sábado, 25 de outubro de 2008

Dez anos de MUST

É díficil achar alguém na faixa dos 30 anos que trabalhe com computadores e não conheça o MSX, um computador pessoal de 8 bits que fez um sucesso enorme por aqui. No seu auge, entre 85 e 91, estima-se que mais de 400 mil máquinas tenham sido vendidas no Brasil.

Mas embora esse período tenha sido o auge em número de usuários, não foi o ápice na parte técnica. Os mais avançados softwares brasileiros de MSX foram feitos no período de 1996 a 2004, e há dois motivos pra isso. O primeiro é que esse foi o início da internet comercial, então muitos dos manuais e datasheets que antes eram raros, passaram a ser difundidos livremente pelas listas de discussão. O segundo é que essa também foi a época em que começaram a se formar os primeiros engenheiros que cresceram com o MSX na infância, e toda essa criançada estava sedenta pra usar os novos conhecimentos na sua velha maquininha.

Eu mesmo fiz um monte de brincadeiras nessa época, talvez a mais conhecida tenha sido o meu emulador BrMSX. Mas agora, em 2008, um outro software que fiz completa dez anos, e nada mais apropriado que comemorar com um detalhado making of. Apresento a vocês o Music Station, ou como também era carinhosamente conhecido, o MUST:


Vamos voltar uma década no tempo: em 1998, a internet crescia, nasciam os primeiros grandes portais nacionais, e começava a surgir uma prática que hoje em dia é extremamente comum: o compartilhamento de músicas em mp3. Primeiro por FTP e IRC, depois pelo Napster e Audiogalaxy, em pouco tempo os arquivos mp3 estavam por toda a parte.

Naturalmente, quem ainda brincava com o MSX também queria entrar na onda. Mais de uma vez me perguntaram "Ricardo, você não pode fazer um programinha pra tocar mp3 no MSX?". Qualquer criatura com um mínimo de bom senso iria perguntar "pra quê?". Mas bom senso nunca foi o meu forte :)

Eu já sabia de antemão que mp3 no MSX não era viável, o coitado do Z80 não iria dar conta. Mas a essa altura eu já sabia evitar um erro muito comum em desenvolvedores, o de prestar atenção no que o usuário pede, ao invés de focar no usuário quer. Sure, eles estavam pedindo mp3, mas o que eles queriam mesmo era só tocar música no MSX. Se fosse um outro formato qualquer não faria diferença. Como eu tinha acabado de cursar Processamento Digital de Sinais na Poli (com o saudoso prof. Max Gerken), achei que poderia encarar a construção de uma solução customizada pro MSX.

Hora de calibrar os objetivos: eu decidi fazer um player que tivesse a melhor qualidade possível pro MSX, que rodasse em qualquer modelo de MSX, incluindo os nacionais, e que conseguisse espremer pelo menos um minuto de música em uma MegaRAM de 256kb, o modelo mais comum. O primeiro passo, portanto, é ver se o MSX dá conta de tocar um sample com qualidade aceitável.

O MSX usa como gerador de som o chip AY-3-8910 (popularmente PSG), que é basicamente um gerador de ondas quadradas. Pra tocar um Lá central, você especifica a freqüência de 440Hz, acerta o volume apropriado, e se diverte com o barulhinho que ele produz. Se você for um mago do chiptune, dá pra fazer músicas bem legais com o PSG, mas definitivamente ele não foi feito pra reprodução de áudio digital. Para conseguir isso, nós temos entender como o chip funciona por dentro.

Internamente, o gerador de ondas quadradas é só um contador digital, que alterna o estado de um flip-flop depois do término de meio período. O chip tem três geradores que você pode ligar ou desligar de maneira independente através de um mixer. Quem tem experiência com chips TTL sabe que sinais desligados usualmente não são interpretados como nível lógico zero, mas sim como nível lógico um.

Pro nosso ouvido tanto faz, um sinal constante é silêncio sempre, independente dele estar em zero volts ou em cinco volts, mas o segredo da coisa é que o controle de volume é uma etapa analógica feita depois do mixer. Por isso, se você desligar o gerador através do mixer, e mudar bem rapidamente o controle de volume, você pode improvisar qualquer forma de onda que quiser! Como o PSG tem 16 volumes possíveis, isso significa que o MSX pode emular um PCM de 4 bits, mesmo sem ter sido projetado pra isso.

Quando o sinal está em nível lógico um, basta variar o volume!

