FAQ: Описание интерфейса MIDI

Евгений Музыченко

Что такое MIDI?

Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов. Создан в 1983 году ведущими производителями электронных музыкальных инструментов - Yamaha, Roland, Korg, E-mu и др. Изначально был предназначен для замены принятого в то время управления музыкальными инструментами при помощи аналоговых сигналов управлением при помощи информационных сообщений, передаваемых по цифровому интерфейсу. Впоследствии стал стандартом де-факто в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза.

MIDI представляет собой так называемый событийно-ориентированный протокол связи между инструментами. Всякий раз, когда исполнитель производит какое-либо воздействие на органы управления (нажатие/отпускание клавиш, педалей, изменение положений регуляторов и т.п., инструмент формирует соответствующее MIDI-сообщение, в тот же момент посылаемое по интерфейсу. Другие инструменты, получая сообщения, отрабатывают их так же, как и при воздействии на их собственные органы управления. Таким образом, поток MIDI-сообщений представляет собой как бы слепок с действий исполнителя, сохраняя присущий ему стиль исполнения - динамику, технические приемы и т.п. При записи на устройства хранения информации MIDI-сообщения снабжаются временнЫми метками, образуя своеобразный способ представления партитуры. При воспроизведении по этим меткам полностью и однозначно восстанавливается исходный MIDI-поток.

Cпецификация MIDI состоит из аппаратной спецификации самого интерфейса и спецификации формата данных, или протокола - описания системы передаваемых сообщений. Соответственно, различается аппаратный MIDI-интерфейс и формат MIDI-данных (так называемая MIDI-партитура); интерфейс используется для физического соединения источника и приемника сообщений, формат данных - для создания, хранения и передачи MIDI-сообщений. В настоящее время эти понятия стали самостоятельными и обычно используются отдельно друг от друга - по MIDI-интерфейсу могут передаваться данные любого другого формата, а MIDI-формат может использоваться только для обработки партитур, без вывода на устройство синтеза.

Какова аппаратная спецификация MIDI?

Интерфейс - старт-стопный последовательный "токовая петля" (активный передатчик, 5 мА, токовая посылка - 0, бестоковая - 1), скоростью передачи 31250 +/-1% бит/с и протоколом 8-N-1 (один стартовый бит, 8 битов данных, один бит стопа, без четности). Передатчики и приемники должны обеспечивать длительность фронтов менее 2 мкс.

Каждый инструмент имеет три соединительных разъема: In (вход), Out (выход) и Thru (копия сигнала с In через буфер). Все разъемы - типа female DIN-5 (СГ-5), вид с наружной стороны (стороны соединения):


      2
 4    o   5
   o     o
1 o       o 3

Контакты 4 и 5 - сигнальные, контакт 2 - экран. Соединение экрана с корпусом желательно только со стороны выхода (Out и Thru). Полярность сигналов дается относительно источника тока: контакт 4 - плюс (ток вытекает из вывода), контакт 5 - минус (ток втекает в вывод). Таким образом, для разъемов Out и Thru назначение то же, для разъема In - обратное.

Для соединения используется двужильный экранированный кабель длиной до 50 футов (около 15 м). Экран необходим только для защиты от излучаемых помех - кабель практически нечувствителен к наводкам извне. Соединение разъемов на двух концах кабеля - прямое (2-2, 4-4, 5-5).

Один MIDI-передатчик допускает подключение до четырех приемников.

Описанная схема позволяет создавать сеть MIDI-устройств, подключая их по цепочке и нескольким направлениям:



+-----------+          +-----------+          +-----------+
¦1     Thru ¦          ¦2     Thru +-----+    ¦3     Thru ¦
¦ In        ¦     +----+ In        ¦     +----+ In        ¦
¦       Out +-----+    ¦       Out +-+        ¦       Out ¦
+-----------+          +-----------+ ¦        +-----------+
                     +---------------+
                     ¦ +-----------+          +-----------+
                     ¦ ¦4     Thru +-----+    ¦5     Thru ¦
                     +-+ In        ¦     +----+ In        ¦
                       ¦       Out ¦          ¦       Out ¦
                       +-----------+          +-----------+

В этой схеме устройство 1 служит источником сообщений, которые получает устройство 2 и через его ретранслятор - устройство 3. Устройство 4 получает сообщения, посылаемые устройством 2 (они могут как включать, так и не включать получаемые самим устройством 2) и ретранслирует их на вход устройства 5.

Какая спецификация формата данных MIDI?

