feat(audio): add APU register stub and channel mixdown
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d279269c29
commit
9937a7c3d8
1 file changed
+315
@@ -0,0 +1,315 @@
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using System;
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using System.IO;
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namespace GameBoy.Audio
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{
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public sealed class Apu
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{
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public const int SampleRate = 44100;
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private const int CpuClock = 4194304;
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private const int FrameSequencerPeriod = 8192;
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private const int RingFrames = SampleRate * 2;
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private static readonly byte[] ReadMask =
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{
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0x80, 0x3F, 0x00, 0xFF, 0xBF,
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0xFF, 0x3F, 0x00, 0xFF, 0xBF,
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0x7F, 0xFF, 0x9F, 0xFF, 0xBF,
|
||||||
|
0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0xBF,
|
||||||
|
0x00, 0x00, 0x70, 0xFF, 0xFF,
|
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0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF,
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0xFF, 0xFF
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};
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private readonly byte[] waveRam = new byte[0x10];
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private readonly SquareChannel ch1 = new SquareChannel(true);
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private readonly SquareChannel ch2 = new SquareChannel(false);
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private readonly WaveChannel ch3;
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private readonly NoiseChannel ch4 = new NoiseChannel();
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private bool powered = true;
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private int frameStep;
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private int frameCounter;
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private int sampleAccumulator;
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private byte nr50;
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private byte nr51;
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private readonly float[] ring = new float[RingFrames * 2];
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private int writePos;
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private int readPos;
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private int frameCount;
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public Apu()
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{
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ch3 = new WaveChannel(waveRam);
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}
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public int AvailableSamples => frameCount;
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public void Step(int cycles)
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{
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if (powered)
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{
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ch1.Step(cycles);
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ch2.Step(cycles);
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ch3.Step(cycles);
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ch4.Step(cycles);
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frameCounter += cycles;
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while (frameCounter >= FrameSequencerPeriod)
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{
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frameCounter -= FrameSequencerPeriod;
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ClockFrameSequencer();
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}
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}
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sampleAccumulator += cycles * SampleRate;
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while (sampleAccumulator >= CpuClock)
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{
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sampleAccumulator -= CpuClock;
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EmitSample();
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}
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}
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private void ClockFrameSequencer()
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{
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switch (frameStep)
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{
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case 0:
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ClockLengths();
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break;
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case 2:
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ClockLengths();
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|
ch1.ClockSweep();
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|
break;
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case 4:
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|
ClockLengths();
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|
break;
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case 6:
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|
ClockLengths();
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|
ch1.ClockSweep();
|
||||||
|
break;
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|
case 7:
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|
ch1.ClockEnvelope();
|
||||||
|
ch2.ClockEnvelope();
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|
ch4.ClockEnvelope();
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|
break;
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|
}
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|
frameStep = (frameStep + 1) & 7;
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}
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private void ClockLengths()
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{
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ch1.ClockLength();
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|
ch2.ClockLength();
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|
ch3.ClockLength();
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|
ch4.ClockLength();
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|
}
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private void EmitSample()
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{
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float o1 = ch1.Analog();
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float o2 = ch2.Analog();
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|
float o3 = ch3.Analog();
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|
float o4 = ch4.Analog();
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float left = 0f;
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float right = 0f;
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if ((nr51 & 0x10) != 0) left += o1;
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|
if ((nr51 & 0x20) != 0) left += o2;
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||||||
|
if ((nr51 & 0x40) != 0) left += o3;
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||||||
|
if ((nr51 & 0x80) != 0) left += o4;
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|
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||||||
|
if ((nr51 & 0x01) != 0) right += o1;
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||||||
|
if ((nr51 & 0x02) != 0) right += o2;
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||||||
|
if ((nr51 & 0x04) != 0) right += o3;
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||||||
|
if ((nr51 & 0x08) != 0) right += o4;
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|
int leftVolume = (nr50 >> 4) & 0x07;
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|
int rightVolume = nr50 & 0x07;
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left = left / 4f * ((leftVolume + 1) / 8f);
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right = right / 4f * ((rightVolume + 1) / 8f);
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PushSample(left, right);
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}
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private void PushSample(float left, float right)
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{
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ring[writePos * 2] = left;
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|
ring[writePos * 2 + 1] = right;
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writePos = (writePos + 1) % RingFrames;
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if (frameCount == RingFrames)
