Piata časť série článkov podrobne popisuje protokol MIDI.

Jednou z troch súčastí protokolu MIDI je špecifikácia formátu ukladania údajov (pripomeňme, že ďalšie dve súčasti sú formát správy a špecifikácia hardvérového rozhrania). O formáte správy sa hovorilo v prvých troch článkoch cyklu, teraz je čas na formát úložiska. Bol navrhnutý organizáciou MMA koncom roku 1987 a nazýval sa „Štandardné MIDI súbory“ (Štandardné MIDI súbory, SMF).

Účelom súborov MIDI je umožniť výmenu udalostí (t. j. správ MIDI, ktoré majú časovú značku) medzi rôznymi zariadeniami a programami. Pred príchodom štandardných MIDI súborov nebolo možné usporiadanie pripravené v jednom sekvenceri načítať do iného z dôvodu nekompatibility formátu. Nedá sa povedať, že s príchodom SMF prešli na tento formát všetci výrobcovia sekvencerov. Dôvodov je viacero a aj o nich si dnes povieme.

Keďže ukladanie informácií priamo súvisí so štruktúrou sekvenátorov, budeme sa tejto veci venovať podrobnejšie, ale len v rozsahu potrebnom na pochopenie SMF. A sekvencerom, samozrejme, venujeme jeden z ďalších článkov cyklu.

Diania
Zavolá sa MIDI správa s časovou pečiatkou udalosť. Na označenie času je možné použiť rôzne jednotky – tikania, interné impulzy, čas vo formáte SMPTE atď. Je dôležité pochopiť zásadný rozdiel medzi udalosťou a správou. Správa „žije“ zlomok milisekúnd reálneho času – od okamihu, keď je vygenerovaná zdrojom, až po okamih, keď príde na vykonanie príjemcovi. Dá sa zachytiť počas prenosu cez MIDI kábel ako súbor impulzov. Udalosť je niekoľko bajtov informácie zaznamenanej v pamäti zariadenia, na základe ktorej sa v budúcnosti v určenom čase vygeneruje správa.

Pamäť sekvencera môže napríklad uložiť udalosť „play note“ s časovou značkou 100 ms od začiatku prehrávania. Túto udalosť môžete upraviť v dvoch rozmeroch: po prvé, zmeniť parametre samotnej MIDI správy (v tomto prípade výšku alebo dynamiku noty) a po druhé, posunúť notu po stope, to znamená zmeniť načasovanie noty. správa.

Udalosti sa objavujú v pamäti sekvencera počas nahrávania MIDI správ. Keď stlačíte tlačidlo Record, sekvencer zapne hardvérový generátor impulzov (tiká) a začne „počúvať“ určený MIDI vstup. Napríklad, keď je stlačené tlačidlo, vstup dostane správu "vziať na vedomie". Sekvenátor vyzerá - áno, správa prišla na 20. tik a zapíše ju do pamäte so značkou 20. Po niekoľkých sekundách sa kláves uvoľnil - prišla správa "odstrániť poznámku", interný generátor v tej chvíli radostne zamával 64 tickov do sekvencera. Sekvencer uloží správu s označením 64. Teraz máme do činenia s dvomi udalosťami – Note On a Note Off. Počas prehrávania sa generátor impulzov opäť zapne. Keď sa priblíži 20. tick, do MIDI výstupu sekvencera sa odošle správa Note On, 64. tik - Note Off. Nahrávali sme a potom reprodukovali akcie účinkujúceho!

Je zrejmé, že to isté sa dá robiť aj „offline“, teda bez potreby živého vystúpenia. Kliknutím myšou na správne miesto v stope (a výberom trvania noty vopred) vytvoríme presne predchádzajúci obrázok v pamäti sekvencera.

