates hiirega rajal soovitud kohas (ja valides eelnevalt noodi kestuse), ehitame sekvenseri mällu täpselt eelmise pildi.

Mälu tüübid
Nüüd on aeg kasutada kahte hirmutavat arvutiterminit: esmane ja sekundaarne mälu. Esmane (või sisemine) mälu on järjestusmälu, kuhu salvestatakse sõnumeid ja salvestatakse sündmusi kogu jooksu jooksul. Selle mälu sisu lähtestatakse toite väljalülitamisel. See tõlgendus sobib rohkem riistvaralise järjestuse jaoks. Tarkvarasekvenaatorites on esmane mälu lihtsalt arvuti RAM. Primaarmälu sisu pikaajaliseks salvestamiseks kasutatakse sekundaarset mälu või muul juhul andmekandjat. See võib olla diskett, kõvaketas, kiipkaart jne.

Riistvaraliste sekvenaatorite ja tööjaamade (tuletan meelde, tööjaam on toonigeneraator ja sekvenser ühes kastis) esmase mälu mahtu väljendatakse tavaliselt salvestatud nootide arvus (näiteks 200 tuhat). Mõnikord väljendub helitugevus sündmustes, sel juhul tuleb olla ettevaatlik – ühe noodi salvestamiseks on vaja kahte sündmust (klahvi vajutamine ja vabastamine) ning helikõrguse ratta või järelpuudutuse keeramine võib genereerida kuni 100 või enam sündmust. Juhtub, et sekvenseri mälumahtu väljendatakse natiivsetes arvutiühikutes - kilobaitides. Kuid see pole ka eriti mugav - üks sündmus võib hõivata erineva arvu baite (viiest kuni mitmekümneni).

Kaasaegsetes tarkvarajärjestajates ei valmista primaarmälu maht kellelegi suurt muret – isegi 128 MB muutmäluga masinal võib MIDI andmetega töötades unustada igasugused piirangud. Lisaks on sekvensereid, mis suudavad esitada seadet otse kettalt, ilma seda esmasesse mällu laadimata (ja muide ka salvestada), mis üldiselt kustutab erinevuse kahe mälutüübi vahel.

Sekundaarses mälus kirjutatakse andmed tavaliselt faili. Enamikul sekvenaatoritel on selle faili jaoks oma suletud vorming, mis muudab erinevates seadmetes või programmides loodud korralduste vahetamise keeruliseks. Varem räägiti, et see oli SMF-i loomise peamine põhjus.

Mõõtmisaeg
Tegelikult ei ole sekvenseri sees ühtegi "puuki". Seal on riistvarataimer, mis genereerib impulsse rangelt konstantse sagedusega (näiteks iga mikrosekundi järel). Muusikute sundimine aega mikrosekundites mõõtma oleks koletu pilkamine, nagu ka teistes reaalaja ühikutes (sekundites, minutites). Muusikud on harjunud mõtlema taktides ja taktides ning väljendama aega suhtelistes ühikutes (noodide kestustes), olenevalt hetketempost.

"Pole probleemi," vastasid tootjad, "las nad mõõdavad oma äranägemise järgi." Ainult minimaalseks mõõtühikuks ei saa olema mingi 32. kestus, vaid tinglikult võetud linnuke (ühik on veelgi väiksem, nii et näiteks üks kolmekümnesekundiline kestus võib sisaldada 48 linnukest). Kuna alates klassikalisest ajastust on tempot mõõdetud veerandite arvuga minutis (BPM, lööki minutis), otsustasime võtta peamiseks kestuseks veerandi ja märkida linnukeste arv kvartalis - PPQN (Pulse Per Quarter Note) . Mida suurem on PPQN, seda parem on sekventseri eraldusvõime ja seda täpsemalt suudab see salvestamise ajal sõnumeid ajastada ja taasesituse ajal MIDI-väljundisse väljastada. Enamik sekvensereid võimaldab PPQN-i suvaliselt seadistada – näiteks 32–1536 märki kvartalis (kaasaegsed sekveneerijad – kuni 15360 PPQN-i).

