りんけーじ - 開発資料 - PSX

この資料について

この資料は、エミュレータ開発の際に PlayStation SPU について行った解析結果をまとめたものです。
一部は推測に基づいており、必ずしも正しいものではありません。
また、それ以外でも間違いを含んでいる可能性があります。使用する方は十分に注意してください。

解析にあたって、ベースとなる資料を提供してくださった PSX SPU Development Project (EternalSPU Project)、計算式を導いてくださった Takashi Yano 氏に感謝します。

SPU の基本動作

SPU は 44100Hz, 16bit の音声を出力しています。よって、
33868800Hz / 44100Hz = 768
より、CPU の 768 クロックごとに、１サンプルを生成しています。
データの領域として 512KB のメモリを持ち、DMA 転送が可能です。音声データは 16bytes を１ブロックとし、ブロックあたり、ヘッダ 2 バイト、ADPCM データ 14 バイト、28 サンプルで構成されます。
チャンネル数は 24 で、１つ前のチャンネルの出力を Frequency Moduration のソースとして使用することもできます。
CD-DA および XA-Audio のミキシングも担当します。

エンベロープフィルタ

エンベロープフィルタは、キーオン・キーオフ時などに適用される、自動で音量をコントロールするフィルタです。
アタック (Attack)、ディケイ (Decay)、サスティン (Sustain)、リリース(Release) で構成されます。
キーオンされると、Attack Rate にしたがって Attack が行われ、指定音量まで音量が増加していきます。
続けて、ディケイが行われ、Sustain Level まで減少します。
最後に、Sustain Level からゆるやかな増加または減少が Sustain Rate と Sustain Mode にしたがって行われます。
キーオフ時は Release Rate にしたがって音量が 0 に向かって減少します。

どのエンベロープフィルタにおいても、処理は 768 CPU クロックごとに行われますが、非常に大きな Attack Rate (= 増加が遅い) など、計算で求める値の変化が 4 よりも小さくなるような場合は、その数倍ごとに処理が行われます。

この資料では、この処理が行われる間隔を interval と呼び、0 で毎 768 CPU クロックごとに更新するものとします。

Attack Rate	Δvolume
0	14336
1	12288
2	10240
3	8192
4	7168
5	6144
6	5120
7	4096
8	3584
9	3072
10	2560
11	2048
12	1792
13	1536
14	1280
15	1024
16	896
17	768
18	640
19	512
20	448
21	384
22	320
23	256
24	224
25	192
26	160
27	128
28	112
29	96
30	80
31	64

Attack Rate	Δvolume
32	56
33	48
34	40
35	32
36	28
37	24
38	20
39	16
40	14
41	12
42	10
43	8
44	7
45	6
46	5
47	4
48	7
49	6
50	5
51	4
52	7
53	6
54	5
55	4
56	7
57	6
58	5
59	4
60	7
61	6
62	5
63	4

エンベロープフィルタ - アタック - 指数

データ量が減りますが、時間経過に伴う変化を示します。
最初の変化はリニアと変わっていないことが分かります。

縦が時間経過、横が Attack Rate

4	5	6	7	8	9
0	0	0	0	0	0
7168	6144	5120	4096	3584	3072
14336	12288	10240	8192	7168	6144
21504	18432	15360	12288	10752	9216
28672	24576	20480	16384	14336	12288
30464	26112	25600	20480	17920	15360
32256	27648	26880	24576	21504	18432
32767	29184	28160	25600	25088	21504
32767	30720	29440	26624	25984	24576
32767	32256	30720	27648	26880	25344
32767	32767	32000	28672	27776	26112
32767	32767	32767	29696	28672	26880
32767	32767	32767	30720	29568	27648
32767	32767	32767	31744	30464	28416
32767	32767	32767	32767	31360	29184
32759	32767	32767	32767	32256	29952
32759	32767	32767	32767	32767	30720

リニアとの比較を示します。ただし、ΔADSRVol.(Exp) は 32767 に達する１つ前と２つ前の値の差です。
この表から、ある一定の値を超えると、
Δvolume(Exp) = Δvolume(Linear) / 4
となっていることが分かります。この値は 24576 であることがほかの解析によって確かめられています。

AttackRate	Δvolume(Linear)	Δvolume(Exp)
4	7168	1792
5	6144	1536
6	5120	1280
7	4096	1024
8	3584	896
9	3072	768

エンベロープフィルタ - ディケイ

ディケイの解析結果です。

shift = DR + 1 (ただし shift は最大 12)
Δvolume = ((-volume) >> shift)
interval = DR - 11 (ただし、DR ≧ 11)