Typy pamäte
Teraz je čas použiť dva zastrašujúce počítačové pojmy: primárnu a sekundárnu pamäť. Primárna (alebo interná) pamäť je pamäť sekvencera, kde sa píšu správy a kde sa ukladajú udalosti počas celej relácie. Po vypnutí napájania sa obsah tejto pamäte vynuluje. Táto interpretácia je vhodnejšia pre hardvérové ​​sekvencery. V softvérových sekvenceroch je primárna pamäť jednoducho hlavnou pamäťou počítača. Na dlhodobé uloženie obsahu primárnej pamäte sa používa sekundárna pamäť, alebo inak povedané pamäťové médium. Môže to byť disketa, pevný disk, čipová karta a podobne.

Množstvo primárnej pamäte v hardvérových sekvenceroch a pracovných staniciach (pripomíname, že pracovná stanica je tónový generátor a sekvencer v jednom boxe) sa zvyčajne vyjadruje počtom uložených nôt (napríklad 200 tisíc). Niekedy je hlasitosť vyjadrená v udalostiach, v takom prípade sa musíte mať na pozore – jedna nota si vyžaduje uloženie dvoch udalostí (stlačenie a uvoľnenie klávesy) a otočenie kolieska pitch alebo aftertouch môže vygenerovať až 100 alebo viac udalostí. Stáva sa, že množstvo pamäte sekvencera je vyjadrené v natívnych počítačových jednotkách - kilobajtoch. To však tiež nie je príliš pohodlné - jedna udalosť môže trvať rôzny počet bajtov (od piatich do niekoľkých desiatok).

V moderných softvérových sekvenceroch málokomu záleží na množstve primárnej pamäte – aj na stroji so 128 MB RAM môžete zabudnúť na akékoľvek obmedzenia pri práci s MIDI dátami. Okrem toho existujú sekvencery, ktoré dokážu prehrať aranžmán priamo z disku bez toho, aby ho načítali do primárnej pamäte (a, mimochodom, aj nahrávali), čo vo všeobecnosti stiera rozdiel medzi týmito dvoma typmi pamäte.

V sekundárnom úložisku sa dáta zvyčajne zapisujú do súboru. Väčšina sekvencerov má svoj vlastný formát tohto súboru, uzavretý, čo sťažuje výmenu usporiadaní vytvorených v rôznych zariadeniach alebo programoch. Dávnejšie sa hovorilo, že to bol hlavný dôvod vzniku SMF.

Meranie času
V skutočnosti nie sú vo vnútri sekvencera žiadne „tikania“. Existuje hardvérový časovač, ktorý generuje impulzy s prísne konštantnou frekvenciou (napríklad každú mikrosekundu). Nútiť hudobníkov, aby merali čas v mikrosekundách, by bol obludný výsmech, rovnako ako v iných jednotkách reálneho času (sekundy, minúty). Hudobníci sú zvyknutí uvažovať v taktoch a úderoch a vyjadrovať čas v relatívnych jednotkách (dĺžkach nôt) v závislosti od aktuálneho tempa.

"Žiadny problém," odpovedali výrobcovia, "nechajme ich merať tak, ako im to najviac vyhovuje." Len minimálnou mernou jednotkou nebude nejaký 32. čas trvania, ale podmienečne odobratý tiket (jednotka je ešte menšia, takže napríklad jedna tridsaťsekunda môže obsahovať 48 tikov). Keďže od klasickej éry sa tempo meria počtom kvartálov za minútu (BPM, tepy za minútu), rozhodlo sa, že hlavné trvanie bude štvrtina a uvedie sa počet tikov za štvrťrok - PPQN (Pulse Per Štvrťročná poznámka). Čím väčšie je PPQN, tým lepšie rozlíšenie má sekvencer a tým presnejšie dokáže zachytiť správy počas nahrávania a pri prehrávaní ich vydávať na MIDI výstup. Väčšina sekvencerov vám umožňuje ľubovoľne nastaviť PPQN - napríklad od 32 do 1536 tikov za štvrťrok (moderné sekvencery - až 15360 PPQN).

Tik je jednotka závislá od tempa: čím rýchlejšie je tempo, tým kratší je interval medzi tikaniami v jednotkách v reálnom čase. Tento interval možno nájsť pomocou vzorca na obr. jeden.