Tikk on temposõltuv ühik: mida kiirem on tempo, seda lühem on tikkide vaheline intervall reaalajas. Selle intervalli leiate joonisel fig. 1.

Näiteks tempo 120 BPM ja eraldusvõimega 96 PPQN korral toimub tiksumine iga 5,208 millisekundi järel. Sama eraldusvõime ja tempo 180 BPM korral väheneb tikkide vaheline intervall 3,472 ms-ni. Kuidas sekvenser loeb puuke, kui selle sisemine taimer pulseerib iga mikrosekundi tagant? Jah, see on väga lihtne: praeguse tempo ja veerandi eraldusvõime põhjal täpselt määratud valemi järgi. Kuna üks millisekund sisaldab 1000 mikrosekundit, genereerib järjestus viimases näites järgmise linnukese, kui saab taimerilt 3472 impulssi.

Sündmuse asukoht ajajoonlaual määratakse sekventseris, tavaliselt formaadis "takid: lööki: tiksud", näiteks 22:3:152. See tähendab: kahekümne teine ​​takt, kolmas löök, 152. linnuke kolmanda löögi algusest. Seda ajalugemise põhimõtet (ingliskeelne termin Timebase) nimetatakse muusikaliseks, kuna see on muusikutele tuttav ja mugav. Pange tähele, et selles vormingus töötamiseks peate teadma praegust kellamõõturit. See tähendab, mitu lööki takt sisaldab ja millega on iga löök võrdne?

Seega on 4/4 aja löök võrdne veerandiga ja mõõt sisaldab nelja lööki. Eraldusvõimega 384 PPQN on ühes löögis 384 puuki ja igas mõõdus 1536 puuki (384 x 4). 6/8 taktimõõturi ja sama resolutsiooniga on ühes taktis 192 puuki (kaheksandik on poole lühem kui veerandnoot) ja taktis on kuus lööki ehk 1152 puuki (192 x 6 ). Seega 22:3:152 salvestamine tähendab esimesel juhul 35096 puuki loo algusest (22 x 1536 + 3 x 384 + 152) ja teisel juhul 26072 tikki (22 x 1152 + 3 x 192 + 152). ).

Seega, et määrata sündmuse asukoht reaalajas ühikutes löökide: löögid: puukide vormingu põhjal, peate teadma kolme parameetrit: hetketempot, taktimõõtmist ja eraldusvõimet kvartali kohta (PPQN).

Aja loendamiseks on veel üks võimalus, kui sündmuse asukohta rajal väljendatakse absoluutühikutes, mis ei sõltu tempost, kõige sagedamini SMPTE ajavormingus - "tunnid: minutid: sekundid: kaadrid". Seda ajastamise põhimõtet nimetatakse ajakoodipõhiseks (ajakoodipõhine, absoluutne). Vajadus selle järele tekib siis, kui sekvenser töötab koos magnetofoniga või filmi/videotehnikaga. Montaažitoiminguid on mugavam teha filmi-, video- ja helimaterjaliga, näidates ära salvestuse alguse ja lõpu positsioonid, viidates absoluutsele skaalale, mitte mõõtudele ja löökidele.

Sel juhul sõltub sündmuse koordinaat ajajoonlaual hetketempost. Nii et 120 BPM-i tempo korral võib teise takti esimese löögi SMPTE aeg olla 00:00:02:00 ja tempoga 60 BPM – 00:00:04:00. Kui sündmus asub kaadris (sekundite vahel), erineb ka selle koordinaat erinevate kaadrivormingute puhul (kaadrite arv sekundis). Lisateavet SMPTE ja MIDI ajakoodi kohta saate lugeda sarja eelmisest artiklist.

Muutuva pikkusega kogused
Aitab lüürilistest kõrvalepõikest, nüüd on meie ülesanne mõista andmesalvestusvormingut. Ja esimene raskus, millega SMF-i arendajad silmitsi seisid, oli sündmuse aja salvestamine.

