Das 6581 Sound Interface Device (SID) ist ein 3 Kanal Musiksynthesizer Sound-Effektgenerator, der kompatibel mit der 65xx-Chipfamilie ist. Der SID stellt Kontrollfunktionen über 16-Bit Frequenzen, Tonfarbe (Harmonie) and Dynamik (Volume) zur Verfügung. Die speziellen Hardwareeigenschaften minimieren die Aufwand für die Programmierung. Deshalb ist der SID speziell im Bereich von Videogames und low-cost Musikinstrumenten geeignet.

Funktionen

3 Ton-Oszillatoren	von 0 bis 4 KHz
4 Wellenformen pro Oszillator	Dreieck, Sägezahn, Rechteck, Rauschen
3 Amplituden Modulatoren	48 dB
3 Hüllkurven-Generatoren	Anschlag (Attack): 2 ms bis 8 s Abschwellen (Decay): 6 ms bis 24 s Halten (Substain): Lautstärke 0 bis Reg 24-Wert Ausklingen (Release): 6 ms bis 24 s
Osizillator Synchronisierung
Ring-Modulation
programmierbare Filter	Cutoff Bereich: 30 Hz bis 12 KHz 12 db/Oktav Rolloff Lowpaß- Bandpaß und Hochpaßfilter Notch Outputs variable Resonanz
Master Volume Kontrolle
2 A/D-Wandler	für Paddles (Pot-Interfaces)
Zufallszahlgenerator
externer Audio-Input

Beschreibung

Der 6581 beinhaltet drei Synthesizer-„Stimmen”, welche entweder unabhängig von einander oder in Verbindung zueinander oder einer externen Tonquelle verwendet werden können. Jede Stimme besteht aus einem Ton-Oszillator, Wellenformgenerator, Hüllkurven-Generator und einen Amplitudenmodulator. Der Ton-Oszillator produziert vier Wellenformen bei der gewählten Frequenz. Die Volume-Dynamik des Oszillators wird über den Amplitudenmodulator in Zusemmenhang mit dem Hüllkurvengenerator kontrolliert. Zusätzlich gibt es einen programmierbaren Filter zum Erstellen komplexer dynamischer Tonfarben (subtractive synthesis).

Der SID erlaubt der CPU das Lesen aus dem dritten Oszillator und dem dritten Hüllkurvengenerator. Diese Informationen können zur Erstellung von fibrierenden Frequenzen, Filterwechsel und ähnlichen Effekten genutzt werden. Die zwei A/D-Wandler dienen dem Anschluß von Potentiometern (an den Control-Ports des C64 verfügbar, für z.B. Paddles). Weiters erlaubt der SID die Verarbeitung externer Tonquellen, bspw. über den Einsatz von Hoch-, Tief und Bandpassfilter.

SID Kontrollregister

Der SID verfügt über 29 Register – zu jeweils 8 Bit – welche für die Einstellungen der Tongenerierung sowie der Abfrage der Paddles zuständig sind. Ein Register kann entweder nur geschrieben oder nur gelesen werden.

Register für Stimme 1 (Voice 1):

Reg.	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Name	Typ
00	F7	F6	F5	F4	F3	F2	F1	F0	Freq Lo	W
01	F15	F14	F13	F12	F11	F10	F9	F8	Freq Hi	W
02	PW7	PW6	PW5	PW4	PW3	PW2	PW1	PW0	PW Lo	W
03	–	–	–	–	PW11	PW10	PW9	PW8	PW Hi	W
04	Noise	Recht.	Säge.	Drei.	Test	Ring	Sync	Gate	Control	W
05	Atk 3	ATK 2	Atk 1	Atk 0	Dcy 3	Dcy 2	Dcy 1	Dcy 0	Atk/Dcy	W
06	Stn 3	STN 2	Stn 1	Stn 0	Rls 3	Rls 2	Rls 1	Rls 0	Stn/Rls	W

Register für Stimme 2 (Voice 2):

