为IBM PC XT开发PC扬声器MIDI播放器

Minh Danh Nguyen (ToughDev)

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2023年5月7日

CPOL

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9768

如何为IBM PC XT开发PC扬声器MIDI播放器

在我使用一台 12MHz NEC V20 运行的 PC XT 进行实验时，我尝试使用 James Allwright 编写的 MIDIPLAY 工具通过 PC 扬声器播放 MIDI 文件。我之前使用过这个播放器，并且能够在我的 286、386 和 486 机器上通过 PC 扬声器很好地播放各种 MIDI 文件。然而，在我的 XT 机器上，在加载文件几秒钟后，它只发出一个短促的蜂鸣声然后就退出了。快速查看代码后，我怀疑问题出在负责播放声音的 `NOTE.A` 文件中的汇编代码。这段代码在 `MIDIPLAY.C` 文件中的一个 while 循环中被调用，逐个音符地播放 MIDI.

while (place != NULL) {
note(place->pitch, place->start);
place = place->next;
};

这是实际播放音符的汇编代码

dosound:
in al, 61h
push ax
or al, 03h
out 61h, al ; turn speaker on
xor si, si

mov ax, [bp+4] ; timer interval
push ax
mov al, 0B6h
out 43h, al
pop ax
out 42h, al
mov al, ah
out 42h, al ; set up interval

call delay

pop ax
out 61h, al ; turn speaker off

endtune:
mov sp, bp ; restore stack pointer
pop bp
ret

delay:
mov cx, word [bp+8] ; high word
mov dx, word [bp+6] ; low word
mov ah, 86h
int 15h
ret

上述汇编代码依赖于 `AH=86h/INT 15h` 调用，在将音符频率写入 PC 扬声器端口 61h 后生成适当的延迟。这项功能最初是在运行 80286 CPU 的 IBM PC/AT（也称为 5170）上实现的。在 PC XT 上，此中断未实现，导致 MIDI 播放器失败，因为每个音符之后都没有延迟。

我设法使用作者最初使用的 Personal C Compiler 编译了代码。为了避免指定包含路径，我只是将所有源文件复制到示例文件夹中，并使用以下批处理文件来编译和运行 MIDI 播放器。

del midiplay.exe
del midifile.o
del midiplay.o
del note.o
pcc midiplay.c
pcc midifile.c
pcca note.a
pccl midiplay.o midifile.o note.o
midiplay.exe test.mid

批处理文件会删除所有先前的构建输出，使用 PCC 编译 C 文件，使用 PCCA 编译 `NOTE.A` 汇编代码，并使用 PCCL 将编译输出链接起来以生成最终的 `.EXE` 文件。尽管有一些链接器警告，但编译成功，生成的 `MIDIPLAY.EXE` 可以用来播放 MIDI 文件。

然而，要修复代码使其能在 XT 上运行并非易事。由于修改代码使用 `INT 21H` 获取系统日期/时间或读取 8253 可编程间隔定时器计数器并手动计算延迟将非常复杂，我选择了更简单的方法：将代码移植到 Turbo C 并使用 `conio.h` 中的 `sound()` 和 `nosound()` 函数。为此，我研究了原始代码，并将 `MIDIFILE.H` 和 `MIDIFILE.C` 合并到一个单一的 `MIDIPLAY.C` 文件中，同时删除了不必要的函数头。在此过程中，我遇到了原始 MIDIPLAY 代码中的旧式 C 语法，它要求方法变量类型需要单独声明。

void
write16bit(data)
int data;
{
}

这是现代等效代码

void write16bit(int data)
{
}

在 PCC 中，要在另一个方法中使用前向声明的方法，必须再次声明该方法，不带任何参数，类似于声明变量的方式。以下代码显示了方法 `WriteVarLen` 在使用前如何再次声明。

int
mf_write_midi_event(delta_time, type, chan, data, size)
long delta_time;
int chan,type;
int size;
char *data;
{
    void WriteVarLen();
    WriteVarLen(delta_time);
...
}

方法 `WriteVarLen` 如下所示

void
WriteVarLen(value)
long value;
{
....
}

幸运的是，Turbo C++ 3.00 对这种语法没有问题，并且可以很好地编译我修改过的代码。存在对未实现方法的引用，例如 `clearkey()` 和 `flushbuffer()`，这最初会导致链接器错误，但在删除这些引用后，原始代码仍然可以正常工作。

使用 Turbo C++ 的声音函数，我将音符播放代码更改为以下内容：

while (place != NULL) {
	if (place->pitch == -1)
	{
		nosound();
	}
	else {
		sound(1193180 / place->pitch);
		delay(place->start / 1000);
	}
        place = place->next;
   	if (kbhit())
		break;
};
nosound();

原始代码接受微秒级的延迟（`place->start` 参数），需要将其转换为毫秒才能用于 `delay()`。对于音符频率，我们还需要将 `place->pitch`（最初是运行在 1.19318 MHz 的定时器芯片的输入值）转换回原始音符频率值。此外，作者使用 `-1` 表示不播放声音，这可以改为 Turbo C 的 `nosound()` 函数。最后，使用 `kbhit()` 函数来在按下键时立即终止播放。

进行此更改后，MIDIPLAY 就可以从命令行进行测试了。各种命令行参数，例如 `-t` 和 `-c` 来指定要播放的音轨或通道，在处理大型 MIDI 文件时会很有用，这些功能也是可用的。

经过 extensive 测试，修改后的 MIDI 播放器在 PC XT、286、386 和 486 甚至更新的机器上都能很好地工作，只要 PC 扬声器存在。它甚至能在我的 Core i5 机器上运行，该机器以 16 位模式启动 DOS — 由于我们使用的是 Turbo C 而非 Turbo Pascal，因此没有遇到运行时错误 200。在我收集的 MIDI 文件中，大多数 MIDI 文件都可以通过这个播放器读取并播放（或者更准确地说，发出蜂鸣声），除了少数非常复杂的文件。唯一的缺点是代码会在播放前将整个文件读入内存，对于非常大的 MIDI 文件（例如大于可用 DOS 内存的文件）会有问题。尽管如此，我认为对于 PC 扬声器 MIDI 播放器来说，结果已经足够好了。

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MIDIPLAY 的原始版本附带源代码
Personal C Compiler。MIDIPLAY 的原始源代码在同一个文件夹中，可以使用 `buildrun.bat` 进行构建和运行。
修改后的 MIDIPLAY 源代码和二进制文件附带了一些用于测试的 MIDI 文件，兼容 PC XT。
Turbo C++ 3.0 二进制文件。您可以在 `BIN` 文件夹中通过运行 `TC.EXE /B MIDIPLAY.C` 来构建修改后的 MIDIPLAY 代码。

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