Další konkurence Sound Blasterů - ESS, Ensoniq a čip InterWave

Obsah

1. Gravis UltraSound ACE, Gravis UltraSound CD3 a UltraSound Extreme
2. Gravis UltraSound Plug&Play a Plug&Play Pro
3. Karty založené na čipech ESS 1868 a ESS-Maestro 1
4. Zvukové karty firmy Ensoniq
5. Ensoniq Soundscape S-2000
6. Ensoniq Soundscape Elite
7. Ensoniq AudioPCI
8. Literatura a odkazy na Internetu

1. Gravis UltraSound ACE, Gravis UltraSound CD3 a UltraSound Extreme

V předchozí části tohoto seriálu jsme si mj. popsali legendární zvukové karty Gravis UltraSound (později se k tomuto názvu přidalo pro odlišení slovo Classic) a Gravis UltraSound MAX. Firma Advanced Gravis však vyráběla i další modely zvukových karet, jimiž se budeme zabývat dnes. Jednou z variant původní karty Gravis UltraSound Classic byla zvuková karta Gravis UltraSound ACE. Ve své podstatě se jednalo o zjednodušenou a tím pádem i levnější verzi Gravis UltraSound Classic se zabudovaným paměťovým čipem (DRAM) o kapacitě 512 kB, přičemž celkovou kapacitu paměti pro uložení navzorkovaných zvuků bylo možné rozšířit až na 1024 kB. OEM varianta karty Gravis UltraSound Classic nesla označení UltraSound CD3. Kapacita paměti pro uložení vzorků se u této karty taktéž pohybovala v rozsahu 512 kB až 1024 kB. Kromě toho se na kartě nacházely konektory pro připojení mechanik CD-ROM – podporována byla rozhraní firem Sony, Mitsumi a Panasonic (pro každé rozhraní byl určen samostatný konektor s 32 až 40 piny).

Obrázek 1: Zvuková karta Gravis UltraSound MAX se svým typickým červeným plošným spojem.

Svými vlastnostmi i programovým rozhraním jsou všechny čtyři výše zmíněné zvukové karty – Classic, MAX, ACE i CD3 – velmi podobné, na rozdíl od karet popsaných v následujících odstavcích. Zvuková karta nazvaná Gravis UltraSound Extreme byla sice taktéž založena na původním Gravisu UltraSound Classic s 1MB DRAM pro uložení navzorkovaných zvuků (dynamické paměťové moduly byly v době uvedení této karty již levnější, proto se ani nenabízely varianty s 256 kB či 512 kB), ovšem navíc se na kartě Extreme objevuje čip ESS 1868, jímž se budeme podrobněji zabývat ve třetí kapitole. Díky čipu ESS 1868 se do jisté míry podařilo odstranit pravděpodobně největší konkurenční nevýhodu GUSů – nekompatibilitu se zvukovými kartami Sound Blaster vybavenými kromě DMA kanálu i čipy OPL2/Yamaha YM 3812 a OPL3/Yamaha YMF 262. Čip ESS 1868 totiž dokázal emulovat jak původní AdLib (tj. čip OPL2 s FM syntézou), tak i Sound Blaster Pro s čipem OPL3, včetně přehrávání samplů přenášených přes DMA se vzorkovací frekvencí až do hodnoty 44,1 kHz (původní karty GUS totiž přímé přehrávání přenášených samplů nepodporovaly, vše se muselo nejdříve uložit do paměti na kartě).

Obrázek 2: Zvuková karta Gravis UltraSound Extreme. Povšimněte si označení hlavního čipu: GF1, stejně jako u výše zobrazeného Gravisu UltraSound MAX.

2. Gravis UltraSound Plug&Play a Plug&Play Pro

Zvukové karty firmy Advanced Gravis s přívlastkem Plug&Play jsou vybaveny odlišným čipem než původní GUS Classic. Jedná se o čip pojmenovaný AMD InterWave GFA1 (pěkně je vidět na pátém obrázku, kde je jeho potisk proveden vzhůru nohama), jehož vlastnosti se v některých ohledech (mixér apod.) přibližují profesionálním zvukovým kartám. Samplovací frekvence se zvýšila až na 48 kHz při použití šestnáctibitových vzorků, počet kanálů pro wavetable syntézu je roven třiceti dvěma a především je možné zvuk současně přehrávat i nahrávat (digitalizovat), což je důležité například při videokonferencích. Čip GFA1 taktéž podporuje komprimaci vzorků podle standardů 4:1 ADPCM, A-law a µ-law, podobně jako novější verze Sound Blasterů. Odstup signálu od šumu je podle dokumentace větší než 80 dB a provedená měření tuto hodnotu potvrdila (pro sinusový i pilový průběh). Frekvenční rozsah zvukového mixéru a zesilovače je snadno zapamatovatelný: 20 Hz až 20 kHz, což je více, než u původního GUSe.

