Partea 5 a unei serii de articole care detaliază protocolul MIDI.

Una dintre cele trei părți ale protocolului MIDI este specificația formatului de stocare a datelor (rețineți, celelalte două sunt formatul mesajului și specificația interfeței hardware). Formatul mesajului a fost discutat în primele trei articole ale seriei, acum este momentul pentru formatul de stocare. A fost propus de organizația MMA la sfârșitul anului 1987 și a fost numit Standard MIDI Files (SMF).

Scopul fișierelor MIDI este de a permite schimbul de evenimente (adică mesaje MIDI marcate de timp) între diferite dispozitive și programe. Înainte de apariția fișierelor MIDI standard, un aranjament pregătit într-un secvențător nu putea fi încărcat în altul din cauza incompatibilităților de format. Acest lucru nu înseamnă că odată cu apariția SMF, toți producătorii de secvențiere au trecut la acest format. Există mai multe motive pentru aceasta și despre ele vom vorbi și astăzi.

Deoarece stocarea informațiilor este direct legată de dispozitivul de secvențiere, ne vom opri asupra acestei chestiuni mai detaliat, dar numai în măsura în care este necesar pentru a înțelege SMF. Și, fără îndoială, vom dedica unul dintre următoarele articole din ciclu secvențierelor.

Evenimente
Este apelat un mesaj MIDI marcat cu ora eveniment... Diferite unități pot fi folosite pentru a indica timpul - ticuri, impulsuri interne, timp în format SMPTE etc. Este important să înțelegem diferența fundamentală dintre un eveniment și un mesaj. Mesajul „trăiește” pentru o fracțiune de milisecundă din timp real – din momentul în care este generat de sursă până în momentul în care este trimis către receptor pentru execuție. Poate fi prins în procesul de transmisie printr-un cablu MIDI sub forma unui set de impulsuri. Un eveniment reprezintă câțiva octeți de informații înregistrați în memoria dispozitivului, pe baza cărora va fi generat un mesaj în viitor, la ora stabilită.

De exemplu, secvențiatorul poate stoca un eveniment „alegeți o notă” cu un marcaj temporal de 100 ms de la începutul redării. Puteți edita acest eveniment în două dimensiuni: în primul rând, modificați parametrii mesajului MIDI în sine (în acest caz, înălțimea sau dinamica notei) și, în al doilea rând, mutați nota de-a lungul pistei, adică modificați timpul de execuție a mesajului.

Evenimentele apar în memoria sequencerului în timpul înregistrării mesajelor MIDI. Când apăsați butonul Înregistrare, secvențatorul pornește generatorul de impulsuri hardware (bifări) și începe să „asculte” intrarea MIDI specificată. De exemplu, când apăsați o tastă, intrarea primește mesajul „alegeți o notă”. Secvențatorul arată - aha, mesajul a ajuns la a 20-a bifă și îl scrie în memorie cu eticheta 20. După câteva secunde, au eliberat cheia - a venit mesajul „eliminați nota”, generatorul intern a fluturat fericit 64 bifă la secvențiatorul în acel moment. Sequencerul salvează un mesaj cu eticheta 64. Acum avem de-a face cu două evenimente - Note On și Note Off. Generatorul de impulsuri este pornit din nou în timpul redării. Când apare cea de-a 20-a bifare, un mesaj Note On este trimis la ieșirea MIDI a secvențatorului, al 64-lea tick este o Note Off. Am înregistrat și apoi am redat acțiunile interpretului!

Evident, același lucru se poate face și offline, adică fără a fi nevoie de spectacol live. Făcând clic cu mouse-ul în locul potrivit de pe pistă (și după selectarea în prealabil a duratei notei), vom construi în memoria secvențatorului exact imaginea anterioară.