MIDI-данные представляют собой сообщения, или события (events), каждое из которых является командой для музыкального инструмента. Стандарт предусматривает 16 независимых и равноправных логических каналов, внутри каждого из которых действуют свои режимы работы; изначально это было предназначено для однотембровых инструментов, способных в каждый момент времени воспроизводить звук только одного тембра - каждому инструменту присваивался свой номер канала, что давало возможность многотембрового исполнения. С появлением многотембровых (multi-timbral) инструментов они стали поддерживать несколько каналов (современные инструменты поддерживают все 16 каналов и могут иметь более одного MIDI-интерфейса), поэтому сейчас каждому каналу обычно назначается свой тембр, называемый по традиции инструментом, хотя возможна комбинация нескольких тембров в одном канале. Канал 10 по традиции используется для ударных инструментов - различные ноты в нем соответствуют различным ударным звукам фиксированной высоты; остальные каналы используются для мелодических инструментов, когда различные ноты, как обычно, соответствуют различной высоте тона одного и того же инструмента.

Поскольку MIDI-сообщения представляют собой поток данных в реальном времени, их кодировка разработана для облегчения синхронизации в случае потери соединения. Для этого первый байт каждого сообщения, называемый также байтом состояния (status byte), содержит "1" в старшем разряде, а все остальные байты содержат в нем "0" и называются байтами данных (data bytes). Если после получения всех байтов данных последнего сообщения на вход приемника поступает байт, не содержащий "1" в старшем разряде - это трактуется как повторение информационной части сообщения (подразумевается такой же первый байт). Такой метод передачи носит название "Running Status" и широко используется для уменьшения объема передаваемых данных - например, передается один байт команды "Controller Change" с нужным номером канала, а затем - серия байтов данных с номерами и значениями контроллеров для этого канала.

Какие бывают виды MIDI-сообщений?

MIDI- сообщения делятся на канальные - относящиеся к конкретному каналу, и системные - относящиеся к системе в целом. Кодировка MIDI-сообщений (шестнадцатеричная, n в первом байте обозначает номер канала):

Канальные сообщения:


Системные сообщения:


Описание канальных сообщений:

Note On (nn - номер ноты, vv - скорость (velocity) нажатия)
Note Off (nn - номер ноты, vv - скорость отпускания)

Cообщает о включении/выключении звучания ноты. MIDI-клавиатура генерирует эти сообщения при нажатии/отпускании клавиш, MIDI-синтезатор запускает или останавливает работу соответствующего генератора звука.

Номер ноты задается абсолютным номером полутона в диапазоне 0..127, при этом центральной фортепианной клавише - ноте "До" первой октавы - соответствует десятичный номер 60 (в MIDI принята нумерация октав с нуля, поэтому она обозначается как C-5).

Скорость нажатия/отпускания задается числом в диапазоне 0..127, отражающим скорость перемещения клавиши (обычно используется логарифмическая шкала). Скорость нажатия косвенно отражает силу удара по клавише. Чувствительная к скорости нажатия (динамическая) клавиатура выдает реальные значения, нечувствительная должна выдавать десятичные значения 64. Значение 0 в сообщении Note On полностью эквивалентно сообщению Note Off для этой же клавиши - это позволяет при передаче только нажатий и отпусканий использовать режим Running Status.

Простые синтезаторы используют скорость нажатия для управления громкостью извлекаемого звука, более сложные - также для управления фильтрами (более громким звукам соответствует более звонкое звучание) либо выбора разных самплов, пропорции смешивания нескольких самплов, и т.п.

При поступлении повторного сообщения Note On для уже нажатой ноты различные инструменты ведут себя по-разному: одни автоматически отрабатывают перед этим Note Off, прекращая звучание "зависшей" ноты; другие запускают отдельный генератор, оставляя зависшую ноту звучать. Звучание зависшей ноты в этом случае может быть прекращено только командами All Sounds Off или Reset.

Channel Pressure (pp - величина давления)
Key Pressure (nn - номер ноты, pp - величина давления)

Cообщает об изменении силы давления (After Touch - после прикосновения (нажатия)) на всю клавиатуру или отдельную клавишу. Наиболее простые клавиатуры не имеют датчика давления; клавиатуры средней сложности имеют общий датчик для всех клавиш, посылая сообщения Channel Pressure по результатам усреднения давления на все нажатые клавиши; наиболее сложные клавиатуры имеют отдельные датчики для каждой клавиши, посылая изменения в состоянии каждого датчика.

Поведение синтезатора в ответ на эти сообщения стандартом не определено. Обычно синтезаторы с поддержкой Aftertouch имеют команды для привязки сообщений к выбранным параметрам синтеза (громкости, модуляции, фильтрам, эффектам и т.п.).

Control Change (cc - номер, vv - значение контроллера)

Сообщает об изменении состояния органов управления (контроллеров). MIDI-контроллеры делятся на непрерывные (continuous) - рукоятки, движки, имеющие диапазон непрерывного изменения, и переключатели (switches) - педали, кнопки, тумблеры, имеющие два дискретных состояния (On/Off - включено/выключено). Значения 0..63 означают выключенное состояние переключателя, значения 64..127 - включенное.

