第18课 - 模式序列器 | 芯片音乐课程

单个模式(Pattern)只是音乐的片段，真正的歌曲由多个模式按特定顺序排列组成。本课实现模式序列器，将16步模式链接成完整的歌曲结构——这是Tracker音乐的标准工作方式。

歌曲结构层次

📐 Tracker音乐的层次结构

歌曲(Song)
├── 模式顺序列表 [00,01,02,01,03,04,05,04,...]
│
├── 模式00 (Intro)
│   ├── Step 0: C-4 E-4 G-3 ---
│   ├── Step 1: D-4 F-4 G-3 ---
│   └── ... (16步)
│
├── 模式01 (Verse A)
│   ├── Step 0: C-4 G-3 C-3 Hh4
│   └── ... (16步)
│
└── 模式02 (Chorus)
    ├── Step 0: E-4 C-4 G-3 Sd4
    └── ... (16步)

关键概念：模式复用——同一模式可以在歌曲中出现多次。一个3分钟的歌可能只需要6-8个不同模式。

常见歌曲结构

NES音乐引擎

实时模式切换

高级模式序列器支持实时切换——游戏中根据状态（战斗/和平/Boss）切换不同模式，而不是从头开始播放。

Verilog 实现

结构	模式排列	说明
流行	I-V-V-C-V-C-B-C	Intro-Verse-Chorus-Bridge
芯片音乐	I-A-A-B-A-C-A-D	变奏为主，渐进复杂
电子	B-B-B-B-B-B-B-B	渐进式发展
游戏BGM	A-B-A-C-A-B-A-D	循环不变奏，适合长时间播放

pattern_sequencer.v

// pattern_sequencer.v - 模式序列器
// 将多个模式(Pattern)链接成完整歌曲
module pattern_sequencer #(
    parameter NUM_PATTERNS = 16,
    parameter PATTERN_LEN = 16,         // 每个模式16步
    parameter SONG_LEN = 64,            // 歌曲最大模式数
    parameter NOTE_BITS = 7
)(
    input  wire clk,
    input  wire rst_n,
    input  wire beat_pulse,
    input  wire play,
    input  wire stop,
    // 模式存储器
    input  wire [NOTE_BITS-1:0] pattern_notes [0:NUM_PATTERNS-1][0:PATTERN_LEN-1],
    input  wire [7:0]           pattern_vels [0:NUM_PATTERNS-1][0:PATTERN_LEN-1],
    // 歌曲排列：模式顺序列表
    input  wire [3:0] song_order [0:SONG_LEN-1],
    input  wire [6:0] song_length,
    // 输出
    output wire [NOTE_BITS-1:0] note_out,
    output wire [7:0]           vel_out,
    output wire                 note_valid,
    output wire [3:0]           current_pattern,
    output wire [3:0]           current_step
);
    reg [6:0] song_pos;          // 歌曲中的位置
    reg [3:0] step_pos;          // 模式内的步位置
    reg [3:0] active_pattern;    // 当前活跃模式号
    reg playing;
    reg valid;
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            song_pos <= 7'd0;
            step_pos <= 4'd0;
            active_pattern <= 4'd0;
            playing <= 1'b0;
            valid <= 1'b0;
        end else begin
            valid <= 1'b0;
            
            if (play && !playing) begin
                playing <= 1'b1;
                song_pos <= 7'd0;
                step_pos <= 4'd0;
                active_pattern <= song_order[0];
                valid <= 1'b1;
            end else if (stop) begin
                playing <= 1'b0;
            end else if (playing && beat_pulse) begin
                if (step_pos >= PATTERN_LEN - 1) begin
                    // 当前模式结束
                    step_pos <= 4'd0;
                    if (song_pos >= song_length - 1) begin
                        song_pos <= 7'd0; // 循环
                    end else begin
                        song_pos <= song_pos + 7'd1;
                    end
                    active_pattern <= song_order[song_pos];
                    valid <= 1'b1;
                end else begin
                    step_pos <= step_pos + 4'd1;
                    valid <= 1'b1;
                end
            end
        end
    end
    