Obrázek 3: Logo na krabici se zvukovou kartou Gravis UltraSound Plug&Play.

Tyto karty, určené pro šestnáctibitovou sběrnici ISA, byly osazeny jedním megabajtem paměti ROM (ne DRAM), která obsahovala zkomprimované vzorky zvuků hudebních nástrojů. Kapacita paměti DRAM pro uložení vlastních vzorků (samplů) sice byla u karty Gravis UltraSound Plug&Play nulová, nicméně na kartě byly přítomny dva konektory pro „krátké“ paměťové moduly SIMM s přístupovou dobou 70 ns, přičemž maximální podporovaná kapacita paměti byla 8 MB, což je pro běžné použití (například všechny nástroje General MIDI) více než dostatečné (karta obsazená oběma paměťovými moduly je zobrazena na další fotografii). Zvuková karta Gravis UltraSound Plug&Play Pro již obsahovala 512 kB DRAM, přičemž další možnosti rozšíření této paměti byly stejné, jako u předchozí karty. Oba typy těchto zvukových karet obsahovaly jeden konektor typu IDE, na nějž bylo možné zapojit standardní CD-ROM mechaniku (proprietární rozhraní výrobců CD-ROM zde tedy již nenajdeme). Kromě toho bylo podporováno i rozhraní MIDI. V současnosti existují pro tuto kartu ovladače jak na starší systémy Windows, tak i pro Linux, mnoho lidí si právě kvůli těmto typům karet ponechává starší počítače s ISA sběrnicí (protože základní desky s touto sběrnicí jsou dnes již mimo mainstream a tedy poměrně drahé).

Obrázek 4: Zvuková karta Gravis UltraSound Plug&Play.

3. Karty založené na čipech ESS 1868 a ESS-Maestro 1

Při popisu zvukových karet, se kterými jsme se mohli v minulých letech v osobních počítačích setkat, nesmíme zapomenout také na karty, které obsahovaly čip ESS 1868, ESS-Maestro 1 (ES1948F) či některý další podobný čip vyráběný firmou ESS Technology. Tato firma má v oblasti zpracování zvuků velmi dlouhou tradici, protože již v dobách první a druhé generace herních automatů dodávala pro tyto systémy patentované čipy umožňující syntézu řeči. Ze známějších automatů se jedná například o hru Berzerk, o které jsme se již zmínili při popisu zvukového čipu POKEY.

Obrázek 5: Hra Berzerk spuštěná v emulátoru. Vedle hráče se již objevil nechvalně známý „Evil Oto“, který vyhrál soutěž o nejhoršího počítačového protivníka v herní historii :-)

Nicméně u čipů řady ESS 1868 již patentovaný postup pro řečovou syntézu nenalezneme, protože se jedná o takřka klasický čip pro přehrávání a nahrávání samplovaných zvuků, jehož technické parametry jsou prakticky stejné, jako u zvukové karty Sound Blaster 16 – tento čip přehrává šestnáctibitové vzorky (samply) s maximální vzorkovací frekvencí 44,1 kHz, samozřejmostí je taktéž podpora stereo výstupu. Pro nahrávání, tj. digitalizaci zvuků, lze použít šestnáctibitový A/D převodník se shodnou maximální vzorkovací frekvencí, tj. oněch zmíněných 44,1 kHz (CD kvalita). Zajímavá je podpora současného přehrávání a nahrávání zvuků, podobně jako u zvukových karet Gravis UltraSound Plug&Play. Vzhledem k tomu, že se čip ESS 1868 používal na kartách určených pro sběrnici ISA, je podporován přímý přístup do paměti neboli DMA. Kromě toho lze ke zvukovým kartám většinou připojit také zařízení (General) MIDI, podobně jako k již zmíněným Sound Blasterům, protože karty s čipem ESS 1868 bývaly vybaveny příslušným sériovým rozhraním (UART).

Obrázek 6: Zvuková karta s čipem ESS 1868 vyráběná firmou Compaq. Povšimněte si, že se sice jedná o kartu určenou pro sběrnici ISA, ovšem na konci karty (na obrázku vlevo) se navíc nachází další malý konektor specifický pro počítače Compaq. Tato karta má jen velmi skrovné vybavení – čip ESS, rozhraní pro ISA sběrnici a zesilovač; chybí dokonce i gameport.