Napríklad pri tempe 120 BPM a rozlíšení 96 PPQN budú tikania každých 5,208 milisekúnd. Pri rovnakom rozlíšení a tempe 180 BPM sa interval medzi tikotmi skráti na 3,472 ms. Ako tiká počet sekvencií, ak jeho interný časovač pulzuje každú mikrosekundu? Áno, je to veľmi jednoduché: na základe aktuálneho tempa a rozlíšenia v štvrtine, presne podľa zadaného vzorca. Pretože jedna milisekunda má 1000 mikrosekúnd, v poslednom príklade sekvenátor vygeneruje ďalší tick, keď prijme 3472 impulzov z časovača.

Pozícia udalosti na časovom pravítku sa nastavuje v sekvenceri, zvyčajne vo formáte „bars: beats: ticks“, napríklad 22:3:152. To znamená: dvadsiaty druhý takt, tretí takt, 152. takt od začiatku tretieho taktu. Podobný princíp časovania (anglický výraz - Timebase) sa nazýva hudobný (hudobný), pretože je pre hudobníkov známy a pohodlný. Upozorňujeme, že na prácu v tomto formáte potrebujete poznať aktuálny takt. To znamená, koľko úderov obsahuje takt a čomu sa každý úder rovná.

Takže v 4/4 takte sa úder rovná štvrtine a takt obsahuje štyri údery. Pri rozlíšení 384 PPQN bude 384 tikov v jednom takte, respektíve 1536 tikov v každom takte (384 x 4). Pri takte 6/8 a rovnakom rozlíšení bude zaznieť 192 tikaní na takt (osmina je polovica dĺžky štvrťovej noty) a 6 taktov na takt, čiže 1152 tikaní (192 x 6). Záznam 22:3:152 teda v prvom prípade znamená 35096 tikov od začiatku skladby (22 x 1536 + 3 x 384 + 152) a v druhom - 26072 tikov (22 x 1152 + 3 x 192 + 152).

Ak teda chcete určiť polohu udalosti v jednotkách v reálnom čase na základe formátu „takty: beaty: ticks“, potrebujete poznať tri parametre: aktuálne tempo, takt a rozlíšenie v tikoch za štvrťrok (PPQN).

Existuje ešte jedna možnosť počítania času, kedy je poloha udalosti na trati vyjadrená v absolútnych jednotkách nezávislých od tempa, najčastejšie v časovom formáte SMPTE – „hodiny: minúty: sekundy: snímky“. Tento princíp časovania sa nazýva "time-code-based" (založený na časovom kóde, absolútnom). Jeho potreba vzniká vtedy, keď sekvencer spolupracuje s magnetofónom alebo filmovým/video zariadením. Operácie úprav s filmom, videom a zvukovým materiálom, ktoré označujú polohy začiatku a konca nahrávky, sú pohodlnejšie na vykonávanie, pretože sú viazané na absolútnu mierku a nie na takty a údery.

V tomto prípade súradnice udalosti na časovom pravítku závisia od aktuálneho tempa. Takže pri 120 BPM môže mať prvý úder druhého taktu SMPTE čas 00:00:02:00 a pri 60 BPM to môže byť 00:00:04:00. Ak sa udalosť nachádza vo vnútri snímky (medzi sekundami), jej súradnice sa budú líšiť aj pre rôzne formáty snímok (počet snímok za sekundu). Viac o SMPTE a MIDI Time Code si môžete prečítať v predchádzajúcom článku zo série.

Variabilné dĺžky
Dosť bolo lyrických odbočiek, teraz je našou úlohou zistiť formát ukladania údajov. A prvým problémom, ktorému vývojári SMF čelili, bolo, ako ušetriť čas udalosti.