Siin on kaks võimalust: salvestada iga sündmuse aeg loo algusest või viimasest sündmusest enne seda (samal kanalil). Esimene variant ei ole aga ratsionaalne, sest enamasti on sündmuste vahe väike, naabersündmuste täitmise ajad on üksteisele lähedased. Nii et kolmest noodist koosnevas lõigul võib esimese aeg olla näiteks 22:3:152, teise – 22:3:244, kolmanda – 22:3:288. Nende numbrite salvestamiseks (loo algusest peale linnuketeks tõlgituna) tuleb igaühe jaoks varuda vähemalt neli baiti. Kui järgite teist teed, saate kolme suure numbri asemel salvestada ühe suure stardinumbri (22:3:152), millele järgneb kaks väikest, esimese ja teise ning teise ja kolmanda noodi linnuke erinevus (antud juhul 92 ja 44), piisab neile ühest baidist. Kuid probleem jääb siiski alles: olenevalt sündmusest tuleb aja säästmiseks eraldada erinev arv baite.

Kui SMF-i arendataks praegu (ja isegi Microsofti poolt, kes üldiselt oma failide suurusest ja vajalikust mälust vähe hoolib), ei võtaks nad selle probleemi ees silmad kinni. Aja säästmiseks eraldasime fikseeritud välja, näiteks 8 baiti sündmuse kohta, ega kannatanud. 1988. aastal oli aga esmane (RAM) mälu väga kallis, iga bait luges ja sekundaarne (kettakandja) oli väga tagasihoidliku mahuga. Seetõttu soovisid SMF-i arendajad saavutada võimalikult kompaktse vormingu.

Otsustati jätta delta aeg, ehk selle sündmuse ja eelmise (või laulu alguse) puukide erinevus. Näiteks kui esimene sündmus - esimese oktavi noodi C esitamine - toimus hetkel 40 tikku pärast loo algusest, siis võrdub selle deltaaeg 40-ga. Kui neli linnukest hiljem kõlab noot F, siis on selle deltaaeg võrdne 4-ga. Kui kaks sündmust toimuvad samaaegselt, siis ühele neist määratakse deltaaeg, mis võrdub nulliga. Kui sündmus leiab aset täpselt loo alguses, on sellel ka deltaaeg null. Järgmine sündmus võib aga juhtuda pooleteise tunni pärast (st pärast mitut miljonit puuki). Kuidas sel juhul olla? Lõppude lõpuks tuleb mälu säästa ja deltaaja jaoks pole soovitav eraldada mitme baidi suurust fikseeritud välja.

Niinimetatud muutuva pikkusega kogused. Need pakuvad mugavat viisi täisarvude kirjutamiseks väikseimast suurimani, ilma et peaksite arvule fikseeritud arvu baite eraldama. Algnumbri bitid on pakitud ühte või mitmesse baiti: iga bait sisaldab seitset bitti (paremal, bitid 0 kuni 6). Kõige olulisem bitt baidis on teenindusbitt; kõik seeria baidid, välja arvatud viimane, peavad sisaldama ühte, viimane peab sisaldama nulli. Mitmed pakendinäited on näidatud joonisel fig. 4.

Näiteks peate pakkima numbri 64 (kuueteistkümnendsüsteem 0x40) muutuva pikkusega vormingusse. Binaarses vormis on see arv kirjutatud kui 0100 0000. Olulisi bitte on vaid seitse, nii et see arv pakitakse muudatusteta ühte baiti - 0100 0000 (see on ka seeria viimane bait), kõige olulisem bitt on 0 .