縦が Decay Rate、横が時間経過

Decay Rate
0	16383	8191	4095	2047	---
1	24575	18431	13823	10367	7775
2	28671	25087	21951	19207	16806
3	30719	28799	26999	25311	23729
4	31743	30751	29790	28859	27957
5	32255	31751	31254	30765	30284
6	32511	32257	32004	31753	31504
7	32639	32511	32384	32257	32130
8	32703	32639	32575	32511	32447
9	32735	32703	32671	32639	32607
10	32751	32735	32719	32703	32687
11	32759	32751	32743	32735	32727
12	32759	32759	32751	32751	32743
13	32759	32759	32759	32759	32751
14	32759	32759	32759	32759	32759
15	32759	32759	32759	32759	32759

サスティン - リニア

リニア時のサスティンの解析結果です。

shift = 11 - (SR >> 2) (ただし shift は最小 0)
Δvolume = ((4 | (SR & 3)) ^ 3) << shift
interval = 1 << ((SR >> 2) - 11) (ただし SR ≧ 44)

縦が Decay Rate、横が時間経過

Sustain Rate						増加間隔
0	2046	16382	30718	32767	14336	0
1	2046	14334	26622	32767	12288	0
2	2046	12286	22526	32766	10240	0
3	2046	10238	18430	26622	8192	0
4	2046	9214	16382	23550	7168	0

8	2046	5630	9214	12798	3584	0
9	2046	5118	8190	11262	3072	0
10	2046	4606	7166	9726	2560	0
11	2046	4094	6142	8190	2048	0
12	2046	3838	5630	7422	1792	0
13	2046	3582	5118	6654	1536	0

59	2046	2050	2050	2050	4	8
60	2046	2053	2053	2053	7	16
61	2046	2052	2052	2052	6	16
62	2046	2051	2051	2051	5	16
63	2046	2050	2050	2050	4	16
64	2046	2053	2053	2053	7	32

サスティン - 指数増加

指数増加モードのサスティンの解析結果です。
volume < 24576 においてはリニアと同じで、それ以降、増加幅が 1/4 となっていると推測されます。

縦が Sustain Rate、横が時間経過

Sustain Rate
0	2046	16382	30718	32767	32767
1	2046	14334	26622	29694	32766
2	2046	12286	22526	32766	32767
3	2046	10238	18430	26622	28670
4	2046	9214	16382	23550	30718
5	2046	8190	14334	20478	26622
6	2046	7166	12286	17406	22526
7	2046	6142	10238	14334	18430
8	2046	5630	9214	12798	16382
9	2046	5118	8190	11262	12798

サスティン - 指数減少

指数減少モードのサスティンの解析結果です。

temp = volume >> ((SR >> 2) + 1)
Δvolume = temp - (temp >> 3) * (SR & 3)

縦が Sustain Rate、横が時間経過

Sustain Rate
0	10224	5112	2556	1278	639
1	10224	5751	3234	1819	1023
2	10224	6390	3993	2495	1559
3	10224	7029	4832	3322	2283
4	10224	7668	5751	4313	3234
5	10224	7987	6239	4874	3807
6	10224	8307	6749	5483	4454
7	10224	8626	7278	6140	5180
8	10224	8946	7827	6848	5992
9	10224	9105	8109	7222	6432
10	10224	9265	8396	7608	6894
11	10224	9425	8688	8009	7383
12	10224	9585	8985	8423	7896
13	10224	9664	9135	8635	8162
14	10224	9744	9287	8851	8436
15	10224	9824	9440	9071	8716

リリース - リニア

リリースレートと、音量最大状態からの値の変化です。

shift = 11 - RR (ただし shift は最小 0)
interval = 1 << (RR - 12) (ただし、RR ≧ 12)

縦が Release Rate、横が時間経過

Release Rate
0	32767	16383	65535	0	0	0
1	32767	24575	16383	8191	65535	0
2	32767	28671	24575	20479	16383	12287
3	32767	30719	28671	26623	24575	25527
4	32767	31743	30719	29695	28671	27647
5	32767	32255	31743	31231	30719	30207
6	32767	32511	32255	31999	31743	31487
7	32767	32639	32511	32383	32255	32127

リリース - 指数

リリースレートと、音量最大状態からの値の変化です。

shift = RR + 1
Δvolume = (-volume) >> shift
interval = 1 << (RR - 12) (ただし、RR ≧ 12)