Основным стандартом (MIDI level 1) принята следующая нумерация контроллеров:

0..31    - старшие байты значений непрерывных контроллеров 0..31
32..63   - младшие байты значений непрерывных контроллеров 0..31
64..95   - переключатели
96..121  - резерв
120..127 - специальные канальные сообщения

На самом деле практически никто не следует предложенной схеме распределения, за исключением контроллеров 120..127 (специальные канальные сообщения), которые везде имеют одинаковое значение.

Стандартом MIDI рекомендована следующая нумерация контроллеров:

  0 - Bank Select MSB (выбор банка, старший байт)
  1 - Modulation (глубина частотной модуляции)
  2 - Breath Control (данные с духового контроллера)
  4 - Foot Pedal (данные с ножной педали)
  5 - Portamento Time (время скольжения от ноты к ноте)
  6 - Data Entry MSB (ввод данных, старший байт)
  7 - Main Volume (громкость всех звуков в канале)
  8 - Balance (баланс)
 10 - Pan (панорама - положение инструмента на стерепанораме)
 11 - Expression (экспрессивность, выразительность звука)
 16 - AC1 (Assignable Controller - назначаемый контроллер)
 17 - AC2
 18 - AC3
 19 - AC4
 32 - Bank Select LSB (выбор банка, младший байт)
 38 - Data Entry LSB (ввод данных, младший байт)
 64 - Sustain Pedal, Hold1 (удержание звучания всех отпущенных нот)
 65 - Portamento (включение/выключение режима портаменто)
 66 - Sostenuto Pedal (удержание звучания отдельных нот (аккорда))
 67 - Soft Pedal (приглушение звука)
 80 - AC5
 81 - AC6
 82 - AC7
 83 - AC8
 91 - External Effects Depth (глубина внешних эффектов)
 92 - Tremelo Depth (глубина тремоло - амплитудного вибрато)
 93 - Chorus Depth (глубина хорового эффекта)
 94 - Detune Depth (глубина расстройки)
 95 - Phaser Depth (глубина эффекта фейзера)
 96 - Data Increment (увеличение значения)
 97 - Data Decrement (уменьшение значения)
 98 - NRPN LSB (номер незарегистрированного параметра, младший байт)
 99 - NRPN MSB (номер незарегистрированного параметра, старший байт)
100 - RPN LSB (номер зарегистрированного параметра, младший байт)
101 - RPN MSB (номер зарегистрированного параметра, старший байт)

Поддержка устройством конкретных видов контроллеров определяется спецификацией устройства или стандарта, в рамках которого оно разработано.

Обычно, когда непрерывный контроллер используется для плавного управления каким-либо параметром звука, этот параметр пропорционально зависит от значения контроллера. Используются два основных способа управления параметрами звука: абсолютный и относительный. При абсолютном способе параметр полностью зависит от установленного значения контроллера; при относительном способе имеется некоторое стандартное значение параметра, соответствующее "нейтральному" значению контроллера - 64. Изменение значений контроллера вверх или вниз пропорционально изменяет значение выбранного параметра относительно стандартного значения, которое, вообще говоря, может быть различным для разных режимов, тембров и т.п. Для глобальных параметров, таких, как громкость или панорама в канале, используется абсолютный способ управления; для локальных - глубина реверберации, частота среза фильтра и т.п. - относительный, хотя интерпретация различными инструментами может не совпадать.

Специальные канальные сообщения

Задаются контроллерами 120..127 и управляют обработкой сообщений в каналах:

120      -  All Sounds Off
121      -  Reset All Controllers
122 vv   -  Local Control
123      -  All Notes Off
124      -  Omni Off
125      -  Omni On
126 nn   -  Mono
127      -  Poly

Многие устройства требуют, чтобы неиспользуемые значения контроллеров были нулевыми.

Сообщение All Notes Off имитирует выключение всех включенных нот и полностью эквивалентно посылке сообщения Note Off для каждой звучащей ноты; будет ли при этом прекращено звучание ноты - зависит от состояния режимов Sustain и Sostenuto. Сообщение All Sounds Off действует так же, но не зависит от режимов Sustain/Sostenuto; кроме того, оно немедленно прекращает звучание всех нот, находящихся в стадии концевого затухания (Release). Состояние самих режимов Sustain/Sostenuto эти сообщения не затрагивают.

Сообщение Reset All Controllers устанавливает все контроллеры в значения по умолчанию, и используется для начальной установки устройства перед проигрыванием партитуры.

Сообщение Local Control служит для запрета/разрешения управления устройством с локальной панели. Нулевое значение параметра запрещает управление с панели (устройство управляется только по MIDI), значение 127 разрешает его.