Reg.	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Name	Typ
07	F7	F6	F5	F4	F3	F2	F1	F0	Freq Lo	W
08	F15	F14	F13	F12	F11	F10	F9	F8	FREQ Hi	W
09	PW7	PW6	PW5	PW4	PW3	PW2	PW1	PW0	PW Lo	W
0A	–	–	–	–	PW11	PW10	PW9	PW8	PW Hi	W
0B	Noise	Recht.	Säge.	Drei.	Test	Ring	Sync	Gate	Control	W
0C	Atk 3	Atk 2	Atk 1	Atk 0	Dcy 3	Dcy 2	Dcy 1	Dcy 0	Atk/Dcy	W
0D	Stn 3	Stn 2	Stn 1	Stn 0	Rls 3	Rls 2	Rls 1	Rls 0	Stn/Rls	W

Register für Stimme 3 (Voice 3):

Reg.	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Name	Typ
0E	F7	F6	F5	F4	F3	F2	F1	F0	Freq Lo	W
0F	F15	F14	F13	F12	F11	F10	F9	F8	Freq Hi	W
10	PW7	PW6	PW5	PW4	PW3	PW2	PW1	PW0	PW Lo	W
11	–	–	–	–	PW11	PW10	PW9	PW8	PW Hi	W
12	Noise	Recht.	Säge.	Drei.	Test	Ring	Sync	Gate	Control	W
13	Atk 3	Atk 2	Atk 1	Atk 0	Dcy 3	Dcy 2	Dcy 1	Dcy 0	Atk/Dcy	W
14	Stn 3	Stn 2	Stn 1	Stn 0	Rls 3	Rls 2	Rls 1	Rls 0	Stn/Rls	W

Filter Register:

Reg.	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Name	Typ
15	–	–	–	–	–	FC2	FC1	FC0	FC Lo	W
16	FC10	FC9	FC8	FC7	FC6	FC5	FC4	FC3	FC Hi	W
17	Res3	Res2	Res1	Res0	Filt X	Filt 3	Filt 2	Filt 1	Res/Filt	W
18	3 off	HP	BP	LP	Vol 3	Vol 2	Vol 1	Vol 0	Mode/Vol	W

Sonstige Register (Misc.):

Reg.	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Name	Typ
19	PX7	PX6	PX5	PX4	PX3	PX2	PX1	PX0	Pot X	R
1A	PY7	PY6	PY5	PY4	PY3	PY2	PY1	PY0	Pot Y	R
1B	O7	O6	O5	O4	O3	O2	O1	O0	Osc3/Rnd	R
1C	E7	E6	E5	E4	E3	E2	E1	E0	Env3	R

Beschreibung der Register für Stimme 1 (Voice 1):

Register 00:  Freq Lo
Register 01:  Freq Hi

Diese beiden Register enthalten einen 16 Bitwert für die Frequenz des Oszillators 1. Die Frequenz errechnet sich wie folgt:

    Fout = (16-Bitwert * Taktfrequenz / 16.777.216)   [Hz]

Register 02:  PW Lo
Register 03:  PW Hi

Diese beiden Register enthalten einen 12 Bitwert (Bit 4 bis Bit 7 von Register 3 ist ohne Bedeutung) für die Pulsweite für Oszillator 1. Die Pulsweite errechnet sich wie folgt:

    PWout = (12-Bitwert / 40,95) [%]

Register 04:  Control

Dieses Register enthält 8 verschiedene Kontrollbits für Oszillator 1. Diese sind:

Bit 0: Das Gate-Bit kontrolliert den Hüllkurvengenerator von Oszillator 1. Wird es gesetzt, so wird Anschlag, Abschwellen und Halten (A/D/S) intialisiert, wird es gelöscht, so wird die Ausklingphase (R) gestartet. Damit der Oszillator 1 einen Ton von sich gibt muss dieses Bit also gesetzt werden. Der Hüllkurvengenerator beeinflusst die Aplitudenmodulation (siehe Blockdiagramm).

Bit 1: Das Sync-Bit synchronisiert die Frequenz von Oszillator 1 mit der Frequenz von Oszillator 3. Die Frequenz von Oszillator 3 muss dabei größer als 0 und kleiner als die von Oszillator 1 sein.

Bit 2: Das Ring-Bit ersetzt eine Dreieckswellenform durch eine Ringmodulation von Oszillator 1 mit Oszillator 3. Die Frequenz von Oszillator 3 muss dabei größer als 0 sein.

Bit 3: Wird das Test-Bit gesetzt, wir ein Reset für Oszillator 1 ausgeführt und dieser gesperrt bis das Test-Bit wieder gelöscht wird.