縦が Release Rate、横が時間経過

Release Rate
0	16383	8191	4095	2047	1023	511
1	24575	18431	13823	10367	7775	5831
2	28671	25087	21951	19207	16806	14705
3	30719	28799	26999	25311	23729	22245
4	31743	30751	29790	28859	27957	27083
5	32255	31751	31254	30765	30284	29810
6	32511	32257	32004	31753	31504	31257
7	32639	32511	32384	32257	32130	32004
8	32703	32639	32575	32511	32447	32383
9	32735	32703	32671	32639	32607	32575
10	32751	32735	32719	32703	32687	32671
11	32759	32751	32743	32735	32727	32719
12	32759	32759	32751	32751	32743	32743
13	32767	32759	32759	32759	32759	32751
14	32767	32767	32767	32767	32767	32767
15	32767	32767	32767	32759	32759	32759

キーオン・ディレイ

SPU のアタックレートと、キーオンから最初に音量が 0 以外でなくなったときまでの時間（CPU クロック数）です。
アタックレート以外の設定は以下の通りです。
ただし、リリースレート／モード以外は影響を与えていないことを確認しています。

アタックモード : リニア
ディケイレート : 15
サスティンモード : リニア増加
サスティンレベル : 0
サスティンレート : 0
リリースモード : リニア
リリースレート : 0

各レートについて、4 回ずつ計測した結果です。4 回目の結果はほとんどが 3 回目と等しいため、省略しています。
また、レート 0 から 10 は後の検証時に 1 回目の計測値が違う場合が多く、表ではレート 1 がそれを示しています。
注意：レートが 4 の倍数の場合の最初の計測値が異なっていますが、これはキーオフやエンベロープの終了方法によって異なることがありました。

Attack Rate	Delay(1)	Delay(2)	Delay(3)
0	5328	5259	5292
1	4500	5292	5292
2	4731	5292	5292
3	4731	5292	5292
4	4731	5292	5292
5	4731	5292	5292
6	4731	5292	5292
7	4731	5292	5292
8	4731	5292	5292
9	4731	5292	5292
10	4599	5292	5292
11	4599	5292	5292
12	4599	5292	5292
13	4599	5292	5292
14	4599	5292	5292
15	4599	5292	5292
16	4599	5292	5292
17	4599	5292	5292
18	4599	5292	5292
19	4599	5292	5292
20	4599	4500	4500
21	4599	4500	4500
22	4599	4500	4500
23	4665	4500	4500
中略
44	4698	4500	4500
45	4665	4500	4500
46	4698	4500	4500
47	4665	4500	4500
48	5457	5292	5292
49	6150	5292	5292
50	6150	5292	5292
51	6150	5292	5292
52	5391	6051	6051
53	6216	6051	6051
54	6216	6051	6051
55	5216	6051	6051
56	4665	9120	9120
57	9285	9120	9120
58	9285	9120	9120
59	9285	9120	9120
60	12354	4500	9120
61	9285	9120	9120
62	9285	9120	9120
63	9285	9120	9120
64	27699	16809	16809
65	17403	16809	16809

Attack Rate	Delay(1)	Delay(2)	Delay(3)
66	17403	16809	16809
67	17403	16809	16809
68	5127	21396	16809
69	41988	16809	16809
70	41988	16809	16809
71	41988	16809	16809
72	36546	65947	65947
73	41988	65947	65947
74	41988	65947	65947
75	41988	65947	65947
76	189434	161186	161186
77	38094	164255	161186
78	38094	164255	161186
79	38094	164255	161186
80	332987	357803	357803
81	234711	357803	357803
82	234711	357803	357803
83	234711	357803	357803
84	38094	754073	751004
85	627912	751004	751004
86	627912	751004	751004
87	627912	751004	751004
88	1021113	1532819	1532819
89	1410123	1532852	1532852
90	1410123	1532819	1532819
91	1410123	1532852	1532852
92	2196558	3105722	3105722
93	2982993	3105722	3105722
94	2982993	3105722	3105722
95	2982993	3105722	3105722
96	4555863	6251429	6251429
97	6128700	6251429	6251429
98	6128733	6251429	6251429
99	6128700	6251429	6251429
100	2983059	12542876	12538256
101	12416121	12538289	12538289
102	12416121	12538289	12538289
103	12416121	12530289	12538289
105	24999015	25121183	25121183
106	24999015	25121183	25121183
107	24999015	25121183	25121183
108	24999015	25121183	25121183
109	24999015	25121183	25121183
110	24999015	25121183	25121183
111	24999015	25121183	25121183
112	24999246	25121183	25121183

りんけーじ - 開発資料 - PSX - SPU

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