Atividade de Laboratório 7

Objetivos

O objetivo desta atividade é exercitar o uso de operações com bits, controle de fluxo, e acesso a vetores utilizando o conjunto de instruções da arquitetura RISC-V.

Descrição

MIDI (Interface Digital de Instrumentos Musicais, do inglês Musical Instrument Digital Interface) é um padrão de armazenamento e comunicação entre instrumentos musicais, computadores e ferramentas de áudio. Sua estrutura consiste em representar notas musicais através de uma sequência de comandos simples e de fácil reprodução. Um arquivo MIDI possui até 16 canais. A cada canal, um instrumento musical pode ser associado. A melodia é, então, representada como uma lista de notas musicais para cada canal. Cada nota possui ainda sua velocidade, frequência e tempo.

Neste laboratório, você deve implementar um tocador de músicas no formato MIDI utilizando a linguagem de montagem do RISC-V. O programa é dividido em duas partes: Parser e Player. O pseudo-código delas pode ser visto no documento mc404_lab07.pdf. Para facilitar o problema, nós fornecemos o arquivo base lab7.s, que já declara as estruturas de dados e implementa a parte Player. Assim, somente a parte Parser precisa ser implementada e será considerada na avaliação do laboratório.

O Parser

Nesta primeira parte, você deverá ler e interpretar os dados da música. Você receberá a entrada no formato Midigram, uma representação simplificada (e mais compreensível) do formato MIDI. Sua estrutura é ilustrada abaixo.

Header 1 15
Program   8 71 
8040 8148 4 8 58 76
8160 8376 4 8 58 76
8400 8616 4 8 59 76
8640 8964 4 8 58 76
12000 12216 4 8 58 76
12240 12456 4 8 59 76
12480 12804 4 8 58 76
15720 15828 4 8 58 76
...
82440 82488 15 10 20 20
82440 82488 15 10 33 13
82500 82548 15 10 20 18
82500 82548 15 10 33 12
88320

Seu código deverá ler uma linha por vez e identificar seu tipo. No nosso exemplo:

• Header 1 15
  • Linha de cabeçalho.
  • Deve ser ignorada.
• Program 8 71
  • Linha de programa. É ela quem define qual instrumento o canal irá tocar.
    • No exemplo: O canal 8 tocará o instrumento 71 (o Fagote)
  • Contém a palavra “Program” seguida por dois números inteiros separados por espaços.
  • Formato: “ Program canal instrumento ”.
  • Você deve ler os valores de canal e de instrumento.
  • Você deve armazenar, em um vetor, o instrumento programado para o canal.
• 8040 8148 4 8 58 76
  • Linha de nota.
  • Contém sempre 6 números inteiros separados por espaços.
  • Formato: “Início Fim Track Canal Frequência Velocidade”
  • Você deverá ler os valores de Início, Fim, Canal, Frequência e Velocidade.
  • A forma de armazenamento será detalhada a seguir.
• 88320
  • Última linha.
  • Contém apenas um número inteiro.
  • Deve ser ignorada.

Armazenamento dos canais (linhas 4 e 5 do Algoritmo 1)

1. Use o vetor de inteiros C (já criado no arquivo de template) que possui 16 posições. Você deve inserir código para inicializá-lo com zeros.
2. Sempre que uma linha de programa for recebida com Canal c e instrumento i:
   • Preencha a posição c do vetor com o valor i.

Armazenamento das notas (linhas 6 a 11 do Algoritmo 1)

1. Use a matriz de inteiros M (já criada no arquivo de template) que possui 16 colunas e 300 mil linhas. Você deve inserir código para inicializá-la com zeros.
2. Sempre que uma linha de nota for recebida com Início t_ini, Fim t_end, canal c, frequência f, e velocidade v:
   • Converta os valores de t_ini e t_end para valores de tempo em milisegundos.
     • Para isso, basta aplicar a fórmula mostrada nas Linhas 7 e 8 do Algoritmo.
     • Os parâmetros BPM e ticks serão passado pela entrada padrão antes do arquivo MIDIGRAM.
     • A tabela a seguir mostra os valores de BPM e ticks para os arquivos de teste (music.zip).
     • Note que, a depender de como a fórmula for aplicada, seu código poderá gerar overflow. Você deve evitar que isso ocorra. Para isso, você pode dividir um dos parâmetros (BPM ou Ticks) por 10 e multiplicar por 6000 em vez de 60000.
   • Na Matriz, preencha a coluna c e as linhas de t_ini até t_end (considerando os valores já convertidos em milisegundos) com a tripla (f, v, d), onde d = (t_end - i) e i é valor da linha atual.
     • A tripla (f, v, d) deve ser armazenada numa única palavra de memória nesta ordem.
     • Para isso, f deve ser armazenado nos bits 31..24, v nos bits 23..16, e d nos bits 15..0.

Arquivo	BPM	Ticks
1	105	240
2	124	384
3	78	192
4	67	480
5	170	96
6	114	384
7	100	96
8	67	384

Entrada

A entrada será o valor dos parâmetros BPM e ticks (na mesma linha separados por um espaço), seguido pelos dados do arquivo Midigram. Para testar seu código, disponibilizamos 8 arquivos Midigram (music.zip), mas você pode gerar novos a partir de músicas no formato MIDI (veja como na última seção deste documento).