Mnoho karet bylo také vybaveno konektorem pro připojení modulu umožňujícího wavetable syntézu, ovšem například na kartě zobrazené na šestém obrázku není tento konektor na plošný spoj napájen (nicméně samotný čip ESS 1868 je podporou pro tento modul vybaven). Poslední vlastností čipu ESS 1868, o které se zmíníme, je podpora Plug and Play i pro ISA karty; ovšem vzhledem k možným kolizím s některými dalšími zařízeními bylo možné Plug and Play zakázat (většinou jumperem přímo na kartě). V následující tabulce jsou vypsány ty čipy ESS, se kterými se můžeme nejčastěji u zvukových karet setkat. Tyto čipy byly použity jak u zvukových karet pro ISA sběrnici, tak i u novějších PCI karet:

Obrázek 7: Zvuková karta s čipem ESS 1868F vyráběná pro změnu firmou Intel. Tato karta má sice menší plošný spoj než karta na předchozím obrázku, ale gameport zde je nainstalován. Podobných zvukových karet s čipem ESS existuje velké množství, jak od známých, tak i neznačkových výrobců.

Firma ESS vyráběla i další zvukové čipy, jak pro karty určené pro ISA sběrnici, tak i pro sběrnici PCI. Mnoho zvukových karet bylo například vybaveno čipem ES1948F, známého též pod svým označením Maestro-1 (viz osmý a devátý obrázek). Tyto čipy se většinou používaly již v novějších PCI kartách, protože byly vybaveny i PCI řadičem s podporou busmaster přenosu. Nástupcem tohoto čipu je čip Maestro-3 použitý například na zvukové kartě se složitým názvem ESS Maestro 3 PCI Audio.

Obrázek 8: Čip ES1948F neboli Maestro-1.

Obrázek 9: Zvuková karta s čipem Maestro-1, která je určena pro sběrnici ISA.

4. Zvukové karty firmy Ensoniq

Další firma, která se nesmazatelně zapsala do historie zvukových karet, se jmenovala Ensoniq. Tuto firmu založili již v roce 1982 Robert Yannes, Bruce Crockett a Al Charpentier. Především jméno Roberta Yannese se stalo známým, protože se jedná o návrháře slavného zvukového čipu SID použitého jak v počítačích Commodore C64, tak i později v syntetizéru SID Station. V oblasti hudebních syntetizérů se firma Ensoniq proslavila především osmihlasým digitálně-analogovým syntetizérem Ensoniq ESQ-1, který se stal mezi hudebníky poměrně populární, i přes ovládání, které se poněkud odlišovalo od čistě analogových syntetizérů. Princip zpracování zvuku se nápadně podobal principu použitému už ve slavném čipu SID – na začátku se nacházel digitální oscilátor, generátor základního průběhu, obvod pro tvarování signálu pomocí obálky a až na samém konci celého řetězce byly zařazeny analogové filtry. Kromě vývoje hudebních syntetizérů se firma zabývala i produkcí zvukových karet, které se staly oblíbené především kvůli kvalitnímu zvuku. Tři typické zástupce těchto karet si popíšeme v následujících kapitolách.

5. Ensoniq Soundscape S-2000

První zvuková karta určená pro osobní počítače kompatibilní s IBM PC, kterou firma Ensoniq s relativně velkým úspěchem vyráběla, se jmenovala Ensoniq Soundscape S-2000. Tato karta byla uvedena na trh v roce 1994, tj. zhruba ve stejném čase, jako například předminule popsaný Sound Blaster AWE 32. Jednalo se o zvukovou kartu určenou pro šestnáctibitovou sběrnici ISA, která mj. obsahovala čip nazývaný OTTO, mikroprocesor Motorola 68EC000 (jedná se o cenově příznivější variantu slavného mikroprocesoru Motorola 68000 s reduko­vanou šířkou externích sběrnic, jehož jádro bylo později použito například u mikroprocesorů DragonBall), paměť ROM s kapacitou 2MB, jenž obsahovala vzorky hudebních nástrojů a kvalitní digitálně-analogový převodník od známé americké firmy Analog Devices, Inc., která se dodnes zabývá například vývojem digitálních signálových procesorů (DSP) či kvalitních digitálně–analogových a analogově–digitálních převodníků. Velmi důležitým obvodem na zvukové kartě Soundscape S-2000 byl právě čip OTTO, který podporoval 32hlasou polyfonii. Tento čip obsahující cca 80000 tranzistorů (což je více, než měly některé starší šestnáctibitové mikroprocesory) dokázal u každého hlasu měnit jeho výšku pomocí interpolace (převzorkování), upravovat hlasitost a v neposlední řadě též nastavovat parametry digitálních filtrů.