Tu sú dve možnosti: uložiť pre každú udalosť čas od začiatku skladby alebo od poslednej udalosti pred ňou (na rovnakom kanáli). Prvá možnosť však nie je racionálna, pretože najčastejšie je interval medzi udalosťami malý, susedné udalosti majú časy vykonávania blízko seba. Takže v pasáži troch nôt môže mať prvá čas povedzme 22:3:152, druhá 22:3:244, tretia 22:3:288. Ak chcete uložiť tieto čísla (prevedené na tiky od začiatku skladby), musíte si rezervovať každé aspoň štyri bajty. Ak pôjdete druhým spôsobom, potom namiesto troch veľkých čísel môžete uložiť jedno veľké štartovacie číslo (22:3:152), po ktorom nasledujú dve malé, rozdiel v tikoch medzi prvým a druhým a druhým a tretím noty (v tomto prípade 92 a 44), stačí im jeden bajt. Problém však stále zostáva: v závislosti od udalosti musíte prideliť iný počet bajtov, aby ste ušetrili čas.

Ak by sa v súčasnosti vyvíjalo SMF (a dokonca aj Microsoft, ktorý sa vo všeobecnosti málo stará o veľkosť svojich súborov a potrebnú pamäť), nad týmto problémom by sa zatváralo oko. Pridelili sme pevné pole na úsporu času, povedzme 8 bajtov na udalosť, a neutrpeli sme. Avšak v roku 1988 bola primárna (RAM) pamäť veľmi drahá, každý bajt sa rátal a sekundárna (diskové médium) mala veľmi skromné ​​​​množstvo. Preto chceli vývojári SMF získať čo najkompaktnejší formát.

Bolo rozhodnuté ponechať delta čas, teda rozdiel v tickoch medzi touto udalosťou a predchádzajúcou (alebo začiatkom skladby). Napríklad, ak sa prvá udalosť - zasiahnutie noty C do prvej oktávy - vyskytla v momente 40 tiknutí od začiatku piesne, potom jej delta čas bude 40. Ak sa nota F zahrá po štyroch tikaniach, potom jej delta čas bude 4. Ak dve udalosti nastanú súčasne, potom jednej z nich je priradený delta čas rovný nule. Ak sa udalosť vyskytne presne na začiatku skladby, má tiež nulový delta čas. K ďalšej udalosti však môže dôjsť o hodinu a pol (teda po niekoľkých miliónoch tiknutí). Ako byť v tomto prípade? Koniec koncov, pamäť je potrebné šetriť a je nežiaduce prideľovať pevné pole niekoľkých bajtov pre delta čas.

Takzvaný množstvá s premenlivou dĺžkou. Poskytujú pohodlný spôsob zápisu celých čísel, od najmenšieho po najväčšie, bez toho, aby bolo potrebné pre číslo vyčleniť pevný počet bajtov. Bity pôvodného čísla sú zbalené do jedného alebo viacerých bajtov: každý bajt má sedem bitov (vpravo bity 0 až 6). Najvýznamnejším bitom v byte je služba; všetky bajty v rade, okrem posledného, ​​musia obsahovať jeden, posledný - nulu. Niekoľko príkladov balenia je znázornených na obr. 4.

Napríklad chcete zabaliť číslo 64 (hexadecimálne 0x40) do formátu s premenlivou dĺžkou. V binárnej forme je toto číslo zapísané ako 0100 0000. Existuje len sedem platných bitov, takže toto číslo je zbalené do jedného bajtu nezmenené - 0100 0000 (je to aj posledný bajt série), najvýznamnejší bit je 0.

Teraz je číslo 128 (0x80). V binárnej forme sa zapisuje ako 1000 0000. Významných bitov je osem, takže všetko sa nezmestí do jedného bajtu, treba ho rozdeliť na dva. Prvý bajt musí mať jednotku vo vysokom bite, druhý (ako posledný bajt série) musí mať nulu. Sedem najmenej významných bitov pôvodného čísla vložíme do druhého bajtu, ukáže sa 0 000 0000. Zostávajúci jeden bit (jeden) sa umiestni na pravú stranu prvého bajtu - vyjde 1 000 0001. Výsledkom je , číslo 0x80 sa zapíše ako dva bajty: 0x81 0x00. Rozbalenie je veľmi jednoduché. Dopredu nevieme, koľko bajtov je v rade. Čítame prvý bajt - 1000 0001. Vysoký servisný bit (1) naznačuje, že toto nie je posledný bajt série, bajtov je viac. Obslužnú jednotku zahodíme, zostane sedem bitov - 000 0001. Prečítame druhý bajt - 0000 0000. Vysoký servisný bit (0) znamená, že toto je posledný bajt série (to znamená, že v sérii sú len dva bajty séria). Obslužný bit vyhodíme. Zostáva tiež sedem bitov - 000 0000. Pridáme k nim vľavo sedem bitov pridelených z prvého bajtu, dostaneme 000 0001 000 0000. Po vyradení prvých šiestich núl dostaneme požadované číslo 1 000 0000 (0x80). .