Nüüd on number 128 (0x80). Binaarses vormis kirjutatakse see 1000 0000. Olulisi bitte on kaheksa, nii et kõik ei mahu ühte baiti, tuleb see kaheks jagada. Esimese baidi kõige olulisemas bitis peab olema üks, teises (kui seeria viimases baidis) peab olema null. Teise baiti asetame algarvu seitse kõige vähemtähtsat bitti, saame 0 000 0000. Ülejäänud ühe biti (üks) asetame esimese baidi paremale poole - saame 1000 0001. Tulemuseks on arv 0x80 kirjutatakse kahe baidina: 0x81 0x00. Lahtipakkimine on väga lihtne. Me ei tea ette, mitu baiti seeria sisaldab. Loeme esimest baiti - 1000 0001. Kõige olulisem teenindusbitt (1) näitab, et see pole seeria viimane bait, baite on rohkem. Loobume teenindusüksusest, jättes alles seitse bitti - 000 0001. Lugege teist baiti - 0000 0000. Kõige olulisem teenindusbitt (0) näitab, et see on seeria viimane bait (see tähendab, et seerias on ainult kaks baiti). seeria). Hooldusbitt visatakse ära. Jäänud on ka seitse bitti - 000 0000. Lisame neile vasakule esimesest baidist eraldatud seitse bitti, saame 000 0001 000 0000. Esimesed kuus nulli kõrvale jättes saame soovitud arvu 1000 0000 (0x80).

Seega võimaldab muutuva pikkusega meetod eraldada erinevatele numbritele erineva arvu baite: numbrite jaoks vahemikus 0 kuni 127 - üks bait, 128 kuni 16383 - kaks baiti jne. Sel viisil esitatud maksimaalne arv on põhimõtteliselt piiramatu. Kuid SMF-is on jooksu pikkus piiratud nelja baidiga (kolm kõige olulisema bitiga ja üks, mis lõpetab ühe nulliga). Selle tulemusena võib maksimaalne deltaaeg olla 0x0FFFFFF (või 268 435 455 tikki), mis tempo 500 BPM ja eraldusvõimega 96 PPQN on umbes neli päeva. Rohkem kui küll!

SMF-i muutuva pikkusega vormis pole määratud mitte ainult deltaaeg, vaid ka mõne sündmuse pikkus.

Failivahetusvorming (IFF)
Standardse MIDI-faili struktuur on peaaegu täielikult laenatud vormingust IFF (Interchange File Format), mille töötas välja 1985. aastal Electronic Arts. See on andmesalvestus- ja andmevahetusvorming, mis on ligemale paarkümmend aastat nii kasutajate kui ka tarkvaraarendajate elu lihtsamaks teinud. Electronic Arts ei pakkunud mitte ainult avatud dokumentatsiooni, vaid ka C-lähtekoodi IFF-failide lugemiseks ja kirjutamiseks.

IFF-vorming on tagasiühilduv ja laiendatav. Esimene tähendab, et programmi uus versioon suudab hõlpsasti lugeda eelmise versiooniga loodud faile. Teiseks ei pea te lisateabe salvestamiseks välja mõtlema uut vormingut, peate lihtsalt sisestama oma laiendi IFF-i. Formaadi ülesehitus võimaldab andmeid vahetada erinevate tootjate programmidel, kellel puuduvad vastavad ärilepingud. Kõik see teeb kasutajad õnnelikuks – olles salvestanud andmed IFF-vormingus, ei ole nad enam aheldatud oma süsteemi suletud vormingusse ning saavad andmeid kasutada igas IFF-iga ühilduvas riist- ja tarkvarakeskkonnas.

IFF-fail on andmete kogum, mis on korraldatud nii, et erinevad sõltumatud programmid saavad seda lugeda. Teisest küljest võib programm salvestada IFF-is spetsiifilist teavet, mis on tähenduslik ainult tema enda jaoks. IFF-i struktuur muudab selle tegemise lihtsaks. Teised programmid, mis ei tea, kuidas sellist teavet käsitleda, võivad seda ignoreerida, ilma et see mõjutaks põhisisu lugemist.

IFF-faile on mitut tüüpi. Näiteks ILBM- ja GIFF-failid sisaldavad graafilist teavet, SMUS-failid noodikirja, AIFF- ja WAVE-failid digitaalheli.

IFF-fail koosneb sarnastest elementidest, mida nimetatakse plokkideks. Plokk on andmestruktuur, mis koosneb tähe identifikaatorist (neli ASCII märki), ploki suurusest (neli baiti) ja andmetest endast (joonis 5). Plokist on mugav mõelda kui kestale, millesse andmed on "pakitud". Andmed ise võivad sisaldada kõike: graafikat, teksti, animatsiooni, heli, 3D-objektide komplekti jne.

