SID-kompatibler Sound-Chip

Was es ist

Der aktive Tang-Primer-20K-Bitstream instanziiert sid6581.vhd — eine VHDL-Nachbildung des MOS 6581 (SID) aus dem Commodore 64. Sie legt das Standard-6581-Registerfenster bei $D400–$D418 offen, sodass SID-Player den Chip genau so ansprechen wie auf einem echten C64.

Der Chip ist mehr oder weniger SID-kompatibel: Der Großteil des 6581-Verhaltens ist nachgebildet, einige analoge Eigenheiten bewusst angenähert (siehe unten). Auf dem Tang-Build ersetzt er den älteren Vierstimmen-Synthesizer — beide gleichzeitig erschöpften die globalen Taktnetze des Bausteins und destabilisierten die DDR3-PHY-Kalibrierung.

Modell

MOS 6581 (SID)

Stimmen

3 · 24-Bit-Phasenakkus

Oszillatortakt

~985 kHz PAL φ2

Filter

2-polig Multimode (LP/BP/HP)

Nachgebildete 6581-Funktionen

Funktion	Detail
Oszillatoren	3 Stimmen, 24-Bit-Phasenakkumulatoren, ~985 kHz PAL-φ2-Rate
Wellenformen	12-Bit Dreieck, Sägezahn, Pulse (12-Bit Breite), Rauschen (23-Bit-LFSR)
Kombiniert	mehrere Wellenform-Bits werden wire-AND-verknüpft (klassische 6581-Annäherung)
ADSR	zyklusgenau: reSID-Rate-Counter-Perioden, linearer Attack, exponentieller Decay/Release-Teiler
Filter	2-polige State-Variable-Multimode (LP/BP/HP), Per-Voice-Routing ($D417), 11-Bit-Cutoff
Cutoff-Kurve	nichtlineare „Dark-6581"-Annäherung — mittlere Werte bleiben tief, der Bass klingt rund
Resonanz	bewusst schwaches Q (~0,7…2), wie beim 6581, ohne Limiter-Clipping
Hard Sync	Oszillator-Reset bei steigendem MSB der Vorstimme (CONTROL-Bit 1)
Ringmodulation	Dreieck-Fold-Bit XOR mit MSB der Vorstimme (CONTROL-Bit 2)
Master-Volume	$D418-Lownibble; Voice-3-Abschaltung ($D418 Bit 7) berücksichtigt

Der Filter läuft einmal pro SID-Tick über eine interne 3-Stufen-Pipeline (eine Multiplikation pro Takt), sodass die beiden seriellen Koeffizienten-Multiplikationen nie denselben 54-MHz-Pfad teilen; die Filterzustände saturieren, damit die SVF nicht „explodiert".

Noch nicht modelliert: die analoge DAC-Nichtlinearität / DC-„Wärme" des 6581 und die sample-ROM-exakten Tabellen für kombinierte Wellenformen (das Wire-AND ist eine Annäherung). Cutoff- und Resonanz-Mapping sind in sid6581.vhd für helleres/dunkleres Voicing einstellbar.

Originale SID-Dateien abspielen

Das ist das Herzstück der Demo. tools/build_native_sid_rom.py macht aus einer PSID/RSID-Datei eine lauffähige ROM — und zwar ohne verlustbehaftete 50-Hz-Registerkonvertierung. Stattdessen:

Der originale 6502-Payload der SID-Datei wird unverändert eingebettet,
zur nativen Ladeadresse kopiert,
die init-Routine der Tune einmal aufgerufen,
und die play-Routine alle 20 ms (50 Hz) ausgeführt.

Dadurch erreichen alle Schreibzugriffe — Frequenz, Pulsbreite, Control, ADSR und Filter — die Hardware exakt so, wie der Original-Player sie erzeugt. Es läuft echter C64-Player-Code auf dem echten 6502-Kern, der einen echten SID-Nachbau ansteuert.

Voraussetzungen einer Tune

echte play-Adresse (kein IRQ/CIA-getriebenes RSID),
lädt in den linearen RAM $0200–$5FFF,
Payload passt ins 12-KB-ROM-Fenster bei $A000,
Single-Speed-PAL (50 Hz play).

Mitgelieferte Beispiele

ROM	Tune	Besonderheit
soundsid.rom	World_Record_2.sid	ohne Filter/Sync/Ring
sound_commando.rom	Commando.sid	nutzt den Tiefpassfilter stark

# eine Tune wrappen und abspielen
python tools/build_native_sid_rom.py path/to/tune.sid sw/<name>.s
make -C sw upload-sound-commando      # Build + Upload in einem Schritt

# oder gleich eine ganze Sammlung wrappen
python tools/build_all_sid_roms.py    # baut spielbare ROMs + .bat-Dateien

Der Bulk-Builder lässt jede Tune zusätzlich durch den Bare-Metal-6502-SID-Emulator laufen und überspringt stumme Tunes — Player, die ohne CIA/VIC/KERNAL keinen Ton erzeugen.

SID-Register ($D400)

Standard-6581-Layout, drei Stimmen je 7 Register plus globale Filter-/Volume-Register:

Adresse	Register
$D400–$D406	Stimme 1: Freq, Pulsbreite, Control, ADSR
$D407–$D40D	Stimme 2 (gleiche Aufteilung)
$D40E–$D414	Stimme 3 (gleiche Aufteilung)
$D415–$D416	Filter-Cutoff (11 Bit)
$D417	Resonanz & Filter-Routing pro Stimme
$D418	Filtermodus & Master-Volume

Hardware-Ausgabe

Das vorzeichenbehaftete 16-Bit-Sample wird über den I²S-Serializer in pt8211_dac.vhd zum PT8211 (TM8211)-DAC des Docks geschoben (~47 kHz). Der Power-Amp-Enable-Pin (PA_EN, R16) wird fest auf High gehalten, sonst bleibt der Kopfhörerverstärker stumm.

Alternative Synthesizer

Im Repository liegen für andere Ziele zwei weitere, register-kompatible Klangerzeuger:

Großer 4-Stimmen-Chip (sound_chip4.vhd) — 4 Stimmen, fünf Wellenformen (Sinus, Rechteck, Sägezahn, Dreieck, Rauschen), volle ADSR, Notenlänge und Mixer; das vollständige Modell des C-Emulators.
Bring-up-Einzelstimme (sound_voice.vhd) — eine Stimme, Rechteck + Rauschen, ohne Hüllkurve; die minimale Variante.

Verifikation

GHDL-Testbenches prüfen, dass der SID-Kern Audio erzeugt (Filter aus, rückwärtskompatibler Pegel), der Filter beschränkt bleibt und eine niedrige Cutoff dämpft, sowie dass kombinierte Wellenformen, Ringmodulation und Hard Sync verdrahtet, beschränkt und nicht stumm sind.

SID-kompatibler Sound-Chip $D400–$D418