Сообщения Omni On/Off служат для включения/выключения режима Omni - реакции устройства на канальные сообщения. При включенном режиме Omni устройство обрабатывает сообщения для всех каналов, при отключенном - только сообщения для выбранного канала (Basic Channel). Это позволяет разделить устройства между каналами. Канал назначается устройству либо с его панели управления, либо при помощи сообщений SysEx. Режим Omni имеет смысл в основном для старых инструментов, имеющих один MIDI-канал и не поддерживающих разделение тембров.

Сообщения Mono/Poly служат для переключения одноголосного и многоголосного (полифонического) режимов. В одноголосном режиме в каждый момент времени может звучать только одна нота; включение новой ноты приводит к принудительному отключению предыдущей. В полифоническом режиме включение каждой новой ноты запускает очередной свободный генератор, а при исчерпании генераторов новые ноты либо игнорируются, либо приводят к принудительному выключению наиболее "старых" нот.

Значение nn в сообщении Mono воспринимается некоторыми устройствами, как количество MIDI-каналов, по которым, начиная с Basic Channel, распределяются ноты в одноголосном режиме при выключенном режиме Omni. Смысл этой группы каналов различен для передающих и принимающих устройств. Передающее устройство направляет первую ноту в Basic Channel, следующую за ней - в Basic Channel + 1, и так далее, затем очередная нота снова направляется в Basic Channel, и цикл повторяется. Приемное устройство воспринимает канальные сообщения только внутри заданной группы каналов, каждый из которых работает в одноголосном режиме. Такой прием позволяет реализовать многоголосное исполнение на синтезаторах, имеющих жесткую привязку голосов (генераторов) к MIDI-каналам.

Контроллеры Omni, Mono и Poly вызывают также отработку контроллера All Sounds Off.

От различных сочетаний режимов Omni, Poly и Mono происходят четыре основных режиме работы (mode) MIDI-устройств:

1 - Omni On, Poly
2 - Omni On, Mono
3 - Omni Off, Poly
4 - Omni Off, Mono

Большинство современных устройств работает в mode 3 - полифонический режим с независимой работой каналов.

Program Change (pp - номер тембра)

Служит для смены программы синтеза (чаще называемой тембром или инструментом) в канале. Параметр задает номер тембра (0..127) в текущем выбранном банке. Последующие ноты будут исполняться выбранным тембром, тембр уже звучащих в канале нот не изменяется.

Pitch Bend Change (ll - младший, mm - старший байт значения)

Задает смещение высоты тона для всех нот в канале - как звучащих, так и последующих. Значение, образованное двумя 7-разрядными величинами, изменяется в диапазоне 0..16383; среднее значение - 8192 - принимается за относительный нуль, что дает условный диапазон изменения -8192..8191. Чувствительность Pitch Bend может изменяться при помощи RPN 0; по умолчанию принимается предельное смещение на два полутона в любую сторону.

Системные сообщения

System Exclusive (SysEx)

Служат для передачи специальной информации определенным устройствам. В сообщении SysEx может передаваться любое количество байтов. Признаком конца сообщения служит байт F7. Первые три байта SysEx обычно содержат идентификатор производителя устройства (присваивается Ассоциацией Производителей MIDI-устройств - MMA), номер устройства в сети (задается с пульта) и код модели устройства (присваивается производителем). В остальном формат сообщений определяется производителем - это могут быть команды, параметры, оцифрованные инструменты, партитуры и т.п.

Шестнадцатеричные идентификаторы наиболее известных производителей:

Sequential Circuits   01
Big Briar             02
Octave / Plateau      03
Moog                  04
Passport Designs      05
Lexicon               06
PAIA                  11
Simmons               12
Gentle Electric       13
Fairlight             14
Bon Tempi             20
S.I.E.L.              21
SyntheAxe             23
Kawai                 40
Roland                41
Korg                  42
Yamaha                43

Cпециальные идентификаторы сообщений, помещаемые в первый байт SysEx:

7F - универсальное сообщение реального времени;
7E - универсальное сообщение для настройки.

Tune Request

Предписывает выполнить автоматическую подстройку устройствам, нуждающимся в ней. Обычно это относится к аналоговым синтезаторам, строй которых может смещаться из-за нестабильности управляющих элементов.

Song Position Pointer (ll - младший, mm - старший байт)

Служит для установки позиции в партитуре для устройств, имеющих встроенный секвенсор, автоаккомпанемент или ритм-блок. Задается номером четвертной (quarter) ноты с начала партитуры.

Song Select (ss - условный номер партитуры)

Определяет, какая из существующих партитур будет проигрываться при получении сообщения Start.

Start

Запускает прогрывание или запись выбранной партитуры с начала.

Stop

Останавливает проигрывание или запись партитуры.

Continue

Запускает проигрывание или запись партитуры с прерванного места, либо с позиции, установленной с помощью Song Position Pointer.

Timing Clock

Служит для синхронизации устройств и передается с частотой 6 сообщений на четвертную ноту. Генерация этого сообщения не является обязательной для передающего устройства.