Bit 4: Diese Bit aktiviert die Dreieckswellenform
Bit 5: Diese Bit aktiviert die Sägezahnwellenform
Bit 6: Diese Bit aktiviert die Rechteckswellenform
Bit 7: Diese Bit aktiviert die Noise-Wellenform

Zum Erzeugen eines Tons muss mindestens eine Wellenform gesetzt sein. Werden mehrere gesetzt wird jene Wellenform des am niedirgsten gesezten Bits verwendet.

Register 05:  Anschlag und Abschwellen (Attack/Decay)

Die Bits 4 bis 7 sind für die 16 verschiedenen Anschlagwerte des Hüllkurvengenerators von Oszillators 1 zuständig. Sie legen fest, wie schnell die festgelegte maximale Lautstärke erreicht wird (siehe Tabelle). Die Bits 0 bis 3 sind für die 16 verschiedenen Abschwellwerte zuständig und legen fest, wie schnell die Lautstärke auf den Abschwellwert sinken (siehe Tabelle).

Register 06:  Halten und Ausklingen (Sustain/Release)

Die Bits 4 bis 7 sind für den Haltewert des Hüllkurvengenerators von Oszillator 1 zuständig. Sie legen fest, wie hoch der zu haltende Abschwellwert ist. Die Höhe der Amplitude errechnet sich aus dem Vielfachen vom Sechzehntel der Anschlagamplitude. Ein Wert von 8 bspw. hält auf halber Lautstärke des Anschlagmaximums. Die Haltephase dauert bis zum Löschen des Gate-Bits (siehe Register 4) an. Die Bits 0 bis 3 sind für die 16 verschiedenen Ausklingwerte zuständig und legen fest, wie schnell die Lautstärke von der Haltephase auf 0 ausklingen (siehe Tabelle).

Tabelle: Hüllkurvenraten

Wert	Anschlagrate    (Zeit pro Takt)	Abschwell- und     Ausklingrate
0	2 ms	6 ms
1	8 ms	24 ms
2	16 ms	48 ms
3	24 ms	72 ms
4	38 ms	114 ms
5	56 ms	168 ms
6	68 ms	204 ms
7	80 ms	240 ms
8	100 ms	300 ms
9	240 ms	750 ms
A	500 ms	1.5 s
B	800 ms	2.4 s
C	1 s	3 s
D	3 s	9 s
E	5 s	15 s
F	8 s	24 s

Beschreibung der Register für Stimme 2 (Voice 2):

Für die Register 7 bis D gilt das Selbe wie für die Register 0 bis 6 mit der Maßgabe, dass statt Oszillator 1 der Oszillator 2 kontrolliert wird und dass bei den Modulationen eine Kombination von Oszillator 2 mit Oszillator 1 eintritt.

Beschreibung der Register für Stimme 3 (Voice 3):

Für die Register E bis 14 gilt das Selbe wie für die Register 0 bis 6 mit der Maßgabe, dass statt Oszillator 1 der Oszillator 3 kontrolliert wird und dass bei den Modulationen eine Kombination von Oszillator 3 mit Oszillator 2 eintritt.

Beschreibung der Filterregister:

Register 15:  Cut-off Frequenz (FC Lo)
Register 16:  Cut-off Frequenz (FC Hi)

Diese beiden Register enthalten einen 11 Bitwert (Bit 3 bis Bit 7 von Register 15 ist ohne Bedeutung) für eine Cut-off Frequenz zwischen 30 Hz und 12 KHz.

Register 17:   Resonanz und Filteranwendung (Res/Filt)

Bits 4 bis 7 legen die Resananz bei der Cut-off-Frequenz fest. Ein Wert von 0 bedeutet keine Resonanz. Die Bits 0 bis 3 legen die Verwendung der Filter für die Stimmen und das externe Audiosignal fest und zwar:

Bit 0: Ist dieses Bit gesetzt werden für Stimme 1 die Filtereinstellungen verwendet. Ist dieses Bit gelöscht, so wird Stimme 1 ungefiltert ausgegeben.