Exemplo:

105 240
Header 1 15
Program   8 71 
8040 8148 4 8 58 76
8160 8376 4 8 58 76
8400 8616 4 8 59 76
8640 8964 4 8 58 76
12000 12216 4 8 58 76
12240 12456 4 8 59 76
12480 12804 4 8 58 76
15720 15828 4 8 58 76
...
82440 82488 15 10 20 20
82440 82488 15 10 33 13
82500 82548 15 10 20 18
82500 82548 15 10 33 12
88320

Organização e compilação do parser

Seu código do "parser" deve ser implementado no arquivo lab7.s. Além disso:

• O código do lab7.s deve fazer uso da matriz M e do vetor C já declarados no arquivo de template. Lembre-se de inserir código para iniciar estas estruturas como indicado acima.
• O arquivo lab7.s deve ter uma função chamada "_start", que deverá conter o código do Parser.
• O rótulo da função _start deve ser "_start" e deve ser declarado como global usando a diretiva .globl.
• Ao final da função _start, seu código deve continuar executando a partir do rótulo "play".

Execute a compilação e ligação de seu código como de costume. Agora, basta executar o programa lab7 no simulador para testá-lo. Veja a seção Entrada (acima) para entender o formato de entrada.

O Player

Embora a implementação dessa etapa já esteja feita no arquivo de template, a leitura dessa seção é importante para o entendimento da infraestrutura a ser utilizada. Além disso, a compreensão do algoritmo pode vir a ser necessária para o trabalho final da disciplina. Uma vez preenchidos a matriz M e o vetor C, você pode reproduzir a música seguindo o Algoritmo 2 do PDF. Para isso, o código implementa a função "play" dentro do arquivo lab7.s da seguinte forma:

• Um vetor de inteiros P com 16 posições é criado.
  • Um segundo vetor de inteiros P2, com 16 posições, é criado. Apesar do algoritmo utilizar um único vetor P para tudo, você poderia ter problemas de overflow se o fizesse.
• Em um laço infinito, o código:
  • Obtém o tempo t em milissegundos a partir do início da execução do player.
  • Percorre cada canal j da linha t da matriz M
    • Se a nota armazenada na posição M[t][j] não estiver tocando, chama o Sintetizador para reproduzi-la.

Obtenção de tempo

O tempo pode ser obtido através da chamada de sistema gettimeofday. No exemplo a seguir, o tempo em milissegundos é carregado em a0.

  la a0, buffer_timeval
  la a1, buffer_timerzone
  li a7, 169 # chamada de sistema gettimeofday
  ecall
  la a0, buffer_timeval
  lw t1, 0(a0) # tempo em segundos
  lw t2, 8(a0) # fração do tempo em microssegundos
  li t3, 1000
  mul t1, t1, t3
  div t2, t2, t3
  add a0, t2, t1

Chamando o sintetizador

Um sintetizador de áudio é um componente capaz de imitar o som de instrumentos musicais convencionais. Em nosso simulador RISC-V, nós simulamos o uso de um sintetizador implementado em um circuito integrado e conectado ao microcontrolador pelo barramento. Para simplificar seu uso no laboratório, a syscall SynthPlay foi implementada para tratar da comunicação com o CI. Para conectar o sintetizador ao simulador, é necessário ir à aba "External Devices", seção "Sound Synthesizer", e clicar em "Load Device".

Exemplo de uso da syscall:

  li a0, 25          # instrumento (25: guitarra acústica de nylon) 
  li a1, 0x1800      # tempo para tocar a nota (d = 0x1800)
  ori a1, 0x100000   # velocidade da nota (v = 0x10)
  ori a1, 0x52000000 # frequencia da nota (f = 0x52)
  li a2, 1           # canal 1
  li a7, 2048        # chamada de sistema
  ecall

Note que é importante representar a tripla (f, v, d) como indicado na Parte 1 para que o código do Player funcione corretamente.

Agora, basta executar o programa lab7 no simulador para testá-lo.

Entrega

Você deve submeter o arquivo lab7.s no SuSy.

Endereço para a entrega da atividade no prazo original no sistema SuSy: https://susy.ic.unicamp.br:9999/mc404ab/07a ou https://susy.ic.unicamp.br:9999/mc404ab/07b

Endereço para a entrega da atividade fora do prazo (até dia 16/10): https://susy.ic.unicamp.br:9999/mc404ab/07aa ou https://susy.ic.unicamp.br:9999/mc404ab/07bb

Para diversão!

• Tente acertar qual a música em cada um dos arquivos de exemplo.
• Reproduza outros MIDIs, além dos fornecidos (MIDIs são facilmente encontrados na internet). Para isso, instale o software midi2abc:
  • Para instalar (ubuntu): sudo apt install abcmidi
  • Para gerar o midigram: midi2abc musica.mid -midigram > musica.midigram
  • Para obter o parâmetro BPM: midi2abc musica.mid -sum | grep Tempo
  • Para obter o parâmetro ticks: od -An -j 12 -N 2 --endian=big -vd musica.mid | xargs