IFF-faili plokke saab pesastada, joonis fig. 6. Tegelikult pole IFF-fail midagi muud kui tipptaseme plokk, mis sisaldab ühte või mitut muud plokki. See andmete salvestamise põhimõte võimaldab faili "mähida" mitu heterogeenset teavet, sealhulgas mitu IFF-faili, mis meenutab faili sees olevat failisüsteemi. Tõsi, pesastatud andmekorraldusel on üks puudus - faili on raske tõlgendada ja sellest plokid eraldada.

Enamik IFF-faile sisaldab tipptaseme plokki identifikaatoriga "FORM". See sisaldab muid plokke (joonis 7). Ainsad andmed plokis FORM on neli baiti, mis kirjeldavad failitüüpi (näiteks "ILBM", InterLeaved Bit Map). Kohe nende taga on pesastatud plokid, näiteks "BMHD" (pildi päis), "CMAP" (palett) ja "BODY" (pikslid ise). Plokkide nimed ja andmevormingu loob konkreetse failitüübi arendaja. Teised programmid, kui nad satuvad võõra nimega plokki, võivad selle ohutult vahele jätta, juhindudes ploki pikkust sisaldavast väljast.

Kõik IFF-failide arvandmed salvestatakse suures järjekorras, see tähendab, et kõigepealt salvestatakse numbri kõige olulisem bait (MSB), seejärel kõige vähem oluline bait. Seda käsitletakse üksikasjalikumalt külgribal. Failisisesed plokid peavad alati algama paarisbaidiga. Kui eelmine plokk sisaldab paaritu arvu baite, täidetakse see nullbaidiga, et see oleks paaris.

SMF struktuur
Standardsed MIDI-failid, nagu IFF-failid, koosnevad plokkidest (tükkidest). On kahte tüüpi plokke: päise tükk ja rajatükk. SMF-failil võib olla ainult üks päiseplokk ja üks või mitu rajaplokki. Plokil on tüüpiline IFF-struktuur: esimesed neli baiti on identifikaatoriks, järgmised neli baiti on ploki pikkus baitides, välja arvatud kaheksa tüüp/pikkusbaiti. Päiseploki identifikaator on neljast tähemärgist "MThd", rajaploki identifikaatoris on neli märki "MTrk". See struktuur võimaldab tulevikus defineerida uusi plokitüüpe ja võõrast plokki saab selle pikkuse põhjal kergesti ignoreerida. SMF-i spetsifikatsioon hoiatab: "Programmid tuleks ette valmistada, kui nad puutuvad kokku tundmatute tüüpidega, et neid ignoreerida."

Päiseplokk sisaldab üldist teavet faili kohta, rajaplokk sisaldab ajatemplitega MIDI-teadete voogu. Lisaks salvestab MIDI-fail sekventeritele vajalikku lisateavet: tempo, taktimõõtur, klahv, metronoomi seaded jms. Seda teavet MIDI-liidese kaudu ei edastata ja selle moodustavaid sündmusi nimetatakse metasündmusteks.

MIDI-fail algab alati päiseplokiga, millele järgneb üks või mitu rajaplokki (joonis 9). See tähendab, et iga standardne MIDI-fail algab nelja tähega "M", "T", "h", "d". See tähendab, et MIDI-fail ei vasta IFF-i spetsifikatsioonile (mis nõuab, et iga IFF-iga ühilduv fail algaks tipptasemel plokiga, mis on üks kolmest tüübist - "FORM", "CAT" või "LIST"). On ka teisi erinevusi: SMF ei tohi sisaldada pesastatud plokke ja ploki pikkus ei pea olema ühtlane. SMF-i teisendamine IFF-iga ühilduvaks failiks on aga lihtne. Piisab paaritu pikkusega plokkide (kui neid on) polsterdamisest nullbaidiga ja kogu sisu paigutamisest FORM-plokki. Sarnast toimingut kasutatakse Microsofti pakutud RMID-vormingus (vt külgriba).