MIDI-Programmierkurs

von Rainer Buchty

MIDI - was ist das überhaupt?

Die Revolution

Irgendwie scheint man vor 16 Jahren jedoch nicht so das rechte Gefühl für die Notwendigkeit hoher Datenraten gehabt zu haben, denn aus heutiger Sicht ist die Geschwindigkeit von MIDI hemmungslos unterdimensioniert - aber das ist ISDN auch (wer mal so ein Ruckel-Bild gesehen hat, weiß was ich meine). Aber damals steckte die elektronische Musik noch in den Kinderschuhen und man dachte auch nie daran, daß es eine Musikrichtung geben wird, bei der 180bpm kein Fehler bei der Programmierung sondern durchaus gewollt ist :) Fairerweise muß man aber sagen, daß zur damaligen Zeit auch noch von ganz anderen Voraussetzungen ausgegangen wurde. Man wollte in erster Linie ein System schaffen, mit dem man mehrere Synthesizer (Sampler gab es gerade so die ersten) miteinander vernetzen konnte, so daß diese zentral gesteuert alle brav im Takt spielen. Die wenigen 100 Byte, die eine damalige Soundbank eines Synthesizers umfaßten, fielen da auch nicht sehr ins Gewicht. Ganz anders heute: Ein einzelner Synthesizersound kann leicht 4kB groß sein (z.B. eine 4AFM-Voice des Yamaha SY77), eine komplette Soundbank von 64 Programmen kommt auf mehrere 100kByte - und ein vernünftiges Sample ist auch hübsch groß...
 

MIDI heute

Ausblick

MIDI - das unbekannte Wesen (Teil 2)

Befehlsformate

Doch zurück zu den Befehlen. Zunächst wollen wir uns die kanalspezifischen Befehle ansehen. Diese beinhalten Kommandos wie Note-On/Note-Off (Taste drücken und wieder loslassen), Controller (Spielhilfen), Program Change (Klangprogrammumschaltung) und das Pitch-Bend-Wheel (Tonhöhenbeugungsrad ist wirklich ein häßliches Wort). Einem kanalspezifischem Befehl folgen ein bis zwei Datenbytes (ist in der Zwischenzeit kein anderer Befehl gesendet worden, so verschickt man übrigens den Befehl nicht nochmal sondern nur noch die Daten - zwar keine Datenkompression, aber immerhin).

So ein Befehlsbyte schaut folgendermaßen aus:
 

Zunächst erkennt man das gesetzte Bit 7, klar, es ist ja auch ein Befehl. Die nächsten drei Bits geben den Befehl an, die untersten vier Bit geben den zu verwendenden MIDI-Kanal an. Doch keine Regel ohne Ausnahme - dieses Szenario gilt nur für kanalspezifische Befehle, sind die drei Befehlsbits alle auf 1, so handelt es sich um eine systemweite Nachricht und die untersten vier Bit werden nun nicht als Kanal sondern als Befehl interpretiert.
 

Alles kanalisiert - die Kanaldaten

• Note on ($9x)

Wie der Name vermuten läßt, schlägt man hiermit eine Taste an. Die dem Befehl folgenden zwei Datenbytes geben die zu spielende Taste sowie den Anschlag, sprich wie stark man auf die Taste haut, an. Nachdem wir für die Daten nur 7 Bit zur Verfügung haben, sind Tonumfang und Anschlagstärke auf 128 Werte (0-127) begrenzt. Eine Differenz von 1 steht bei der Tonhöhe für einen Halbton, der Wert 64 repräsentiert das C-3 - viel Spaß beim Tastenzählen :)

MIDIBASIC-Befehl:     on channel, key, velocity
 
 

• Note off ($8x)

Das genaue Gegenteil von Note on - und verfügt ebenfalls über zwei Datenbytes zur Angabe von Taste und "Anschlag", der hier allerdings die Loslaßgeschwindigkeit darstellt. Dieser Befehl ist essentiell, will man eine einmal gespielte Note auch wieder loslassen. Die Länge der gespielten Note ergibt sich somit aus der Zeitdifferenz zwischen Note on und Note off.

MIDIBASIC-Befehl:    off channel, key, velocity
 
 

• Aftertouch ($Ax, $Dx)

Aftertouch - das ist kein liebevoller Klaps auf den Po sondern vielmehr, wie stark man auf eine Taste nach dem Anschlag drückt. Diesen gibt es auch in zwei Varianten, nämlich channeled ($Cx) und polyphonic ($Ax). Im ersten Falle folgt dem Befehl nur ein Datenbyte, der Druckwert, welches für alle Tasten auf diesem Kanal gilt. Der polyphone Aftertouch hingegen ist auch tastenspezifisch, d.h. auf den Befehl folgen zwei Datenbytes, nämlich die Taste und der Druckwert.