Active Sensing

Используется для проверки наличия связи внутри MIDI-сети. Генерация сообщения не является обязательной для передающих устройств. В случае получения этого сообщения каждое приемное устройство переходит в режим слежения за MIDI-потоком, и в случае отсутствия любых сообщений в течение 300 мс автоматически отрабатывает контроллеры All Notes Off, All Sounds Off и Reset All Controllers. Это позволяет прекратить работу в случае нарушения связи в сети. Однако до первого прохождения этого сообщения по сети устройства не следят за длительностью пауз между сообщениями.

Описание работы контроллеров

Контроллеры Bank Select

Многие устройства могут работать с большим количеством встроенных и дополнительных тембров (инструментов) и звуковых эффектов, которые для удобства объединены в банки. В каждый момент времени в одном канале может использоваться только один банк; для переключения банков служат контроллеры:

 0 - Bank Select MSB (выбор банка, старший байт)
32 - Bank Select LSB (выбор банка, младший байт)

Одни устройства требуют для переключения банков только один из этих контроллеров, другие требуют оба. Поведение некоторых устройств в этом отношении может изменяться в различных режимах работы.

По умолчанию устанавливается нулевой банк (в устройствах, совместимых с General MIDI, он содержит мелодические тембры GM). После смены банка обязательна посылка сообщения Program Change для выбора тембра (инструмента).

Обработка устройством команды смены банка и инструмента может занять значительное время (десятки миллисекунд и более). Некоторые устройства при получении команд смены банков и инструментов гасят звучащие ноты в канале.

Контроллер Modulation

Задает глубину частотной модуляции в канале. Управление абсолютное. Значение 0 отключает модуляцию, значение 127 устанавливает максимальную глубину. Стандартное значение - 0. Действует на последующие и уже звучащие ноты.

Контроллер Breath Control

Передает воздействия на духовой контроллер, обычно выполняемый в виде мундштука - значение отражает силу воздушного потока, вдуваемого в мундштук. Духовой контроллер может быть как автономным, так и совмещенным с другим MIDI-устройством (MIDI-саксофон, MIDI-флейта).

Контроллер Foot Pedal

Передает воздействия на ножную педаль - значение пропорционально силе давления на педаль или глубине ее погружения.

Контроллер Portamento Time

Задает время плавного скольжения от частоты предыдущей ноты до частоты очередной ноты. Управление абсолютное. Значение 0 соответствует минимальному времени, 127 - максимальному. Стандартное значение не определено.

Контроллер Main Volume

Задает громкость звучания внутри канала. Управление абсолютное. Стандартное значение - обычно 100. Действует на последующие и уже звучащие ноты.

Контроллер Pan

Задает соотношение уровня стереоканалов (точку стереопанорамы) для канала. Управление абсолютное. Значение 0 - крайняя левая позиция, 64 - средняя, 127 - крайняя правая. Стандартное значение - 64. Действует на последующие и уже звучащие ноты.

Контроллер Expression

Задает степень выразительности звука. Управление абсолютное. На простых инструментах дублирует контроллер Main Volume и действует и на последующие, и на уже звучащие ноты. На инструментах с развитым синтезом управляет более тонкими параметрами выразительности, и действует только на последующие ноты. Стандартное значение - обычно 127.

Контроллер Harmonic Content

Задает добротность (глубину резонанса) фильтра канала, позволяющего подчеркнуть высокочастотные гармоники тембра. Увеличение добротности увеличивает крутизну характеристики фильтра в области среза, усиливая частоты, лежащие непосредственно ниже частоты среза. Управление относительное (0..64..127). Стандартное значение - 64.

Контроллер Release Time

Задает время концевого затухания звучания нот с момента отработки Note Off (явного или автоматического) до полного исчезновения звука. Управление относительное (0..64..127). Стандартное значение - 64.

Контроллер Attack Time

Задает время начальной атаки - нарастания громкости звучания нот с момента отработки Note On до максимального значения громкости. Управление относительное (0..64..127). Стандартное значение - 64.

Контроллер Brightness

Задает частоту среза фильтра канала, управляющую ослаблением высоких частот звука. Управление относительное (0..64..127). Стандартное значение - 64.

Контроллер Portamento Control

Задает номер ноты, от которой выполняется плавная перестройка частоты в режиме Portamento, и позволяет установить исходную высоту, отличную от определяемой последним сообщением Note On.

Контроллер Reverb Level

Задает глубину выбранного эффекта типа реверберации (основанного на постоянной задержке сигнала) - Room, Hall, Delay, Echo и т.п. Управление - абсолютное или относительное в зависимости от инструмента.

Контроллер Chorus Level

Задает глубину эффекта типа хорового (основанного на переменной задержке сигнала) - Chorus, Flanger, Phaser и т.п. Управление - абсолютное или относительное в зависимости от инструмента.