Bit 1: gleiche Bedeutung für Stimme 2
Bit 2: gleiche Bedeutung für Stimme 3
Bit 3: gleiche Bedeutung für externes Audiosignal

Register 18:   Begrenzungsfilter, „3 off” und Lautstärke (Mode/Vol)

Die Bits 0 bis 3 sind für die 16 Gesamtlautstärkewerte zuständig. Ein Wert von 0 bedeutet keine Ausgabe. Damit der SID einen Ton von sich gibt muss ein Wert ungleich 0 gewählt werden.

Bit 4: Wird dieses Bit gesetzt wird der Tiefpassfilter aktiviert
Bit 5: Wird dieses Bit gesetzt wird der Bandpassfilter aktiviert
Bit 6: Wird dieses Bit gesetzt wird der Hochpassfilter aktiviert
Bit 7: Wird dieses Bit gesetzt wird der Ausgang von Oszillator 3 von der dirkten Ausgabe getrennt

Beschreibung der sonstigen Register (Misc):

Register 19:   A/D-Wandler (Pot X)

8-Bit Analog/Digital-Wandler für den Wert eines Potentiometers. (Bit 9 der Control-Ports)

Register 1A:   A/D-Wandler (Pot Y)

8-Bit Analog/Digital-Wandler für den Wert eines Potentiometers. (Bit 5 der Control-Ports)

Register 1B:   Oszillator 3 / Zufallszahl (Osc3/Rnd)

Über dieses Register können die höchsten 8 Ausgabebits von Oszillator 3 gelesen werden. Da der Oszillator 3 über „3 off” für den Lautsprecher stumm geschalten werden kann, die Wert jedoch weiter generiert werden, kann dieses Register auch als Zufallszahlgenerator verwendet werden.

Register 1C:   Hüllkurvenwert von Oszillator 3 (Env 3)

Über dieses Register können die höchsten 8 Ausgabebits des Hüllkurvengenerators von Oszillator 3 gelesen werden.

SID Charakteristik

maximale Belastung

	Symbol	Wert
Betriebsspannung	Vdd	-0.3 bis +17 V
Betriebsspannung	Vcc	-0.3 bis +7 V
Eingangsspannung (analog)	Vina	-0.3 bis +17 V
Eingangsspannung (digital)	Vind	-0.3 bis +7 V
Betriebstemperatur	Ta	0 bis +70 °C
Lagertemperatur	Tstg	-55 bis +150 °C

Elektrik

Vdd = 12 V ±5%
Vcc = 5 V ±5%
Ta  = 0 bis 70 °C

	Symbol	Min	Typ	Max
Input High Voltage	Vih	2 V	-	Vcc
Input Low Voltage	Vil	-0.3 V	-	0.8 V
Input Leakage Current	Iin	-	-	2.5 μA
Three-State (Off)	Itsi	-	-	10 μA
Input Leakage Current	Vin	0.4 V	-	2.4 V
Output High Voltage	Voh	2.4 V	-	-0.7 V
Output Low Voltage	Vol	GND	-	0.4 V
Output High Current	Ioh	200 μA	-	-
Output Low Current	Iol	3.2 mA	-	-
Input Capacitance	Cin	-	-	10 pF
Pot Trigger Voltage	Vpot	-	Vcc/2	-
Pot Sink Current	Ipot	500 μA	-	-
Input Impedance	Rin	100 kΩ	150 kΩ	-
Audio Input Voltage	Vin	5.7 V	6 V	6.3 V
		-	0.5 V	3 V
Audio Output Voltage	Vout	5.7 V	6 V	6.3 V
One Voice On:		0.4 V	0.5 V	0.6 V
All Voices On:		1.0 V	1.5 V	2.0 V
Power Supply Current	Idd	-	20 mA	25 mA
Power Supply Current	Icc	-	70 mA	100 mA
Power Dissipation	Pd	-	600 mW	1000 mW

SID Timing

	Name	min	Typ	max
Tcyc	Clock Cycle Time	1 μs	-	20 μs
Tc	Clock High Pulse Widtch	450 ns	500 ns	10000 ns
Tr, Tf	Clock Rise/Fall Time	-	-	25 ns
Trs	Read Set-Up Time	0 ns	-	-
Trh	Read Hold Time	0 ns	-	-
Tacc	Access Time	-	-	300 ns
Tah	Address Hold Time	10 ns	-	-
Tch	Chip Select Hold Time	0 ns	-	-
Tdh	Data Hold Time	20 ns	-	-

