Rust 中的 YM2149，第一部分：构建周期精确模拟器

Source: Dev.to

概览

有一种特定的声音定义了一代计算机。如果你在 Atari ST、ZX Spectrum、Amstrad CPC 或 MSX 上长大，你会立刻认出它：明亮、嘶嘶的方波叠加成的旋律，听起来比它本应拥有的更有活力。那种声音来自一颗单芯片——Yamaha YM2149，或它几乎相同的兄弟芯片 General Instrument AY‑3‑8910。

过去一年，我一直在构建 ym2149‑rs.org，一个完整的 Rust 生态系统，用于模拟这颗芯片并回放为其创作的音乐。最初只是一个周末实验，结果却变成了更大的项目：一个周期精确的模拟器、七种歌曲格式的播放器、一个 Bevy 游戏引擎插件、一个终端播放器以及一个浏览器演示。

这是一篇 四部分系列的第 1 部分，介绍该项目。我们将从芯片本身以及如何正确模拟它开始。

定义时代的芯片

YM2149 在纸面上看起来极其简单：

• 三个方波音调发生器
• 一个噪声发生器
• 一个拥有 10 种形状的硬件包络单元
• 一个将它们混合的混音器

仅此而已。

但简洁孕育了创造力。20 世纪 80‑90 年代的 Demo 场景音乐人发现，通过巧妙地操控这些受限资源，他们可以产生芯片本身从未设计过的声音。例如：

• 快速的包络操作产生了额外的波形（“SID voice” 技术，得名于 Commodore 64 那颗更强大的芯片）。
• 将包络重新启动与音调周期同步，产生了独特的 “Sync Buzzer” 效果。
• 通过滥用音量寄存器实现的采样播放让我们拥有了 “digi‑drums”。

这些并不是 bug——而是那些对硬件了如指掌的程序员发现的特性。

什么叫“周期精确”模拟？

大多数音频模拟器都会走捷径：读取寄存器值并近似输出。这对随意聆听来说足够，但无法再现使 YM2149 音乐独具特色的时序依赖效果。

真实的芯片运行在主时钟除以 8 的频率上——在大多数系统上约为 250 kHz。每个时钟周期会发生：

• 音调计数器递减，并在计数到零时翻转输出。
• 噪声 LFSR 移位，产生伪随机位。
• 包络生成器在其 128 条目形状表中前进一步。
• 所有输出送入对数 DAC。

要复现 SID voice 或 Sync Buzzer 等效果，必须模拟每一个这样的时钟周期：

pub fn clock(&mut self) {
    self.subclock_counter += 1;
    if self.subclock_counter >= self.subclock_divisor {
        self.subclock_counter = 0;
        self.tick(); // Full internal state update
    }
}

fn tick(&mut self) {
    // Tone generators
    for ch in 0..3 {
        self.tone_counters[ch] -= 1;
        if self.tone_counters[ch] == 0 {
            self.tone_counters[ch] = self.tone_periods[ch];
            self.tone_outputs[ch] ^= 1;
        }
    }

    // Noise generator (17‑bit LFSR)
    self.noise_counter -= 1;
    if self.noise_counter == 0 {
        self.noise_counter = self.noise_period;
        let bit = (self.noise_lfsr ^ (self.noise_lfsr >> 3)) & 1;
        self.noise_lfsr = (self.noise_lfsr >> 1) | (bit ,          // 512 KB‑4 MB depending on model

psg: Ym2149,           // Our sound chip
mfp: Mfp68901,         // Timer chip (for interrupts)
ste_dac: Option, // STE‑only DMA audio
}

impl AtariMachine {
    pub fn run_frame(&mut self) -> Vec {
        // Execute 68000 code until next VBL
        while !self.vbl_reached() {
            self.cpu.execute_instruction(&mut self.bus);
            self.mfp.tick();

            // Collect PSG samples at audio rate
            if self.sample_clock_elapsed() {
                samples.push(self.psg.get_sample());
            }
        }
        samples
    }
}

MFP 68901 计时器芯片至关重要——许多 SNDH 文件使用计时器中断来触发包络重新启动，以实现 SID‑voice 效果。如果计时器模拟不够精确，这些曲目会听起来不对。

AY 文件（ZXAY/EMUL）

类似于 SNDH，但面向 ZX Spectrum：它们包含 Z80 机器码，需要 Z80 CPU 模拟器、不同的内存映射以及独立的 I/O 端口。

GIST 文件（.snd）

一种来自 Atari ST 时代的鲜为人知的格式。GIST（Graphics, Images, Sound, Text）是一个音效编辑器，允许开发者创建短小、冲击力十足的音频——激光射击、爆炸、菜单提示音、道具拾取声。与音乐格式不同，GIST 文件使用乐器定义和包络序列来描述单个音效。它们体积极小（往往只有几字节），却出奇地富有表现力。播放器支持多声部回放，因此使用多个通道的音效能够正确播放。

要支持这四大家族格式（再加上 YMT tracker 变体和 GIST 音效），需要一种分层架构：YM2149 模拟器位于底层，格式特定的播放器位于中层，应用程序位于顶层。

架构：不泄漏的层次

整个生态系统被组织成严格的层次，每一层只承担单一职责：

• ym2149-common – 共享特性和类型。
• ym2149-core – 周期精确的芯片模拟。
• 播放器 – YM、SNDH、AY、Arkos、GIST，基于核心实现。
• 应用程序 – CLI 播放器、Bevy 插件、WASM 演示，使用这些播放器。