Как превратить Raspberry Pi Pico в синтезатор Roland SC-55 на SoundFont

Raspberry Pi Pico можно превратить в полноценный синтезатор, воспроизводящий звуки легендарного Roland SC-55, используя технологию SoundFont. В новой статье на Хабре показано, как подключить библиотеку TinySoundFont и заставить микроконтроллер читать семплы напрямую из флеш-памяти, обходя главное ограничение — нехватку оперативной памяти.

Вступление

Raspberry Pi Pico — это микроконтроллер с ограниченными ресурсами, но на нём можно запустить синтезатор, который воспроизводит звуки легендарного Roland SC-55. Звуковой модуль SC-55, выпущенный в начале 1990-х, стал стандартом General MIDI и до сих пор ценится за характерный тембр. Однако для воспроизведения реального звука инструмента недостаточно просто проигрывать записанные сэмплы — на Pico не хватит памяти. Решение — использовать технологию SoundFont, которая была разработана ещё в прошлом веке, и библиотеку TinySoundFont, адаптированную для микроконтроллеров.

В предыдущей статье автор уже создал простой синтезатор на основе синусоиды, но теперь он идёт дальше: подключает TinySoundFont, устраняет главный недостаток библиотеки — загрузку всего SoundFont в оперативную память — и заставляет синтезатор читать сэмплы напрямую из флеш-памяти. Это позволяет воспроизводить полноценные звуки инструментов без больших объёмов RAM.

Подключение TinySoundFont и загрузка SoundFont

TinySoundFont — это компактная библиотека для воспроизведения SoundFont-файлов, написанная на C. Она поддерживает формат SF2 и умеет синтезировать звук из сэмплов и параметров инструментов. Однако стандартная реализация предполагает загрузку всего файла в оперативную память, что для Raspberry Pi Pico с его 264 КБ RAM неприемлемо: типичный SoundFont SC-55 занимает несколько мегабайт.

Автор статьи решает эту проблему, модифицируя библиотеку так, чтобы она читала сэмплы напрямую с флеш-памяти Pico. Для этого используется специальный механизм отображения файлов в адресное пространство — memory-mapped I/O. На Pico это реализуется через XIP (Execute in Place), который позволяет обращаться к флеш-памяти как к обычной памяти. Таким образом, библиотека может получать доступ к сэмплам без копирования их в RAM.

Предыстория и контекст

Технология SoundFont была разработана компанией Creative Labs в середине 1990-х для звуковых карт Sound Blaster. Она позволяла заменять встроенные инструменты на пользовательские банки, что произвело революцию в компьютерной музыке. Формат SF2 стал стандартом де-факто, и до сих пор используется в синтезаторах и секвенсорах.

Raspberry Pi Pico, выпущенный в 2021 году, построен на микроконтроллере RP2040 с двухъядерным процессором ARM Cortex-M0+ и 264 КБ SRAM. Несмотря на скромные характеристики, он достаточно мощный для обработки MIDI-событий и синтеза звука в реальном времени. Проект автора — пример того, как можно использовать современные микроконтроллеры для создания ретро-синтезаторов.

Как это работает?

Библиотека TinySoundFont обрабатывает MIDI-события и генерирует аудиопоток, используя сэмплы из SoundFont-файла. Каждый инструмент в SF2 содержит набор сэмплов (обычно в формате PCM) и параметры их воспроизведения: огибающую, фильтры, петли. При игре ноты библиотека выбирает нужный сэмпл, применяет эффекты и микширует результат.

В стандартной реализации TinySoundFont загружает весь файл в память. В модификации автора библиотека вместо этого использует функции чтения из флеш-памяти, передавая указатели на данные. Это требует аккуратной работы с адресацией, но позволяет использовать большие банки без увеличения RAM. Автор также показывает, как настроить проект в SDK Raspberry Pi Pico и подключить библиотеку.

Технические подробности

Автор использует плату Raspberry Pi Pico и подключает к ней аудиовыход через PWM или I2S. Для вывода звука используется DMA, чтобы не нагружать процессор. В статье приведены фрагменты кода, демонстрирующие инициализацию библиотеки, загрузку SoundFont из флеш-памяти и обработку MIDI-сообщений.

Одно из ключевых изменений — замена стандартной функции загрузки файла на собственную, которая открывает файл и возвращает указатель на данные во флеш-памяти. Это стало возможным благодаря поддержке XIP в RP2040. Также автор отмечает, что для ускорения работы используется кэширование часто используемых сэмплов.

Кого затронет и как

Этот проект будет интересен разработчикам встраиваемых систем, энтузиастам DIY-электроники и музыкантам, которые хотят создать собственный MIDI-синтезатор на базе Raspberry Pi Pico. Он показывает, как обойти ограничения микроконтроллеров и использовать продвинутые технологии синтеза звука.

Для русскоязычного сообщества это особенно ценно: в статье подробно описан процесс на русском языке, что редкость для таких технических тем. Проект может стать основой для создания ретро-игровых консолей, MIDI-плееров или обучающих устройств.

Что будет дальше

Автор планирует расширить проект: возможно, добавить поддержку большего количества SoundFont-банков, улучшить качество звука за счёт использования внешнего ЦАП или реализовать эффекты реверберации и хоруса. Также он рассматривает возможность создания полноценного MIDI-интерфейса для подключения клавиатуры.

В ближайшем будущем можно ожидать новые статьи с улучшениями и примерами использования. Если вы хотите попробовать собрать такой синтезатор самостоятельно, все исходники и инструкции уже доступны в статье.

Итог

Превращение Raspberry Pi Pico в синтезатор Roland SC-55 — это яркий пример того, как современные микроконтроллеры могут воспроизводить звуки легендарных устройств. Использование SoundFont и TinySoundFont открывает доступ к огромной библиотеке инструментов, а модификация для чтения из флеш-памяти решает главную проблему — нехватку RAM. Этот проект не только технически интересен, но и вдохновляет на создание собственных музыкальных устройств. Следите за обновлениями автора, чтобы не пропустить новые возможности.