	Name	min	Typ	max
Tw	Write Pulse Width	300 ns	-	-
Twh	Write Hold Time	0 ns	-	-
Taws	Address Set-up Time	0 ns	-	-
Tah	Address Hold Time	10 ns	-	-
Tch	Chip Select Hold Time	0 ns	-	-
Tvd	Valid Data	80 ns	-	-
Tdh	Data Hold Time	10 ns	-	-

Typische SID-Schaltung

Frequenzwerte für Musik-Noten

Damit nicht wertvolle Rechenzeit für das Ermitteln eines Wertes für eine Musiknote benötigt wird, wird üblicher Weise auf eine Tabelle zurückgegriffen. Hierfür sind nur die 12 Noten einer Oktav nötig, da der selbe Ton eine Oktav höher genau den doppelten Wert hat. Untenstehend sind die ersten zwei Oktaven abgebildet. Zu beachten sind Abweichen auf Grund von Rundungen. Da der Wert von der Taktfrequenz des Chips (Eingang Phi 0) abhängig ist werden untenstehend sowohl die Werte für die PAL-Version des C64 (0,98 MHz) als auch für den 1 MHz Referenzwert von MOS angegeben. Der 16-Bit Zahlenwert ist hier im Hex-Format aufgelistet.

Note	Frequenz	Werte für die Taktfrequenzen
		(C64 PAL)	(1 MHz)
C-0	16,35 Hz	0116	0112
C#-0	17,32 Hz	0127	0123
D-0	18,35 Hz	0139	0134
D#-0	19,44 Hz	014B	0146
E-0	20,60 Hz	015F	015A
F-0	21,83 Hz	0174	016E
F#-0	23,12 Hz	018A	0184
G-0	24,50 Hz	01A1	018B
G#-0	25,96 Hz	01BA	01B3
A-0	27,50 Hz	01D4	01CD
A#-0	29,14 Hz	01F0	01E9
H-0	30,87 Hz	020E	0206
C-1	32,70 Hz	022D	0225
C#-1	34,65 Hz	024E	0245
D-1	36,71 Hz	0271	0268
D#-1	38,89 Hz	0296	028C
E-1	41,20 Hz	02BE	02B3
F-1	43,65 Hz	02E7	02DC
F#-1	46,25 Hz	0314	0308
G-1	49,00 Hz	0342	0336
G#-1	51,91 Hz	0374	0367
A-1	55,00 Hz	03A9	039B
A#-1	58,27 Hz	03E0	03D2
H-1	61,74 Hz	041B	040C

Logische Realisierung der Hüllkurven

Dreieck:

Der Eingang ist ein steigender 12 Bit-Zähler, wovon das höchste Bit mittels einer Exlusiv-Oder-Funktion mit den anderen Bits verknüpft wird. Dadurch wird am Ausgang der Verknüpfung zuerst von 0 auf 2047 hochgezählt und anschließend von 2047 auf 0 wieder herunter. Durch diese sehr einfache Realisierung kann kein exaktes Dreiecksignal erreicht werden, da sowohl der Wert 0 als auch der Wert 2047 hinter einander doppelt vorkommt. Es liegt also richtigerweise das kleinste Trapetzsignal vor, was allerdings dem Dreieck derart nahe kommt, dass diese Ungenauigkeit vernachlässigt werden kann. Um wieder auf einen 12-Bitwert zu kommen, wird eine Stelle nach links geshiftet.

Sägezahn:

Der 12 Bit-Zähler wird einfach übernommen.

Rechteck:

Ist das höchste Bit des Zählers gesetzt werden am Ausgang der Verknüpfung alle Bits ebenfalls gesetzt, ansonsten alle gelöscht.

Noise:

Die höchsten 12 Bit eines 23-Bit Pseudozufallsgenerators werden übernommen. Gleichzeitig dienen diese für die Generierung der nächsten Zufallszahl (untere 11 Bit der Zufallszahl). Es wird jeweils um 11 Stellen geschiftet, so dass das niedrigste Bit am Ausgang bei der nächsten Zahl das höchste Bit ist.

ADSR-Verlauf

Die angegebenen Poke-Adressen (54277/54278) gelten für Stimme 1. Stimme 2 wird über 54284/54285 und Stimme 3 über 52291/52292 angesteuert.