Tipuri de memorie
Acum este momentul să aplici doi termeni descurajanți de computer: memorie primară și secundară. Memoria primară (sau internă) este memoria secvenței în care mesajele sunt înregistrate și evenimentele sunt stocate pe parcursul întregii sesiuni. Conținutul acestei memorie este șters atunci când alimentarea este oprită. Această interpretare este mai potrivită pentru secvențierele hardware. În secvențiatoarele software, memoria primară este pur și simplu RAM-ul computerului. Pentru a stoca conținutul memoriei primare pentru o perioadă lungă de timp, se folosește memoria secundară sau, cu alte cuvinte, suporturi de date. Acesta poate fi o dischetă, un hard disk, un smart card și altele asemenea.

Cantitatea de memorie primară din secvențiatoarele hardware și stațiile de lucru (rețineți, o stație de lucru este un generator de tonuri și un secvențior într-o singură casetă) este de obicei exprimată în numărul de note stocate (de exemplu, 200 de mii). Uneori, volumul este exprimat în evenimente, în acest caz trebuie să fiți în garda - o notă necesită două evenimente pentru a fi stocate (apăsarea și eliberarea unei taste), iar rotirea roții de înălțime sau aftertouch poate genera până la 100 sau mai multe evenimente. Se întâmplă ca dimensiunea memoriei unui secvenționar să fie exprimată în unități de computer native - kiloocteți. Dar nici acest lucru nu este foarte convenabil - un eveniment poate ocupa un număr diferit de octeți (de la cinci la câteva zeci).

În secvențiatoarele software moderne, puținilor oameni le pasă de cantitatea de memorie primară - chiar și pe o mașină cu 128 MB de RAM, puteți uita de orice restricții atunci când lucrați cu date MIDI. În plus, există secvențiere care pot reda un aranjament direct de pe disc, fără să îl încarce în memoria primară (și, apropo, să îl înregistreze și el), ceea ce șterge în general distincția dintre cele două tipuri de memorie.

În memoria secundară, datele sunt de obicei scrise într-un fișier. Cele mai multe secvențiere au propriul format proprietar al acestui fișier, ceea ce face dificilă schimbul de aranjamente create în diferite dispozitive sau programe. S-a afirmat mai devreme că acesta a fost principalul motiv pentru crearea SMF.

Măsurarea timpului
De fapt, nu există „căpușe” în interiorul secvențatorului. Există un temporizator hardware care generează impulsuri cu o frecvență strict constantă (de exemplu, la fiecare microsecundă). Forțarea muzicienilor să măsoare timpul în microsecunde ar fi o batjocură monstruoasă, ca, într-adevăr, în alte unități de timp real (secunde, minute). Muzicienii sunt obișnuiți să gândească în batai și ritmuri și să exprime timpul în unități relative (duratele notelor), în funcție de tempo-ul curent.

„Nici o problemă”, au răspuns producătorii, „lasă-i să măsoare, deoarece le este mai convenabil”. Doar unitatea minimă de măsură nu va fi vreo a 32-a durată, ci un tick luat în mod convențional (unitatea este și mai mică, astfel încât, de exemplu, o treizeci de secunde poate conține 48 de căpușe). Deoarece încă din epoca clasică, ritmul a fost măsurat prin numărul de sferturi pe minut (BPM, bătăi pe minut), atunci s-au decis să ia un sfert ca durată principală și să indice numărul de căpușe pe sfert - PPQN (Pulse Per Note de sfert). Cu cât PPQN este mai mare, cu atât rezoluția sechencerului este mai bună și cu atât mai precisă în timp poate capta mesajele în timpul înregistrării și le poate transmite la ieșirea MIDI în timpul redării. Cele mai multe secvențiere vă permit să setați PPQN în mod arbitrar - de exemplu, de la 32 la 1536 de ticks pe trimestru (secvențiere moderne - până la 15360 PPQN).

Un tick este o unitate dependentă de rata: cu cât rata este mai rapidă, cu atât intervalul dintre bifări este mai scurt în unități de timp real. Acest interval poate fi găsit prin formula din Fig. unu.