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readPos = (readPos + 1) % RingFrames;
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|
else
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frameCount++;
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}
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public int ReadSamples(float[] destination)
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{
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int frames = Math.Min(frameCount, destination.Length / 2);
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for (int i = 0; i < frames; i++)
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|
{
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|
destination[i * 2] = ring[readPos * 2];
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|
destination[i * 2 + 1] = ring[readPos * 2 + 1];
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|
readPos = (readPos + 1) % RingFrames;
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|
}
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frameCount -= frames;
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return frames;
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}
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public void ClearSamples()
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{
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readPos = writePos;
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frameCount = 0;
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}
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public byte Read(ushort address)
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{
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if (address >= 0xFF30 && address <= 0xFF3F)
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return waveRam[address - 0xFF30];
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||||||
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if (address == 0xFF26)
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return Nr52();
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byte raw = RawRegister(address);
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int index = address - 0xFF10;
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byte mask = index >= 0 && index < ReadMask.Length ? ReadMask[index] : (byte)0xFF;
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return (byte)(raw | mask);
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}
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public void Write(ushort address, byte value)
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{
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|
if (address >= 0xFF30 && address <= 0xFF3F)
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|
{
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|
waveRam[address - 0xFF30] = value;
|
||||||
|
return;
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|
}
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|
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|
if (address == 0xFF26)
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|
{
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|
WriteNr52(value);
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||||||
|
return;
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|
}
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|
if (!powered)
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|
return;
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||||||
|
|
||||||
|
switch (address)
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|
{
|
||||||
|
case 0xFF10: ch1.Write(0, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF11: ch1.Write(1, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF12: ch1.Write(2, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF13: ch1.Write(3, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF14: ch1.Write(4, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF16: ch2.Write(1, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF17: ch2.Write(2, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF18: ch2.Write(3, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF19: ch2.Write(4, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF1A: ch3.Write(0, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF1B: ch3.Write(1, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF1C: ch3.Write(2, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF1D: ch3.Write(3, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF1E: ch3.Write(4, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF20: ch4.Write(1, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF21: ch4.Write(2, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF22: ch4.Write(3, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF23: ch4.Write(4, value); break;
|
||||||
|
case 0xFF24: nr50 = value; break;
|
||||||
|
case 0xFF25: nr51 = value; break;
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|
}
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|
}
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private byte RawRegister(ushort address)
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{
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|
switch (address)
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|
{
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|
case 0xFF10: return ch1.Read(0);
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||||||
|
case 0xFF11: return ch1.Read(1);
|
||||||
|
case 0xFF12: return ch1.Read(2);
|
||||||
|
case 0xFF13: return ch1.Read(3);
|
||||||
|
case 0xFF14: return ch1.Read(4);
|
||||||
|
case 0xFF16: return ch2.Read(1);
|
||||||
|
case 0xFF17: return ch2.Read(2);
|
||||||
|
case 0xFF18: return ch2.Read(3);
|
||||||
|
case 0xFF19: return ch2.Read(4);
|
||||||
|
case 0xFF1A: return ch3.Read(0);
|
||||||
|
case 0xFF1B: return ch3.Read(1);
|
||||||
|
case 0xFF1C: return ch3.Read(2);
|
||||||
|
case 0xFF1D: return ch3.Read(3);
|
||||||
|
case 0xFF1E: return ch3.Read(4);
|
||||||
|
case 0xFF20: return ch4.Read(1);
|
||||||
|
case 0xFF21: return ch4.Read(2);
|
||||||
|
case 0xFF22: return ch4.Read(3);
|
||||||
|
case 0xFF23: return ch4.Read(4);
|
||||||
|
case 0xFF24: return nr50;
|
||||||
|
case 0xFF25: return nr51;
|
||||||
|
default: return 0x00;
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|
}
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|
}
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private byte Nr52()
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{
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|
byte value = (byte)((powered ? 0x80 : 0x00) | 0x70);
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|
if (ch1.Enabled) value |= 0x01;
|
||||||
|
if (ch2.Enabled) value |= 0x02;
|
||||||
|
if (ch3.Enabled) value |= 0x04;
|
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|
if (ch4.Enabled) value |= 0x08;
|
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|
return value;
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|
}
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private void WriteNr52(byte value)
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{
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bool on = (value & 0x80) != 0;
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|
if (!on)
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|
{
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|
ch1.PowerOff();
|
||||||
|
ch2.PowerOff();
|
||||||
|
ch3.PowerOff();
|
||||||
|
ch4.PowerOff();
|
||||||
|
nr50 = 0;
|
||||||
|
nr51 = 0;
|
||||||
|
frameStep = 0;
|
||||||
|
frameCounter = 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
else if (!powered)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
frameStep = 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
powered = on;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
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|
public void SaveState(BinaryWriter w)
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|
{
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||||||
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w.Write(powered);
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|
w.Write(frameStep);
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||||||
|
w.Write(frameCounter);
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||||||
|
w.Write(sampleAccumulator);
|
||||||
|
w.Write(nr50);
|
||||||
|
w.Write(nr51);
|
||||||
|
w.Write(waveRam);
|
||||||
|
ch1.SaveState(w);
|
||||||
|
ch2.SaveState(w);
|
||||||
|
ch3.SaveState(w);
|
||||||
|
ch4.SaveState(w);
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
public void LoadState(BinaryReader r)
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||||||
|
{
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|
powered = r.ReadBoolean();
|
||||||
|
frameStep = r.ReadInt32();
|
||||||
|
frameCounter = r.ReadInt32();
|
||||||
|
sampleAccumulator = r.ReadInt32();
|
||||||
|
nr50 = r.ReadByte();
|
||||||
|
nr51 = r.ReadByte();
|
||||||
|
Array.Copy(r.ReadBytes(waveRam.Length), waveRam, waveRam.Length);
|
||||||
|
ch1.LoadState(r);
|
||||||
|
ch2.LoadState(r);
|
||||||
|
ch3.LoadState(r);
|
||||||
|
ch4.LoadState(r);
|
||||||
|
ClearSamples();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
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