Контроллер Variation Level

Задает глубину эффекта, выбранного в качестве Variation. Управление - абсолютное или относительное в зависимости от инструмента.

Контроллер-переключатель Sustain

Во включенном состоянии вызывает удержание звучания для всех клавиш, отпущенных во время действия контроллера - по аналогии с правой педалью фортепиано. Иными словами, в режиме Sustain канал задерживает отработку последнего поступившего для каждой ноты сообщения Note Off. В момент отключения одновременно отрабатываются все задержанные таким образом Note Off; на явно удерживаемые в этот момент клавиши (для которых последним поступившим сообщением является Note On) отключение режима не влияет.

Контроллер-переключатель Sostenuto

Действует подобно Sustain, но удерживает звучание только тех нот, которые были нажаты на момент включения контроллера. Последующие нажатия и отпускания отрабатываются в обычном порядке. Иначе говоря, откладывается отработка Note Off только для тех нот, Note On для которых поступили до включения режима.

Контроллер-переключатель Soft

По аналогии с левой педалью фортепиано, вызывает смягчение звучания для нот, нажатых во время действия режима. Способ реализации - простое уменьшение громкости или более тонкое управление - определяется инструментом.

Контроллер-переключатель Portamento

При выключенном режиме каждая нажатая нота начинает звучать на частоте, определяемой высотой ноты и установленными на данный момент значениями контроллеров управления высотой (Pitch Bend Change и Coarse/Fine Tune и т.п.). При включенном режиме очередная нота начинает звучать на частоте, определяемой последним сообщением Note On или контроллером Portamento Control, затем ее высота плавно изменяется до нужной со скоростью, определяемой контроллером Portamento Time. Вне зависимости от того, было ли скольжение выполнено до конца или прервано по отпусканию ноты, последнее сообщение Note On всегда фиксируется в качестве исходной высоты для последующих нот. Это означает, что если, например, после ноты C2 была нажата нота C7, а затем - нота C4, то высота второй ноты будет плавно повышаться от C2 до C7, а высота третьей в то же время - понижаться от C7 до 50, и в качестве исходной для последующих нот будет принята нота 50. В момент нажатия C7 эта нота зазвучит в унисон с C2 и начнет скользить в сторону C7, а в момент нажатия ноты C4 та зазвучит с высотой C7 и начнет скользить к C4. Все скольжения выполняются независимо.

Контроллеры RPN, NRPN и Data Entry

Дополнительно для расширенного управления синтезом введены зарегистрированные (Registered Parameter Number - RPN) и незарегистрированные (Non-Registered Parameter Number - NRPN) номера параметров, передаваемые при помощи контроллеров:

 98 - NRPN LSB (младший байт NRPN)
 99 - NRPN MSB (старший байт NRPN)
100 - RPN LSB (младший байт RPN)
101 - RPN MSB (старший байт RPN)

Устройство запоминает однажды переданные ему RPN или NRPN, после которых могут передаваться значения выбранного параметра при помощи контроллеров:

 6 - Data Entry MSB (ввод данных, старший байт)
38 - Data Entry LSB (ввод данных, младший байт)

На сообщения, передающие значение старшего или младшего байта параметра, устройства реагируют немедленно, используя в качестве недостающего байта либо ранее переданное, либо установленное по умолчанию значение. Это можно использовать для передачи значений, отличающихся только одним байтом, передавая только изменившийся байт.

Для отмены ранее зафиксированных номеров RPN и NRPN служит резервный номер RPN 16383 - после посылки контроллеров 100 и 101 со значениями 127 контроллеры Data Entry отключаются от ранее назначенных RPN и NRPN.

Таким образом, механизм представляет собой "контроллер в контроллере". Стандартом General MIDI определена интерпретация только трех RPN, значения которых задаются старшими байтами параметров Data Entry:

RPN 0 - Pitch Bend Sensitivity (чувствительность Pitch Bend)
RPN 1 - Fine Tuning (точная подстройка)
RPN 2 - Coarse Tuning (грубая подстройка)

Чувствительность Pitch Bend определяет количество полутонов, на которое смещается высота тона при получении сообщения Pitch Bend Change с предельным верхним или нижним значением параметра. По умолчанию принимается диапазон в два полутона в любую сторону.

RPN подстройки позволяют сместить строй инструмента в канале на заданное количество полутонов при грубой, или центов (сотых долей полутона) - при точной подстройке. За относительный нуль принимается значение 64.