De exemplu, la 120 BPM și 96 PPQN, tick-urile vor urma la fiecare 5,208 milisecunde. La aceeași rezoluție și 180 BPM, intervalul dintre bifături va fi redus la 3,472 ms. Cum numără un secvențior dacă cronometrul său intern impulsează la fiecare microsecundă? Este foarte simplu: bazat pe tempo-ul curent și rezoluția într-un sfert, exact după formula specificată. Deoarece o milisecundă conține 1000 de microsecunde, în ultimul exemplu, secvențiatorul va genera un alt tick atunci când primește 3472 de impulsuri de la cronometru.

Poziția unui eveniment pe linia temporală este setată în secvențiator, de obicei în formatul „bare: bătăi: ticks”, de exemplu, 22: 3: 152. Adică: a douăzeci și doua măsură, a treia bătaie, a 152-a bifă de la începutul celei de-a treia bătăi. Acest principiu de sincronizare (termenul englezesc - Timebase) se numește muzical, deoarece este familiar și convenabil pentru muzicieni. Vă rugăm să rețineți că trebuie să cunoașteți semnătura de timp actuală pentru a lucra în acest format. Adică câte bătăi conține măsura și cu ce este egală fiecare bătaie.

Deci, cu o semnătură de timp 4/4, o bătaie este egală cu un sfert, iar o măsură conține patru bătăi. La o rezoluție de 384 PPQN, vor exista 384 de căpușe într-o singură ritm și vor exista 1536 de căpușe în fiecare bifă (384 x 4). La 6/8 și aceeași rezoluție, o bătaie va fi de 192 de ticuri (o optime este jumătate din lungimea unui sfert), iar o măsură va avea șase bătăi sau 1152 de ticuri (192 x 6). Astfel, 22: 3: 152 în primul caz înseamnă 35096 căpușe de la începutul cântecului (22 x 1536 + 3 x 384 + 152), iar în al doilea - 26072 căpușe (22 x 1152 + 3 x 192 + 152) .

Deci, pentru a determina poziția unui eveniment în unități de timp real pe baza formatului „bare: bătăi: ticks”, trebuie să cunoașteți trei parametri: tempo-ul curent, semnătura de timp și rezoluția în ticks pe trimestru (PPQN).

Există o altă posibilitate de cronometrare, atunci când poziția unui eveniment pe o pistă este exprimată în unități absolute care nu depind de tempo, cel mai adesea în formatul de timp SMPTE - „ore: minute: secunde: cadre”. Acest principiu de sincronizare se numește „time-code-based” (bazat pe timecode, absolut). Necesitatea acesteia apare atunci când secvențatorul lucrează împreună cu un magnetofon sau cu un echipament de film/video. Operațiunile de editare cu material film, video și audio, precizarea pozițiilor începutului și sfârșitului înregistrării este mai comod de efectuat, fiind legată de o scară absolută, și nu de măsuri și bătăi.

În acest caz, coordonatele evenimentului pe rigla de timp depinde de tempo-ul curent. Deci, cu un tempo de 120 BPM, prima bătaie a celei de-a doua măsură poate avea un timp SMPTE de 00: 00: 02: 00 și cu un tempo de 60 BPM - 00: 00: 04: 00. Când un eveniment este poziționat într-un cadru (între secunde), coordonatele sale vor diferi și cu un format de cadru diferit (număr de cadre pe secundă). Puteți citi mai multe despre SMPTE și MIDI Time Code în articolul anterior din serie.

Cantități de lungime variabilă
Destul de digresiuni lirice, acum sarcina noastră este să înțelegem formatul de stocare a datelor. Și prima provocare cu care s-au confruntat dezvoltatorii SMF a fost cum să păstreze calendarul evenimentului.