Metóda hodnôt s premenlivou dĺžkou vám teda umožňuje prideliť rôzny počet bajtov pre rôzne čísla: pre čísla v rozsahu od 0 do 127 - jeden bajt, od 128 do 16383 - dva bajty atď. Maximálny počet, ktorý môže byť takto zastúpený, v zásade nie je obmedzený. V SMF je však dĺžka trvania obmedzená na štyri bajty (tri s nastaveným najvýznamnejším bitom a jeden ukončujúci jeden s nulou). V dôsledku toho môže byť maximálny delta čas 0x0FFFFFFF (alebo 268 435 455 tikov), čo pri 500 BPM a 96 PPQN je približne štyri dni. Viac než dosť!

Vo forme hodnôt premennej dĺžky SMF špecifikuje nielen delta čas, ale aj dĺžku niektorých udalostí.

Interchange File Format (IFF)
Štruktúra štandardného súboru MIDI je takmer celá prevzatá z formátu IFF (Interchange File Format), ktorý v roku 1985 vyvinula spoločnosť Electronic Arts. Ide o formát na ukladanie a výmenu údajov, ktorý už takmer dvadsať rokov uľahčuje život používateľom aj vývojárom softvéru. Electronic Arts neposkytuje len dokumentáciu s otvoreným zdrojovým kódom, ale aj zdrojový kód C na čítanie a zápis súborov IFF.

Formát IFF je spätne kompatibilný a rozšíriteľný. Prvý znamená, že nová verzia programu dokáže jednoducho čítať súbory vytvorené predchádzajúcou verziou. Po druhé, na ukladanie dodatočných informácií nie je potrebné vymýšľať nový formát, stačí v IFF zaviesť vlastné rozšírenie. Štruktúra formátu umožňuje výmenu údajov medzi programami od rôznych výrobcov, ktorí nemajú medzi sebou relevantné obchodné zmluvy. To všetko poteší aj používateľov – po uložení údajov vo formáte IFF už nie sú viazaní na uzavretý formát svojho systému a môžu údaje použiť v akomkoľvek hardvérovom a softvérovom prostredí kompatibilnom s IFF.

Súbor IFF je súbor údajov organizovaných takým spôsobom, že ich môžu čítať rôzne nesúvisiace programy. Na druhej strane, program môže ukladať špecifické informácie v IFF, ktoré dávajú zmysel len jemu samému. Štruktúra IFF to uľahčuje. Iné programy, ktoré nevedia, ako s takými informáciami narábať, ich môžu ignorovať bez ovplyvnenia čítania hlavného obsahu.

Existuje niekoľko typov súborov IFF. Napríklad súbory ILBM a GIFF obsahujú grafické informácie, súbory SMUS obsahujú hudobnú notáciu, súbory AIFF a WAVE obsahujú digitálny zvuk.

Súbor IFF pozostáva z prvkov rovnakého typu, nazývaných bloky (chunks). Blok je dátová štruktúra pozostávajúca z písmenového identifikátora (štyri znaky ASCII), veľkosti bloku (štyri bajty) a samotných údajov (obrázok 5). Je vhodné si predstaviť blok ako shell, v ktorom sú „zabalené“ dáta. Samotné dáta môžu obsahovať čokoľvek: grafiku, text, animáciu, zvuk, súbor 3D objektov atď.