Channel-Aftertouch wird von jedem Synthesizer/Sampler verstanden und auch (sofern er über eine Tastatur verfügt) gesendet. Polyphoner Aftertouch jedoch wird von den wenigsten Geräten verstanden, noch weniger senden ihn. Dies ist zwar vom Standpunkt der Industrie verständlich, die die Hardware möglichst billig halten will, als Musiker hingegen stört mich das ganz ungemein.

MIDIBASIC-Befehl:      cpr channel,amount (Channel-AT)
                ppr channel,key, amount (polyphonic AT)
 
 

• Controller ($Bx)

Die Controller sind sozusagen das Salz in der Suppe. All die schönen Sachen wie getriggerte Filtersweeps, wie sie gerade im Dance-Bereich so beliebt sind, wären ohne die Controller unmöglich. Eine Handvoll der 127 möglichen Controller wurden mit der Schaffung des MIDI-Standards definiert, leider hat man es versäumt, über die unbelegten Controller-Adressen zu wachen - so daß hier Mitte der 80er ein regelrechter Wildwuchs einsetzte.

Auch hier gilt: Nicht jeder Synthesizer versteht alle Controller. Bekannte und genormte Controller sind beispielsweise das Modulationsrad (1), der Breath-Controller (2), Modulations-Pedal (4) und Lautstärke (7). "Ubrigens ist nicht jeder Controller regelbar, es gibt auch Schalter - beispielsweise das Haltepedal (64). Bei Schaltern gilt: Der Wert 0 steht für aus, 127 für an.

MIDIBASIC-Befehl:     ctrl channel, controller, value
 
 

• Program-Change ($Cx)

Mit diesem Befehl wird das aktuelle Klangprogramm umgeschalten. Nachdem das Limit auf 127 Programme den Herstellern zu wenig erschien, gibt es zusätzlich einen Controller, welcher zwischen Programmbänken umschaltet - dieser ist aber (hurra) herstellerspezifisch und nicht genormt.

MIDIBASIC-Befehl:     prg channel, program
 
 

• Pitch-Bend ($Ex)

Das deutsche Wortungetüm Tonhöhenbeugung beschreibt die Wirkung dieses Befehls recht treffend - dennoch drehe ich lieber am Pitch-Bend-Wheel als am Tonhöhenbeugungsrad. Da das Ohr doch sehr penibel sein kann und gerade Tonsprünge sehr fein auflöst, hat man dem Pitch-Bend-Wheel auch eine Auflösung von 14 Bit mitgegeben, folgerichtig hat der Pitch-Bend-Befehl auch zwei Datenbytes, nämlich das LSB und das MSB. In ihrer unergründlichen Weisheit haben jedoch einige Synthesizerhersteller beschlossen, hiervon nur das MSB zu verwerten...

MIDIBASIC-Befehl:     bend channel, value(0-16384)
 

Nachrichten fürs Volk

Die NRT-Messages umfassen weitere Sequencer-Befehle, die jedoch nicht in Echtzeit ausgeführt werden müssen (was auch nicht möglich wäre), nämlich die taktgenaue Sequencer-Positionierung ($F2 gefolgt von zwei Datenbytes, welche den Takt als 14Bit-Zahl LSB/MSB enthalten), mit $F3 wird ein Song angewählt - hier reicht ein Datenbyte als Parameter. Moderne Synthesizer verlieren zwar nicht ihre Stimmung wie die alten analogen, jedoch gibt es aus historischen Gründen noch den Tune-Befehl ($F6), welcher die Synthesizer dazu veranlassen soll, ihre Oszillatoren zu stimmen.

Nun zu einem echten Power-Befehl - dem System-Exclusive-Befehl ($F0). Er leitet einen allgemeinen Datenblock ein, die folgenden zwei Bytes bezeichnen das Ziel und die Herstellerkennung, alles danach ist nicht mehr spezifiziert und kann so ziemlich alles beinhalten. Hiermit ist es beispielsweise möglich, den Synthesizer komplett fernzubedienen, d.h. auch die Benutzeroberfläche. Oder - wie im Falle des Yamaha SY77 - man erreicht sogar Funktionen, die normalerweise gar nicht zugänglich sind. Typische Anwendungen des SysEx-Dumps ist beispielsweise der Austausch von Klangprogrammen, Samples oder auch Sequencer-Daten. Beendet wird solch eine "Ubertragung mit ($F7), dem SysEx-Endekennzeichen.