Интерпретация остальных параметров стандартом GM не определена. В ряде инструментов для раздельной подстройки отдельных инструментов в различных банках используются также два дополнительных RPN:

RPN 3 - Tuning Program Select
RPN 4 - Tuning Bank Select

Стандарты MIDI-систем

Стандарт General MIDI (MMA)

Стандарт General MIDI (единый MIDI, GM) разработан ассоциацией MIDI-производителей (MMA) в 1991 году в целях обеспечения частичной совместимости выпускаемых MIDI-устройств и облегчения переноса партитур между устройствами различных производителей. Устройство, совместимое с GM Level 1, должно удовлетворять следующим требованиям:

Мелодическим и ударным тембрам присвоены постоянные номера. Мелодические тембры распределены по 16 группам с 8 тембрами в каждой и выбираются сообщением Program Change в каналах 1-9 и 11-16:

    Piano                           Chrom Percussion

  0 Acoustic Grand Piano          8 Celesta
  1 Bright Acoustic Piano         9 Glockenspiel
  2 Electric Grand Piano         10 Music Box
  3 Honky-tonk Piano             11 Vibraphone
  4 Electric Piano 1             12 Marimba
  5 Electric Piano 2             13 Xylophone
  6 Harpsichord                  14 Tubular Bells
  7 Clavinet                     15 Dulcimer

    Organ                           Guitar

 16 Drawbar Organ                24 Acoustic Guitar (nylon)
 17 Percussive Organ             25 Acoustic Guitar (steel)
 18 Rock Organ                   26 Electric Guitar (jazz)
 19 Church Organ                 27 Electric Guitar (clean)
 20 Reed Organ                   28 Electric Guitar (muted)
 21 Accordion                    29 Overdriven Guitar
 22 Harmonica                    30 Distortion Guitar
 23 Tango Accordion              31 Guitar Harmonics

    Bass                            Strings

 32 Acoustic Bass                40 Violin
 33 Electric Bass (finger)       41 Viola
 34 Electric Bass (pick)         42 Cello
 35 Fretless Bass                43 Contrabass
 36 Slap Bass 1                  44 Tremolo Strings
 37 Slap Bass 2                  45 Pizzicato Strings
 38 Synth Bass 1                 46 Orchestral Harp
 39 Synth Bass 2                 47 Timpani

   Ensemble                         Brass

 48 String Ensemble 1            56 Trumpet
 49 String Ensemble 2            57 Trombone
 50 Synth Strings 1              58 Tuba
 51 Synth Strings 2              59 Muted Trumpet
 52 Choir Aahs                   60 French Horn
 53 Voice Oohs                   61 Brass Section
 54 Synth Voice                  62 Synth Brass 1
 55 Orchestra Hit                63 Synth Brass 2

    Reed                            Pipe

 64 Soprano Sax                  72 Piccolo
 65 Alto Sax                     73 Flute
 66 Tenor Sax                    74 Recorder
 67 Baritone Sax                 75 Pan Flute
 68 Oboe                         76 Bottle Blow
 69 English Horn                 77 Shakuhachi
 70 Bassoon                      78 Whistle
 71 Clarinet                     79 Ocarina

    Synth Lead                      Synth Pad

 80 Lead 1 (square)              88 Pad 1 (new age)
 81 Lead 2 (sawtooth)            89 Pad 2 (warm)
 82 Lead 3 (calliope)            90 Pad 3 (polysynth)
 83 Lead 4 (chiff)               91 Pad 4 (choir)
 84 Lead 5 (charang)             92 Pad 5 (bowed)
 85 Lead 6 (voice)               93 Pad 6 (metallic)
 86 Lead 7 (fifths)              94 Pad 7 (halo)
 87 Lead 8 (bass + lead)         95 Pad 8 (sweep)

    Synth Effects                   Ethnic

 96 FX 1 (rain)                 104 Sitar
 97 FX 2 (soundtrack)           105 Banjo
 98 FX 3 (crystal)              106 Shamisen
 99 FX 4 (atmosphere)           107 Koto
100 FX 5 (brightness)           108 Kalimba
101 FX 6 (goblins)              109 Bagpipe
102 FX 7 (echoes)               110 Fiddle
103 FX 8 (sci-fi)               111 Shanai

    Percussive                      Sound Effects

112 Tinkle Bell                 120 Guitar Fret Noise
113 Agogo                       121 Breath Noise
114 Steel Drums                 122 Seashore
115 Woodblock                   123 Bird Tweet
116 Taiko Drum                  124 Telephone Ring
117 Melodic Tom                 125 Helicopter
118 Synth Drum                  126 Applause
119 Reverse Cymbal              127 Gunshot


Ударные тембры выбираются номером ноты в канале 10:


35 Acoustic Bass Drum            59 Ride Cymbal 2
36 Bass Drum 1                   60 High Bongo
37 Side Kick                     61 Low Bongo
38 Acoustic Snare                62 Mute High Conga
39 Hand Clap                     63 Open High Conga
40 Electric Snare                64 Low Conga
41 Low Floor Tom                 65 High Timbale
42 Closed High-Hat               66 Low Timbale
43 High Floor Tom                67 High Agogo
44 Pedal High Hat                68 Low Agogo
45 Low Tom                       69 Cabasa
46 Open High Hat                 70 Maracas
47 Low-Mid Tom                   71 Short Whistle
48 High-Mid Tom                  72 Long Whistle
49 Crash Cymbal 1                73 Short Guiro
50 High Tom                      74 Long Guiro
51 Ride Cymbal 1                 75 Claves
52 Chinese Cymbal                76 High Wood Block
53 Ride Bell                     77 Low Wood Block
54 Tambourine                    78 Mute Cuica
55 Splash Cymbal                 79 Open Cuica
56 Cowbell                       80 Mute Triangle
57 Crash Cymbal 2                81 Open Triangle
58 Vibraslap