    // 从当前模式读取音符
    assign note_out = pattern_notes[active_pattern][step_pos];
    assign vel_out  = pattern_vels[active_pattern][step_pos];
    assign note_valid = valid;
    assign current_pattern = active_pattern;
    assign current_step = step_pos;
endmodule

✅ Verilator验证通过

歌曲结构设计原则

🎵 游戏BGM的特殊需求

游戏BGM与普通音乐不同——它可能循环播放30分钟以上：

不能烦人：简单旋律反复会让人发疯，需要足够的变奏
不能分散注意力：游戏音乐应增强氛围而非抢戏
循环无缝：模式结尾和开头必须无缝衔接
动态适配：理想情况下根据游戏状态改变音乐

NES作曲家解决这些问题的方法：

使用足够长的歌曲结构（16-32个模式，2-4分钟循环）
在相同模式中变化效果命令（第一次不加颤音，第二次加）
使用"渐变"——每个循环加入新的元素

条件跳转与交互式音乐

多通道独立序列

NES音乐数据格式分析

NES游戏的音乐数据极其紧凑，理解其编码方式有助于我们设计序列器：

📐 NES音乐数据编码

// 典型的NES音乐引擎数据格式
// 每个通道独立的数据流
// 使用变长编码节省空间

// 事件类型（高4位）:
// 0x0n: 音符(n=0-12对应C到C)
// 0x1n: 延时(n=1-15帧)
// 0x2n: 音量设置
// 0x3n: 占空比切换
// 0x4n: 效果命令
// 0x8n: 循环开始
// 0x9n: 循环结束(参数=循环次数)
// 0xFn: 模式结束

// 示例：C大调音阶(极简编码)
// 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07
// C   D    E    F    G    A    B    C(高)
// 每个1字节！总共8字节表示8个音符

模式序列的跳转与循环

模式序列器的跳转表

🔧 跳转表实现

// 跳转表：每个模式有一个"下一条目"
// 可以实现循环、跳转、条件分支
reg [3:0] jump_table [0:NUM_PATTERNS-1];
reg [3:0] repeat_count [0:NUM_PATTERNS-1];

initial begin
    // 简单歌曲结构
    jump_table[0] = 4'd1;  repeat_count[0] = 4'd2;  // Intro→Verse, 重复2次
    jump_table[1] = 4'd2;  repeat_count[1] = 4'd1;  // Verse→Chorus
    jump_table[2] = 4'd3;  repeat_count[2] = 4'd1;  // Chorus→Bridge
    jump_table[3] = 4'd1;  repeat_count[3] = 4'd2;  // Bridge→Verse, 2次
    // → Intro×2 → Chorus → Bridge → Verse×2 → ...
end

📐 模式序列器状态机设计

模式序列器的完整状态机：

// 状态机设计
// S_IDLE: 等待播放命令
// S_PLAYING: 正常播放当前模式
// S_TRANSITION: 模式切换过渡
// S_JUMP: 条件跳转

// 状态转换：
// IDLE --(play)--> PLAYING
// PLAYING --(模式结束)--> TRANSITION
// TRANSITION --(1周期后)--> PLAYING(新模式)
// PLAYING --(stop)--> IDLE
// PLAYING --(jump_cmd)--> JUMP
// JUMP --(1周期后)--> PLAYING(目标模式)

模式序列器的进阶功能

🔧 进阶功能清单

模式长度可变：不同模式可以有不同步数(8/16/32/64)
子模式：一个模式内部可以调用另一个模式作为"子程序"
条件跳转：根据外部信号(如游戏状态)跳转模式
过渡效果：模式切换时的淡入淡出
实时模式编辑：不停止播放修改当前模式
多速率模式：不同模式使用不同BPM

// 可变长度模式实现
reg [4:0] pattern_lengths [0:NUM_PATTERNS-1];
// 每个模式记录自己的长度(1-16步)

always @(posedge clk) begin
    if (step >= pattern_lengths[active_pattern] - 1) begin
        // 切换到下一个模式
        step <= 0;
        song_pos <= song_pos + 1;
        active_pattern <= song_order[song_pos];
    end
end