Există două opțiuni aici: pentru a stoca pentru fiecare eveniment timpul de la începutul melodiei sau de la ultimul eveniment înainte de acesta (pe același canal). Totuși, prima opțiune nu este rațională, deoarece cel mai adesea intervalul dintre evenimente este mic, evenimentele învecinate au timpi de execuție apropiati unul de celălalt. Deci, într-un pasaj de trei note, prima poate avea un timp, să zicem, 22: 3: 152, a doua - 22: 3: 244, a treia - 22: 3: 288. Pentru a stoca aceste numere (traduse în căpușe de la începutul melodiei), trebuie să rezervați cel puțin patru octeți pentru fiecare. Dacă mergeți pe a doua cale, atunci în loc de trei numere mari, puteți salva un început mare (22: 3: 152), iar după acesta - două mici, diferența de căpușe între primul și al doilea și al doilea și a treia notă (în acest caz, 92 și 44), un octet este suficient pentru ei. Dar totuși, problema rămâne: în funcție de eveniment, trebuie să alocați un număr diferit de octeți pentru a economisi timp.

Dacă SMF ar fi fost dezvoltat în prezent (și chiar de Microsoft, căruia în general îi pasă puțin de dimensiunea fișierelor sale și de memoria necesară), această problemă ar fi închisă ochii. Am alocat un câmp fix pentru a economisi timp, să zicem, 8 octeți per eveniment și nu am avut de suferit. Cu toate acestea, în 1988, memoria primară (RAM) era foarte scumpă, fiecare octet era numărat, iar cel secundar (disc media) avea o dimensiune foarte modestă. Prin urmare, dezvoltatorii SMF au dorit să obțină cel mai compact format posibil.

S-a decis să se păstreze timp delta, adică diferența de căpușe între acest eveniment și cel precedent (sau începutul cântecului). De exemplu, dacă primul eveniment - lovirea notei la prima octavă - a avut loc la 40 de bifături de la începutul cântecului, atunci timpul său delta va fi 40. Dacă după patru ticuri este redată nota F, atunci timpul său delta va fi 4. Dacă două evenimente au loc simultan, atunci unuia dintre ele i se atribuie un timp delta egal cu zero. Dacă evenimentul are loc exact la începutul cântecului, acesta are și un timp delta zero. Cu toate acestea, următorul eveniment se poate întâmpla într-o oră și jumătate (adică în câteva milioane de căpușe). Cum să fii în acest caz? La urma urmei, memoria trebuie să fie salvată și nu este de dorit să se aloce un câmp fix de mai mulți octeți pentru timpul delta.

Asa numitul lungimi variabile... Ele oferă o modalitate convenabilă de a scrie numere întregi, de la cel mai mic la cel mai mare, fără a fi nevoie să aloce un număr fix de octeți pentru număr. Biții numărului original sunt împachetati în unul sau mai mulți octeți: fiecare octet are șapte biți (în dreapta, biții de la 0 la 6). Cel mai semnificativ bit dintr-un octet este serviciul; toți octeții din serie, cu excepția ultimului, trebuie să conțină unul, ultimul - zero. Mai multe exemple de ambalare sunt prezentate în Fig. 4.

De exemplu, trebuie să împachetați numărul 64 (hex 0x40) în format de lungime variabilă. În formă binară, acest număr este scris ca 0100 0000. Există doar șapte biți semnificativi, astfel încât acest număr este împachetat într-un octet neschimbat - 0100 0000 (este și ultimul octet al seriei), bitul cel mai semnificativ este 0.