Navíc bylo možné, podobně jako u minule popsané zvukové karty Gravis UltraSound, pro každý zvukový kanál povolit přehrávání ve smyčce, popř. obousměrné smyčce – zvuk se v tomto případě nejprve přehraje „přímo“ a posléze dojde k jeho přehrání s převráceným pořadím vzorků. Veškeré výpočty nad zvukovými vzorky (samply) probíhaly s rozsahem minimálně osmnácti bitů, přičemž konkrétně digitální filtrace byla počítána s větším počtem bitů, aby byl zaručen bitový rozsah jak na vstupu filtru, tak i na jeho výstupu. Použití většího bitového rozsahu je při výpočtech (tj. zpracování signálu) velmi důležitý, i když se na vstupu většinou používají vzorky s rozsahem 16 bitů, neboť prakticky každá operace se signálem, například i pouhý součet dvou vzorků (efekty typu echo či reverb) může vyvolat přetečení z 16 bitů na bitů 17; v případě násobení může být požadovaný počet bitů na uložení výsledku této operace ještě větší (i z tohoto důvodu mají mnohé digitální signálové procesory počet bitů akumulátoru větší než by odpovídalo šířce jejich datové sběrnice). Čip OTTO taktéž podporoval plynulý panning, tj. změnu pozice zvuku mezi levým a pravým reproduktorem.

Mikroprocesor Motorola 68EC000 se na zvukové kartě Ensoniq Soundscape S-2000 používal především pro řízení MIDI a v neposlední řadě též pro emulaci chování zvukové karty Sound Blaster. Mikroprocesor byl doplněn o paměť RAM, do které bylo možné pomocí ovládací aplikace nahrát různé programy a tím do značné míry ovlivnit chování karty (tato paměť se tedy nepoužívala pro uložení zvukových vzorků, na to by její kapacita nebyla dostatečná). Vzhledem k tomu, že emulace Sound Blasterů mohla být prováděna samotnou zvukovou kartou, bylo možné prakticky odstranit nutnost složité programové emulace, která způsobovala problémy například u minule popsaných karet GUS (už jen z toho důvodu, že emulační program musel být rezidentně uložen v operační – konvenční – paměti DOSu). V pozdějších dobách mohla firma Ensoniq nabídnout i zpětnou kompatibilitu mezi svými zvukovými kartami určenými pro sběrnici PCI se staršími kartami určenými pro sběrnici ISA. Traduje se, že právě z tohoto důvodu byla firma Ensoniq nakonec koupena (jak se ostatně stává v oboru IT zvykem) svým největším konkurentem – firmou Creative Labs – jednalo se především o patenty, samotná emulace ISA karet není příliš složitá.

6. Ensoniq Soundscape Elite

Tato karta je – alespoň co se týče základní architektury – v mnoha ohledech podobná výše popsané kartě Ensoniq Soundscape S-2000, obsahuje dokonce i stejné čipy pro zvukovou syntézu. I na této kartě je nainstalována paměť ROM o kapacitě 2 MB, ve které jsou uloženy vzorky hudebních nástrojů, ovšem obsah této paměti byl revidován a některé zvuky byly upraveny a vylepšeny. Navíc se na kartě nachází digitální signálový procesor (DSP), nazývaný též Ensoniq Signal Processor (ESP). Tento čip byl určen pro vytváření různých zvukových efektů v přehrávané hudbě. Princip práce ESP byl poměrně jednoduchý – zvukové vzorky uložené v paměti ROM byly nejprve přesamplovány na takovou frekvenci, aby se přehrál vybraný tón, posléze byl takto vypočtený signál ovlivněn obálkou (ASR) a na konci celého řetězce se nacházel ESP, který pomocí konvolučních filtrů vytvářet efekty typu chorus či reverb. Podobný procesor firma Ensoniq používala i ve svých zvukových syntetizérech, takže mohla využít již odladěné konfigurace digitálních filtrů.