Agora basta ligar esse PCM num timer de alta resolução e pronto. Quer dizer, exceto pelo fato do MSX não ter um timer de alta resolução. O melhor que ele tem é um timer que dispara no início do retraço vertical, a 60Hz, que é uma freqüência baixa demais pra gente. Nesse caso, o jeito é apelar pra gambiarra criatividade :)

Como o Z80 do MSX não tem cache, nem prefetching, nem nenhuma dessas firulas de processadores modernos, os opcodes sempre levam o mesmo tempo pra rodar. Assim, você pode criar um pseudo-timer simplesmente contando quantos ciclos de clock seu programa leva pra executar. Se nós precisássemos de uma rotina que lesse um byte da memória, mandasse pro PSG, e levasse exatamente 50 clocks pra rodar, uma possibilidade seria:

LD A,(HL) ; 8 clocks
LD A,(HL) ; 8 clocks
INC HL ; 7 clocks
OUT (0A1h),A ; 12 clocks
NOP ; 5 clocks
NOP ; 5 clocks
NOP ; 5 clocks

Pra fazer um timer assim, além de programar em assembly, você ainda precisa resolver um subset sum dos opcodes, o que é extremamente divertido (eu assumo que se você está lendo até aqui, deve achar essas coisas divertidas também :). Note como é importante fazer o padding correto, além de colocar 3 NOPs, eu também repliquei o carregemento da memória, só pra fazer a conta bater certinho nos 50 clocks.

Agora que temos um jeito de reproduzir o som, precisamos escolher a sampling rate. Pra conseguir o objetivo de 1 minuto em 256kb, o áudio certamente terá que ser comprimido. Então a sampling rate precisa ser baixa o suficiente pra poder suportar a descompressão em real time entre cada amostra, e alta o suficiente pra não perder muita qualidade de som. Eu escolhi 11kHz; como o clock do MSX é 3.57MHz, isso dá um total de 324 clocks por amostra. Não é muito, mas alguma compressão dá pra fazer.

Vamos calcular a compressão agora. Pra colocar 60 segundos a 11kHz em 256kb, nós precisamos de, no máximo, 256k*8/60/11k = 3.1 bits por amostra. Nosso sinal original tem 4 bits por amostra, então realmente a compressão é necessária. O Z80 não tem fôlego pra implementar transformadas, então não podemos usar nada de DCT, e nem mesmo Haar.

O jeito é modelar alguma coisa bem simples mesmo, tipo um código de tamanho variável como o código de Huffman. Esse tipo de código funciona tanto melhor quanto menos uniforme for o seu histograma. Pegando uma música típica como teste, chegamos em uma entropia de 2.6 bits; mas, por outro lado, a primeira diferença tem entropia ainda menor, apenas 2 bits!


Vamos codificar a diferença então. Com apenas 324 clocks não dá pra implementar todo o Huffman, mas tem uma maneira de simplificar, que é usando compressão com perdas. Como 99.3% das diferenças estão na faixa de -3 a 3, eu posso saturar nesses valores pra deixar o código mais simples. O código que utilizei foi o abaixo:

3 1111
2 1110
1 01
0 00
-1 10
-2 1101
-3 1100

No final a implementação desse código ficou menor do que eu esperava, apenas 169 clocks. Isso significava que eu tinha 198 clocks sobrando, com a cpu parada. Eu poderia ter aprimorado o codec com uma compressão mais eficiente, mas pensei que seria mais divertido, ao invés disso, usar esses clocks sobrando pra adicionar animações. Nesses clocks sobrando eu acabei colocando um osciloscópio com a forma de onda tocada, um banner animado na parte inferior, e no cantinho ainda sobrou cpu pra colocar um pingüim dançando!

Nesse ponto tudo que faltava era uma tela de abertura. Como no final o programa acabou ficando uma experiência multimídia, eu resolvi que ele seria uma homenagem à série Disc Station da Compile, que primava por seus excelentes demos. Eu chamei então o meu programinha de Music Station, e como os Disc Station originais sempre começavam com uma menina bonitinha, eu pedi ao meu irmão que desenhasse uma pingüinha no mesmo estilo. O desenho original que ele fez foi o abaixo:

Adaptar desenhos no MSX é tão complicado quanto adaptar código, a resolução é de apenas 256x192 e ainda tem o problema do color clash (cada bloco de 8x1 pixels pode ter no máximo duas cores). O pingüim tomando sol no canto da imagem teve que sumir, eu não tinha resolução pra isso. Já na pingüinha, eu tive que usar traços bem grossos no contorno, pra minimizar o clash, mas mesmo assim ainda sobraram algumas partes borradas. A solução foi usar sprites pra cobrir esse borramento.

Consegue achar as diferenças?

Por fim, bastou criar um logo, inspirado no logo original do Disc Station, e o MUST estava finalmente pronto! Pra quem quiser brincar com ele, abaixo tem uma versão em .dsk que pode ser carregada em emuladores, como o blueMSX ou o openMSX, e também o código fonte original.

Imagem de disco para rodar em emuladores
Código fonte original do Music Station, em assembly Z80

Na época, a comunidade MSX adorou o MUST. Como eu esperava, o pessoal começou a compartilhar músicas convertidas, do mesmo jeito que o povo do PC compartilhava mp3; e como eu publiquei a engine do MUST em GPL, um monte de gente reaproveitou o código, sendo que a engine foi usada até em joguinhos. Eu até animei a fazer uma versão com vídeo também, mas isso já é outra história, pra outra ocasião :)

Parabéns pelos dez anos, Music Station!

Agradecimentos à Ila, ao Acidx e ao Sturaro por ajudar na arqueologia digital :)