Wer hiermit experimentieren will, kann unter MIDIBASIC folgende Befehle nutzen:

• out c, byte  gibt ein beliebiges Byte (8 Bit!) auf Kanal c aus. Bei Verwendung aller 8 Bits sollte der Kanal auf 0 gesetzt werden
• x=usr(0) liest ein Byte aus dem Empfangspuffer

MIDI - was steckt dahinter? (Teil 3)

Die Zutaten

Close Up

Das MIDI-Interface wird über den I/O1-Bereich adressiert, liegt also zwischen $DE00 und $DEFF. Dies hat historische Gründe, denn zum damaligen Zeitpunkt war der I/O2-Bereich bereits von 80 Zeichen-Karten bzw. dem CP/M-Modul besetzt. Ebenfalls im I/O2-Bereich liegt übrigens die REU, so daß im Parallelbetrieb des MIDI-Interfaces mit einer REU keine direkten Probleme auftreten sollten.

Was tut man nun, wenn die Lieblingshardware auch im I/O1-Bereich operiert bzw. man im Besitz eines exotischen MIDI-Interfaces ist, das via I/O2 angesprochen wird? Am einfachsten ist hier wohl eine kleine Modifikation des Interfaces, hierbei hat man zwei Alternativen:

1.  Änderung des Interface-Adreßraums von I/O1 auf I/O2

Tatsächlich gab es seinerzeit auch von einem Hersteller MIDI-Interfaces, die im I/O2-Bereich lagen, so abwegig wäre die Idee also nicht. Allerdings arbeitet das Gros der MIDI-Software nicht mit Interfaces im I/O2-Bereich zusammen, man muß diese erst händisch patchen. Die stellt allerdings kein größeres Problem dar, da man lediglich jedes Vorkommen der Adressen $DE04 bis $DE07 durch $DF04 bis $DF07 ersetzen muß.
 
1. Ausdekodierung des I/O1-Bereiches

Ungleich aufwendiger wäre diese Variante, bei der man mit zusätzlicher Hardware den I/O1-Bereich ausdekodiert und anstatt der I/O1-Leitung die jeweilige Chipselect-Leitung an die "kollidierende Hardware" und das MIDI-Interface gibt. Auch hier kommt man natürlich nicht umhin, bestehende Software zu patchen.

Alles unter Controller

(1) Das Control Register ($DE04)
Beim CR handelt es sich um ein Write-Only-Register, es hat folgenden Aufbau
 

Beginnen wir zunächst mit dem Counter Divide Select. Mit diesen zwei Bits wird die Taktrate der seriellen Schnittstelle des 6850 bestimmt, folgende Teilerverhältnisse kann man einstellen:
 

Bei einem Takt von 2MHz ergeben sich also die Bitraten 2MBit/s, 125kBit/s und 31.25kBit/s - wohlgemerkt, die Einheiten stehen hier zur Basis 10, wie man das in Physik mal gelernt hat (man vergißt ja zu leicht, daß 1k-irgendwas eben nicht 1024 Stück sind). Das Bitmuster 11 stellt hierbei kein Teilverhältnis ein, sondern setzt den 6850 zurück, man muß dieses Bitmuster explizit wieder lösen, um den 6850 in einen arbeitsfähigen zustand zu bringen.

Mit den Word Select Bits werden Wortlänge, Parität und Anzahl der Stop-Bits eingestellt. MIDI-Standard ist eine Wortlänge von 8 Bit, kein Parity-Check und 2 Stop-Bits, der Vollständigkeit halber auch hier wieder alle möglichen Bitmuster mit Bedeutung:
 

Die nächsten zwei Bits sind die Transmitter Control Bits. Mit diesen kann eignestellt werden, ob das TDR-Bit des Status-Registers (s.u.) einen Interrupt auslöst. Weiterhin kann der Request-to-Send Ausgang gesetzt werden, allerdings ist diese Leitung für MIDI nicht genutzt, so daß nur Bit 5 interessant ist: Soll ein Sende-Interrupt ausgelöst werden, so setzt man dieses Bit auf 1, andernfalls auf 0. Bit 6 klemmt man - da nicht benötigt - konsequent auf 0.

Kommen wir zu Bit 7, dem Receive Interrupt Enable-Bit. Hiermit kann eingestellt werden, ob beim Empfang eines Datenbytes ein Interrupt ausgelöst werden soll - hierzu setzt man dieses Bit auf 1, andernfalls auf 0.

(2) Das Transmit-Data-Register ($DE05)
Ist das TDRE-Bit des Status-Registers (s.u.) gesetzt, so kann man ein Datenbyte in das TDR schreiben. Hierauf wird unmittelbar das TDRE-Bit gelöst und bleibt solange gelöscht, bis die "Ubertragung des Datenbytes beendet ist.