7. Ensoniq AudioPCI

Jedná se o poslední zvukovou kartu vyráběnou samotnou firmou Ensoniq, protože všechny další karty – i když některé z nich nesly jméno nebo logo Ensoniq – již byly vyráběny firmou Creative Labs, která původní Ensoniq a především jejich patenty koupila (nejdů­ležitější byl pravděpodobně patent popisující emulaci ISA karet, o němž jsme se zmínili v páté kapitole). Na rozdíl od svých poměrně rozměrných předchůdců s velkým počtem čipů a kvalitním zvukem je AudioPCI zaměřena spíše na běžné uživatele, pro něž je do velké míry určující cena zvukové karty. Kvalita zvuku je však stále dobrá; vzorkovací frekvence dosahuje 48 kHz pro šestnáctibitové samply a i odstup signálu od šumu je (podle měření) na úrovni lepších zvukových karet. Z ekonomických důvodů je u AudioPCI počet čipů na zvukové kartě (a tím i celková cena) velmi omezen – v podstatě se jedná o jediný čip zajišťující jak přenos dat po PCI sběrnici, tak i interpolaci vzorků a výsledné mixování před odesláním vzorků na D/A převodník.

Obrázek 10: Zvuková karta Ensoniq AudioPCI s čipem ES 1370.

Karta Ensoniq AudioPCI obsahuje jednoduchý mikroprocesor zkombinovaný s vlastním zvukovým čipem provádějícím resampling i mixování zvuků s podporou až čtyř reproduktorů (jedná se o čip S5016, ES 1370, popř. ES 1371) a poměrně kvalitní digitálně-analogový převodník. Již zcela chybí paměť RAM či ROM pro uložení vzorků hudebních nástrojů, protože s přechodem na sběrnici PCI již nedocházelo k přílišnému zatížení mikroprocesoru při přenosu dat (PCI sběrnice kromě řádově vyšší přenosové rychlosti podporuje busmastering, což jsme si již ostatně v tomto seriálu v příslušné části poměrně podrobně popsali). Architektura této zvukové karty i její čipy byly později použity i u dalších zvukových karet, ať už se jednalo o různé OEM verze (veskrze neznačkové) nebo o zvukové firmy vyráběné novým vlastníkem – firmou Creative Labs. Pro uživatele Linuxu se jedná o bezproblémovou kartu, především čipy ES 1370 a ES 1371 jsou podporovány již delší dobu, takže – i vzhledem k relativně dobrému zvuku – je tato karta či její následníci stále (na počítačích vybavených PCI sběrnicí) oblíbená.

8. Literatura a odkazy na Internetu

1. Mark Dixon:
   The Offical Gravis Ultrasound Programmers Encyclopedia
2. ESS Technology
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/ES­S_Technology
3. Gravis UltraSound Plug and Play:
   http://www.min­dflux.com.au/pro­ducts/gravis/gus­pnp.html
4. Gravis UltraSound SDK:
   ftp://ftp.gra­vis.com/Public/Sdk/
5. Gravis Ultrasound:
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Gra­vis_Ultrasound
6. Legenda Gravis UltraSound:
   http://www.gra­visultrasound­.net/
7. … a retrospective view on sound card history:
   http://crossfire-designs.de/in­dex.php?lang=en&what=ar­ticles&name=sho­warticle.htm&ar­ticle=soundcar­ds&print=true
8. Gravis Ultrasound frequency response:
   http://www.epa­norama.net/do­cuments/soundcar­dtest/gus_clas­sic.html
9. Ensoniq ESQ-1
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_ESQ-1
10. Ensoniq Soundscape S-2000
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_Soundsca­pe_S-2000
11. Ensoniq Soundscape Elite
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_Soundsca­pe_Elite
12. Ensoniq AudioPCI
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_AudioPCI
13. Ensoniq:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq
14. Ensoniq Corporation:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_Corpora­tion
15. Ensoniq ES-5506 OTTO
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/En­soniq_ES-5506_OTTO
16. Ensoniq FAQ (historická stránka):
    http://web.ar­chive.org/web/199706­07104214/www.en­soniq.com/html/mm-pi.htm
17. Ensoniq (historická stránka):
    http://web.ar­chive.org/web/199710­09055157/www.en­soniq.com/
18. Ensoniq:
    http://www.syn­thmuseum.com/en­soniq/index.html
19. Ensoniq VFX-SD:
    http://www.syn­thmuseum.com/en­soniq/ensvfx01­.html
20. Analog Devices, Inc.
    http://www.ana­log.com/en/in­dex.html
21. Analog Devices
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/A­nalog_Devices
22. Turtle Beach Systems:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Tur­tle_Beach_Sys­tems
23. Timeline: History of the Synthesizer:
    http://www.syn­thmuseum.com/ma­gazine/time0010­.html