Acum numărul este 128 (0x80). În formă binară, este scris ca 1000 0000. Există opt biți semnificativi, așa că totul nu se va potrivi într-un octet, trebuie să-l împărțiți în doi. Primul octet trebuie să aibă unul în bitul cel mai semnificativ, al doilea (ca octet final al seriei) - zero. Punem cei șapte biți cel mai puțin semnificativi ai numărului original în al doilea octet, rezultă 0 000 0000. Punem un bit rămas (unul) în partea dreaptă a primului octet - obținem 1000 0001. Ca rezultat, numărul 0x80 este scris ca doi octeți: 0x81 0x00. Despachetarea este foarte simplă. Nu știm dinainte câți octeți sunt în serie. Citim primul octet - 1000 0001. Cel mai semnificativ bit de serviciu (1) indică faptul că acesta nu este ultimul octet al seriei, există mai mulți octeți. Aruncăm unitatea de serviciu, lăsând șapte biți - 000 0001. Citiți al doilea octet - 0000 0000. Cel mai semnificativ bit de serviciu (0) indică faptul că acesta este octetul final al seriei (adică există doar doi octeți în serie). Aruncăm bitul de serviciu. Au mai rămas și șapte biți - 000 0000. Adăugăm la ei în stânga șapte biți alocați din primul octet, obținem 000 0001 000 0000. Aruncând primele șase zerouri, obținem numărul necesar 1000 0000 (0x80).

Deci, metoda lungimii variabile permite alocarea de numere diferite de octeți pentru numere diferite: pentru numere în intervalul de la 0 la 127 - un octet, de la 128 la 16383 - doi octeți și așa mai departe. Numărul maxim reprezentat în acest fel nu este, în principiu, limitat. Cu toate acestea, în SMF, lungimea exploziei este limitată la patru octeți (trei cu bitul cel mai semnificativ setat și unul care se termină cu zero). Ca urmare, timpul maxim de delta poate fi 0x0FFFFFFF (sau 268 435 455 de căpușe), care la o rată de 500 BPM și o rezoluție de 96 PPQN este de aproximativ patru zile. Mai mult decât suficient!

Sub formă de valori de lungime variabilă, SMF indică nu numai timpul delta, ci și durata unor evenimente.

Format de fișier de schimb (IFF)
Structura fișierului MIDI standard este derivată aproape în întregime din IFF (Interchange File Format), dezvoltat în 1985 de Electronic Arts. Este un format de stocare și schimb de date care a făcut viața mai ușoară atât utilizatorilor, cât și dezvoltatorilor de software timp de aproape douăzeci de ani. Electronic Arts nu numai că a furnizat documentație open source, ci și codul sursă C pentru citirea și scrierea fișierelor IFF.

Formatul IFF este compatibil și extensibil. Prima înseamnă că noua versiune a programului poate citi fără probleme fișierele create de versiunea anterioară. În al doilea rând, nu trebuie să inventați un nou format pentru a stoca informații suplimentare; este suficient să introduceți propria extensie în IFF. Structura formatului permite programelor de la diferiți producători să facă schimb de date care nu au acorduri de afaceri adecvate între ele. Toate acestea mulțumesc utilizatorii - după ce au salvat datele în format IFF, aceștia nu mai sunt înlănțuiți la formatul închis al sistemului lor și pot folosi datele în orice mediu software și hardware compatibil IFF.

Un fișier IFF este o colecție de date organizate în așa fel încât programe diferite, fără legătură, să o poată citi. Pe de altă parte, programul poate stoca informații specifice în IFF care sunt semnificative doar pentru el însuși. Structura IFF face acest lucru ușor. Alte programe care nu știu să gestioneze astfel de informații le pot ignora fără a compromite citirea conținutului principal.

Există mai multe tipuri de fișiere IFF. De exemplu, fișierele ILBM și GIFF conțin informații grafice, fișierele SMUS conțin notație muzicală, iar fișierele AIFF și WAVE conțin audio digital.

Un fișier IFF este format din elemente similare numite bucăți. Un bloc este o structură de date constând dintr-un identificator alfabetic (patru caractere ASCII), o dimensiune a blocului (patru octeți) și datele în sine (Figura 5). Este convenabil să ne gândim la un bloc ca la un shell în care datele sunt „înfășurate”. Datele în sine pot conține orice: grafică, text, animație, sunet, un set de obiecte 3D și așa mai departe.