(3) Das Status-Register ($DE06)
Das Status-Register hat folgenden Aufbau:
 

Interessant sind hierbei vornehmlich die ersten beiden Bits. Das RDRF-Bit wird dann auf 1 gesetzt, wenn ein vollständiges Datenbyte empfangen wurde. Wir ddieses Datenbyte gelesen, so wird das RDRF-Bit wieder auf 0 gesetzt, um anzuzeigen, daß der Inhalt des Receive Data Registers nun nicht mehr gültig ist. Entsprechend wird das TDRE-Bit auf 1 gesetzt, wenn alles zur "Ubertragung eines Datenbytes fertig ist. Wird ein Datenbyte in das Transmit Data Register geschrieben, so wird dieses Bit auf 0 gesetzt, um anzuzeiten, daß jetzt mit der "Ubertragung begonnen wurde und kein neues Datenbyte in das Transmit Data-Register geschrieben werden darf. Nach erfolgreicher Transmission wird das TDRE-Bit wieder auf 1 gesetzt.

(4) Das Receive Data Register ($DE07)
Aus diesem Register kann man ein empfangenes Datenbyte auslesen. Die Gültigkeit des im RDR enthaltenen Bytes wird durch das gelöschte (!) RDRF-Bit im Status-Register angezeigt.
 

Viel Theorie dieses Mal, aber keine Angst, im nächsten und gleichzeitig letzten Teil wird es sehr praktisch - dort lernt Ihr grundlegende MIDI-Programmiertechniken kennen. Und ich verspreche, ob Assembler-Freak oder BASIC-Fan, alle werden auf ihre Kosten kommen.
 

Into deep - MIDI Programmierung in der Praxis (Teil 4)

Aber da war doch noch die Programmiersprache der Gurus... Assembler. (Einer der seltsamen Zufälle des Lebens bedingte just beim Schreiben dieses Satzes, daß sich in der lokalen Chatbox, in der ich gerade nebenbei online bin, ein User namens "Assembler" einloggt - life is strange, isn't it?) Zurück zum Thema ... Letzte Folge habe ich Euch ja mit den Registern des 6850 gequält - und in dieser Folge erfahrt Ihr sogar, wie man sie verwendet.

Aktivieren wir zunächst mal das MIDI-Interface. Dies geschieht in zwei Schritten - zuerst setzt man den 6850 zuröck, anschließend stellt man den gewönschten Arbeitsmodus ein. Das sieht so aus:

init:     LDA #$03    ; Reset 6850 STA $DE04
setup:    LDA #$92    ; 31625Bit/s, 8N1, Receive Interrupt (#$12 för Polling)
          STA $DE04

Will man - wie im obigen Beispiel - das Interface im Interruptbetrieb nutzen, faßt man das ganze in SEI / CLI ein und verbiegt die Interruptvektoren entsprechend.

Der 6850 weiß nun, auf einen MIDI-Datenstrom zu reagieren, aber wie empfängt und sendet man denn nun Daten? Zunächst das Empfangen, das empfangene Datenbyte steht anschließend im Akku:

rx: LDA $DE06    ; warten, ob neue Daten empfangen wurden
    LSR
    BCC RX
    LDA $DE07    ; ...und diese einlesen
 

...und hier das Senden. Das zu sendende Byte wird hierbei im X-Register übergeben.

tx: LDA $DE06    ; warten, ob Sender bereit
    LSR
    LSR
    BCC TX
    STX $DE05    ; zu übertragendes Datenbyte losschicken

Das war auch schon alles an Basis-Routinen. Nehmen wir einmal an, wir wollten eine beliebige Note auf einem beliebigem Kanal mit beliebiger Anschlagstärke (Falls das mein alter Deutschlehrer Dr. Hugenschmidt lesen sollte - ich weiß: 3x 'beliebig' in einem Satz ist stilistisch unter aller Kanone!) spielen, dann könnte das folgendermaßen aussehen:

play: LDA #$90
      ORA channel
      TAX
      JSR tx        ; tx ist natürlich mit RTS abgeschlossen
      LDX key
      JSR tx
      LDX velocity
      JSR tx

Läßt sich natürlich wie immer beliebig (schon wieder dieses Wort) erweitern. Und wer sich jetzt beschwert, daß man hier ja gar nicht in Rasterzeilen rechnen muß, dem sei gesagt, daß das menschliche Ohr sehr empfindlich ist - und schon minimale Verzögerungen deutlich hörbar sind. Schon 5ms Verzögerung machen sich akustisch sehr bemerkbar - kalkuliert also Eure Ausgabe-Routinen sorgfältig und wenn Ihr komplexe Arrangements bastelt, denkt an die relativ niedrige Geschwindigkeit von MIDI und daran, daß eine Note zu spielen (Anschlag, Loslassen) ganze sechs Bytes benötigt. Wir erinnern uns - 31250 Bit/s, 10 Bit pro übertragenem Datenbyte macht somit 3125 Bytes pro Sekunde. Viel Luft bleibt da also nicht. Komischerweise sind aber die Bestrebungen der Musikindustrie, einen neuen, besseren MIDI-Standard zu schaffen, offenbar eingeschlafen.
 

Schlußwort