Bloky v súbore IFF môžu byť vnorené, obr. 6. V skutočnosti súbor IFF nie je nič iné ako blok najvyššej úrovne, ktorý obsahuje jeden alebo viacero ďalších blokov. Tento princíp ukladania údajov umožňuje „zabaliť“ niekoľko heterogénnych údajov do súboru, vrátane niekoľkých súborov IFF, ktorý už pripomína súborový systém vo vnútri súboru. Je pravda, že organizácia vnorených údajov má jednu nevýhodu - súbor sa ťažko interpretuje, izoluje z neho bloky.

Väčšina súborov IFF obsahuje blok najvyššej úrovne s identifikátorom „FORM“. Jeho súčasťou sú ďalšie bloky (obr. 7). Jediným údajom v bloku FORM sú štyri bajty popisujúce typ súboru (napr. "ILBM", InterLeaved Bit Map). Vnorené bloky sú umiestnené priamo za nimi, napríklad „BMHD“ (hlavička obrázka), „CMAP“ (paleta) a „BODY“ (samotné pixely). Názvy blokov a formát údajov prichádzajú s vývojárom konkrétneho typu súboru. Iné programy, ak narazia na blok s neznámym názvom, ho môžu bezpečne preskočiť podľa poľa obsahujúceho dĺžku bloku.

Všetky číselné údaje v súboroch IFF sú uložené v poradí big-endian, to znamená, že najskôr sa uloží najvýznamnejší bajt čísla (MSB), potom najmenej významný. Viac o tom na bočnom paneli. Bloky v súbore musia vždy začínať párnym bajtom. Ak predchádzajúci blok obsahuje nepárny počet bajtov, doplní sa nulovým bajtom, aby bol párny.

Štruktúra SMF
Štandardné MIDI súbory, ako sú súbory IFF, pozostávajú z blokov (Chunks). Existujú dva typy blokov: Header Chunk a Track Chunk. V súbore SMF môže byť iba jeden blok hlavičky a jeden alebo viac blokov stopy. Blok má typickú štruktúru IFF: prvé štyri bajty sú identifikátor, ďalšie štyri bajty sú dĺžka bloku v bajtoch, s výnimkou ôsmich bajtov typu/dĺžky. Identifikátor bloku záhlavia sú štyri znaky "MThd", identifikátor bloku stopy sú štyri znaky "MTrk". Táto štruktúra umožní v budúcnosti definovať nové typy blokov a neznámy blok možno ľahko ignorovať na základe jeho dĺžky. Špecifikácia SMF varuje: "Programy by mali byť pripravené ignorovať bloky typov, ktoré nepoznajú."

Blok hlavičky obsahuje všeobecné informácie o súbore, blok stopy obsahuje prúd MIDI správ s časovými značkami. Okrem toho sú v súbore MIDI uložené ďalšie informácie potrebné pre sekvencery: tempo, takt, tónina, nastavenia metronómu a podobne. Tieto informácie sa neprenášajú cez rozhranie MIDI a udalosti, ktoré ich tvoria, sa nazývajú metaudalosti.

MIDI súbor vždy začína blokom hlavičky, za ktorým nasleduje jeden alebo viacero blokov stopy (obrázok 9). To znamená, že každý štandardný súbor MIDI začína štyrmi písmenami „M“, „T“, „h“, „d“. To znamená, že súbor MIDI nezodpovedá špecifikácii IFF (ktorá vyžaduje, aby každý súbor vyhovujúci IFF začínal blokom najvyššej úrovne jedného z troch typov – „FORM“, „CAT“ alebo „LIST“). Existujú aj ďalšie rozdiely: SMF nemôže obsahovať vnorené bloky a dĺžka bloku nemusí byť párna. Konverzia SMF na súbor kompatibilný s IFF je však jednoduchá. Stačí vyplniť nulabajtové bloky nepárnej dĺžky (ak existujú) a umiestniť celý obsah do bloku FORM. Podobná operácia sa používa vo formáte RMID navrhnutom spoločnosťou Microsoft (pozri bočný panel).