Blocurile din fișierul IFF pot fi imbricate, fig. 6. De fapt, un fișier IFF nu este altceva decât un bloc de nivel superior care conține unul sau mai multe alte blocuri în interiorul său. Acest principiu de stocare a datelor vă permite să „împachetați” mai multe date eterogene într-un fișier, inclusiv mai multe fișiere IFF, care seamănă deja cu un sistem de fișiere în interiorul unui fișier. Adevărat, cu organizarea datelor imbricate, există un dezavantaj - fișierul devine dificil de interpretat, de a izola blocurile de el.

Majoritatea fișierelor IFF conțin un bloc de nivel superior cu identificatorul „FORM”. Include alte blocuri (Fig. 7). Singurele date din blocul FORM sunt patru octeți care descriu tipul fișierului (de ex. „ILBM”, Hartă de biți InterLeaved). Imediat în spatele acestora sunt blocuri imbricate, cum ar fi „BMHD” (antetul imaginii), „CMAP” (paletă) și „BODY” (pixelii înșiși). Numele blocurilor și formatul de date sunt inventate de dezvoltatorul tipului de fișier specific. Alte programe, dacă dau peste un bloc cu un nume necunoscut, îl pot sări în siguranță, ghidându-se de câmpul care conține lungimea blocului.

Toate datele numerice din fișierele IFF sunt stocate în ordinea big-endian, adică mai întâi este stocat octetul cel mai semnificativ al numărului (MSB), apoi octetul cel mai puțin semnificativ. Consultați bara laterală pentru mai multe despre asta. Blocurile dintr-un fișier trebuie să înceapă întotdeauna cu un octet par. Dacă blocul anterior conține un număr impar de octeți, acesta este completat cu un octet nul pentru a fi par.

Structura SMF
Fișierele MIDI standard, precum fișierele IFF, sunt alcătuite din fragmente. Există două tipuri de bucăți în total: Header Chunk și Track Chunk. Într-un fișier SMF poate exista doar un singur bloc antet și unul sau mai multe blocuri de urmărire. Blocul are o structură tipică IFF: primii patru octeți sunt identificatorul, următorii patru octeți sunt lungimea blocului în octeți, excluzând tipul / lungimea de opt octeți. Identificatorul blocului de antet este format din patru caractere „MThd”, iar identificatorul blocului de piese este format din patru caractere „MTrk”. Această structură va permite definirea unor noi tipuri de blocuri în viitor, iar un bloc necunoscut poate fi ignorat cu ușurință pe baza lungimii sale. Specificația SMF avertizează: „Programele ar trebui să fie pregătite să ignore blocuri de tipuri necunoscute atunci când le întâlnesc”.

Blocul antet conține informații generale despre fișier, blocul track conține fluxul de mesaje MIDI cu marcaje temporale. În plus, fișierul MIDI stochează informații suplimentare necesare pentru secvențiere: tempo, semnătură de timp, cheie, setări metronom și altele asemenea. Aceste informații nu sunt transmise prin interfața MIDI, iar evenimentele care o formează sunt numite meta-evenimente.

Un fișier MIDI începe întotdeauna cu un bloc antet urmat de unul sau mai multe blocuri de piese (Figura 9). Adică, orice fișier MIDI standard începe cu cele patru litere „M”, „T”, „h”, „d”. Aceasta înseamnă că fișierul MIDI nu respectă specificația IFF (care necesită ca fiecare fișier compatibil IFF să înceapă cu un bloc de nivel superior de unul dintre cele trei tipuri - „FORM”, „CAT” sau „LIST”). Există și alte diferențe: SMF-urile nu pot conține blocuri imbricate, iar lungimea blocului nu trebuie să fie egală. Cu toate acestea, conversia unui SMF într-un fișier compatibil IFF este simplă. Este suficient să completați blocurile de lungime impară cu un octet zero (dacă există) și să puneți tot conținutul în blocul FORM. O operațiune similară este utilizată în formatul RMID propus de Microsoft (vezi bara laterală).