第17课：音符序列器

📐 音符事件的三个维度

• 音高(Pitch)：哪个音符，用MIDI编号表示
• 力度(Velocity)：多响，0-127（0=静音/停止）
• 时值(Duration)：持续多长，以节拍数为单位

示例：C大调音阶序列
步 | 音高 | 力度 | 时值
 0 | C4   | 100  | 1  (四分音符)
 1 | D4   | 100  | 1
 2 | E4   | 100  | 1
 3 | F4   | 100  | 1
 4 | G4   | 100  | 2  (二分音符)
 5 | —    | 0    | 2  (休止)
 6 | G4   | 80   | 1
 7 | F4   | 80   | 1

// note_sequencer.v - 音符序列器
// 按节拍自动播放预定义的音符序列
module note_sequencer #(
    parameter SEQ_DEPTH = 64,          // 序列最大长度
    parameter NOTE_BITS = 7,           // MIDI音符位宽
    parameter VEL_BITS = 8             // 速度位宽
)(
    input  wire clk,
    input  wire rst_n,
    input  wire beat_pulse,            // 节拍输入
    input  wire [6:0] seq_length,      // 序列实际长度
    input  wire start,                 // 开始播放
    input  wire stop,                  // 停止播放
    // 音符存储器接口
    input  wire [NOTE_BITS-1:0] note_data [0:SEQ_DEPTH-1],
    input  wire [VEL_BITS-1:0]  vel_data [0:SEQ_DEPTH-1],
    input  wire [3:0]           dur_data [0:SEQ_DEPTH-1], // 持续时间(节拍数)
    // 输出
    output wire [NOTE_BITS-1:0] current_note,
    output wire [VEL_BITS-1:0]  current_vel,
    output wire                 note_valid,
    output wire [6:0]           step_position
);
    reg [6:0] step;
    reg [3:0] duration_counter;
    reg playing;
    reg valid;
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            step <= 7'd0;
            duration_counter <= 4'd0;
            playing <= 1'b0;
            valid <= 1'b0;
        end else begin
            valid <= 1'b0;
            
            if (start && !playing) begin
                playing <= 1'b1;
                step <= 7'd0;
                duration_counter <= 4'd0;
                valid <= 1'b1;
            end else if (stop) begin
                playing <= 1'b0;
                valid <= 1'b0;
            end else if (playing && beat_pulse) begin
                if (duration_counter >= dur_data[step] - 1) begin
                    // 当前音符结束，前进到下一步
                    if (step >= seq_length - 1)
                        step <= 7'd0;  // 循环
                    else
                        step <= step + 7'd1;
                    duration_counter <= 4'd0;
                    valid <= 1'b1;
                end else begin
                    duration_counter <= duration_counter + 4'd1;
                end
            end
        end
    end
    
    assign current_note = note_data[step];
    assign current_vel  = vel_data[step];
    assign note_valid   = valid;
    assign step_position = step;
endmodule

✅ Verilator验证通过

📐 Tracker行数据格式

每行格式: [音符][乐器][力度][效果命令][效果参数]

示例：
C-4 01 v80 G02    → 音符C4, 乐器1, 力度80, 滑音到+2半音
D#4 02 v60 ----    → 音符D#4, 乐器2, 力度60, 无效果
--- -- ---- 1A0    → 延续前音符, 无乐器, 无力度, 音量设为A0
=== -- ---- ----   → 释放音符(Note Off)

常见效果命令：

🎲 概率触发

// 鼓的随机触发
wire kick_trigger = kick_pattern[step] && 
                    (lfsr[7:0] < kick_probability);
// kick_probability=255 → 100%触发
// kick_probability=128 → 约50%触发
// kick_probability=64  → 约25%触发

// 音高的随机偏移(人性化)
wire [6:0] humanized_note = base_note + 
                            (lfsr[1:0] - 2); // ±1半音随机

这种"人性化"处理让序列器播放的音乐不会听起来太"机械"。在Ableton Live等现代DAW中，这是标准功能。

🔧 双端口BRAM架构

// 推荐的序列器内存架构：
// 使用FPGA Block RAM存储序列数据
// 端口A: 播放引擎读取（自动）
// 端口B: 外部写入（编辑/上传）

// 内存布局：
// 地址 [15:0]
// [00xx]: 音高数据 (7位MIDI + 1位标志)
// [01xx]: 力度数据 (8位)
// [10xx]: 时值数据 (4位时值 + 4位效果)
// [11xx]: 效果参数 (8位)

// 优点：
// 1. 播放和编辑可以并行
// 2. 不需要停止播放就能修改音符
// 3. BRAM是FPGA内置资源，不占逻辑单元

📐 序列器内存使用分析

不同序列长度的存储需求：

// 每个音符事件 = 音高(7bit) + 力度(8bit) + 时值(4bit) = 19bit
// 对齐到24bit(3字节)

// 序列长度 | 存储需求 | BRAM利用率
// 16步     | 48B      | 极低
// 32步     | 96B      | 极低
// 64步     | 192B     | 极低
// 128步    | 384B     | 低
// 256步    | 768B     | 低
// 1024步   | 3KB      | 中

// 典型FPGA有16-100个18Kb BRAM
// 一个18Kb BRAM = 2KB
// → 即使1024步序列只占用2个BRAM

🔧 控制接口设计

// 控制信号列表
input  wire play,          // 开始播放
input  wire stop,          // 停止播放
input  wire pause,         // 暂停/继续
input  wire reset_seq,     // 回到序列开头
input  wire next_note,     // 手动前进一个音符
input  wire prev_note,     // 手动后退一个音符
input  wire loop_enable,   // 循环模式开关
input  wire [6:0] jump_to, // 跳转到指定步

// 状态输出
output wire playing,       // 正在播放
output wire paused,        // 已暂停
output wire [6:0] position,// 当前步位置
output wire seq_end,       // 序列结束(非循环模式)