Syntezator Rungler na Game Boy w assemblerze

Syntezator na Game Boya: implementacja Runglera w asemblerze

Tworzenie programowego syntezatora dla Game Boya (DMG/CGB) w oparciu o idee syntezy modularnej i sekwencjonowania. Projekt rozpoczął się od próby emulacji Rungler Circuit – układu Roba Hordjika z dwoma oscylatorami i rejestrem przesuwnym do chaotycznej modulacji. Implementacja w asemblerze Sharp SM83 bez sprzętowego urządzenia, tylko emulatory BGB i Same Boy.

Historia i inspiracje

Idea powstała po zapoznaniu się z pracami Essa Mattissona: jego utworem na Dirtywave M8 (jedna ścieżka) i wtyczką Junior do syntezy 4-bitowej, podobnej do LSDJ. RetroPlug umożliwia integrację emulatora Game Boya w DAW jako VST z obsługą MIDI. Cel – uzyskanie z APU Game Boya (4 kanały: 2x pulse, wave, noise) chaotycznych dźwięków: blipy, blupy, szumy.

Rungler Circuit: dwa oscylatory, jeden wyzwala 3-bitowy rejestr przesuwny (LFSR), którego wyjście (0–7) moduluje częstotliwości oscylatorów. Chaotyczność zgodnie z teorią chaosu – małe zmiany parametrów dają radykalne przesunięcia dźwiękowe.

Możliwości techniczne Game Boya

Rewizja APU i CPU pod kątem wykonalności:

• Rejestr przesuwny: 8-bitowy bajt z operacjami bitowymi (shift, OR). Łatwy do zaimplementowania.
• Oscylatory: Kanały 1–2 (pulse z duty cycle). Częstotliwość min. 64 Hz, dodano licznik dla dyskretyzacji. Kanał 1 obsługuje sweep.
• Modulacja: Zapis do rejestrów audio (np. $FF17 dla volume CH1). Brak sprzętowego mnożenia – operacje bitowe zamiast. Volume: 4-bit (0–$F). Częstotliwość: NR13/NR14, stosowana na końcu fragmentu bez retriggera.
• Odczyt oscylatorów: Tylko na GBC (niedokumentowane rejestry), emulatory BGB/SameBoy obsługują.
• UI: Sprity w VRAM, przerwanie VBlank (~60 Hz, 4560 cykli) dla aktualizacji. Grafika kafelkowa 160x144.

Problemy czasu rzeczywistego: retrigger kanału powoduje trzaski, modulacja częstotliwości jest stabilniejsza.

Rozwój w asemblerze

Narzędzia: RGBDS + wtyczka VSCode. Dlaczego asm, nie C? Optymalizacja dla czasu rzeczywistego, analiza cudzego kodu C wykazała inline asm.

Kluczowe wyzwania:

• Timing VBlank: Logika w przerwaniu, <1500 cykli (profilowanie). Przekroczenie – tearing (śmieci na ekranie).
• Arytmetyka 16-bit: Ręczne zarządzanie rejestrami A, zmienne – ręczne śledzenie.
• Operacje bitowe: Brak mul/div – tablice lub shifts/OR/XOR.
• Pamięć: Zapis VRAM tylko w VBlank (wiersze 0–153).

Początek: tutoriale, Pandocs, pomoc AI dla "Hello World". UI: kursor, parametry (częstotliwości, modulacja), reaktywne aktualizacje.

Implementacja i ograniczenia

• Logika LFSR: Wyzwalanie od oscylatora1, bramka od oscylatora2 ustawia wejście. 3 bity → DAC (0–7) → skalowanie + bias → rejestry.
• Sekwencjonowanie: LFSR dla wyzwalaczy, okresowy retrigger.
• Optymalizacje: Czyszczenie ekranu, rysowanie kursora, wizualizacja LFSR. Profilowanie: bezpieczna strefa.

Wynik: nie pełny Blippoo Box (ograniczenia 4-bit, timing), bliżej Double Knot. Dźwięki: pulsacje → szumy.

Co jest ważne:

• APU Game Boya nadaje się do modulacji LFSR, ale czas rzeczywisty ograniczony retriggerem i 4-bitowością.
• VBlank – krytyczne dla UI (<1500 cykli), asm konieczny dla korzyści.
• Rejestry GBC do odczytu oscylatorów – niedokumentowane, zależne od emulatora.
• Operacje bitowe zamiast mul: wystarczające dla efektów chaotycznych.
• Projekt skalowalny: wave CH3, Karplus-Strong w planach.

Perspektywy rozwoju

Dalej: synteza 4-bitowa (CH3 wave), Karplus-Strong/Risset Drum, performanse audiowizualne (inspiracja Robert Henke), debugowanie profilera, limity arytmetyki 16-bit.

— Editorial Team