Полифония в 24 голоса устанавливается либо общей для всех каналов, либо с разделением на 16 голосов для мелодических каналов и 8 - для ударных. Поведение системы при исчерпании свободных голосов стандартом не определено.

В GM обязательна поддержка следующих контроллеров:

 1 - Modulation (глубина частотной модуляции)
 7 - Main Volume (громкость всех звуков в канале)
10 - Pan (панорама - положение инструмента на стерепанораме)
11 - Expression (экспрессивность, выразительность звука)
64 - Sustain Pedal (удержание звучания всех отпущенных нот)

Контроллер Main Volume служит для долговременной установки громкости в канале, а Expression - для управления громкостью звучания отдельных нот или партий.

Для устройств, поддерживающих, кроме GM, другие стандарты синтеза, введен SysEx "General MIDI On" для переключения в режим GM: F0 7E 7F 09 01 F7.

Стандарт General Synthesis (Roland)

Стандарт General Synthesis (единый синтез, GS) разработан фирмой Roland в 1991 году, практически одновременно с GM. Целью создания стандарта было обеспечение совместимости не только базового набора тембров и способов управления, но и более тонких методов воздействия на звук. Требования к устройству, поддерживающему GS:

Выбор банков осуществляется передачей старшего байта номера (контроллер 0). Младший байт (контроллер 32) при этом либо не используется, либо переключает режимы совместимости (например, SC55/SC88). Основной набор тембров (General MIDI) выбирается банком 0. Дополнительны мелодические тембры и звуковые эффекты распределены по 12 банкам, именуемым Variation Tones: 1..9, 16, 24 и 32. Дополнительные наборы ударных и набор звуковых эффектов имеют нумерацию (начиная с нуля):

 8  Room Kit
16  Power Kit
24  Electronic Kit
25  TR-808 Kit
32  Jazz Kit
40  Brush Kit
48  Orchestra Kit
56  SFX Kit

Cтандартом введены дополнительные контроллеры:

 5 - Portamento Time (время скольжения от ноты к ноте)
 6 - Data Entry MSB (ввод данных, старший байт)
65 - Portamento (включение/выключение режима портаменто)
66 - Sostenuto Pedal (удержание звучания отдельных нот (аккорда))
67 - Soft Pedal (приглушение звука)
84 - Portamento Control (номер ноты начала скольжения)
91 - Reverb Level (глубина реверберации)
93 - Chorus Level (глубина хорового эффекта)
98 - NRPN LSB (номер незарегистрированного параметра, младший байт)
99 - NRPN MSB (номер незарегистрированного параметра, старший байт)
а также - набор NRPN для управления генераторами огибающих и резонансными фильтрами (номера NRPN даны в виде значений старшего и младшего байтов):
NRPN 1/8   - Vibrato Rate (частота вибрато)
NRPN 1/9   - Vibrato Depth (глубина вибрато)
NRPN 1/10  - Vibrato Delay (задержка до включения вибрато)
NRPN 1/32  - Filter Cutoff Frequency (частота среза фильтра)
NRPN 1/33  - Filter Resonance (глубина резонанса фильтра)
NRPN 1/99  - Attack Time (длительность атаки)
NRPN 1/100 - Decay Time (длительность первичного спада)
NRPN 1/102 - Release Time (длительность концевого затухания)
и для раздельной настройки параметров ударных инструментов (nn - номер ноты инструмента):
NRPN 24/nn - Drum Pitch Coarse Tune (грубая подстройка высоты)
NRPN 26/nn - Drum TVA Level (уровень громкости)
NRPN 28/nn - Drum Pan (панорамная позиция)
NRPN 29/nn - Drum Reverb Send Level (глубина эффекта reverb)
NRPN 30/nn - Drum Chorus Send Level (глубина эффекта chorus)
NRPN 31/nn - Drum Delay Send Level (глубина эффекта delay)

Значения параметров задаются старшими байтами Data Entry (контроллер 6).

Инструменты, поддерживающие стандарты GM и GS, почти всегда имеют дополнительные средства управления синтезом и обработкой звука, расширяющие рамки стандарта. При этом используемые способы управления, как правило, сохраняются внутри одной линии инструментов и внутри инструментов одного производителя.

Устройства, совместимые с GS, должны поддерживать SysEx "General Synth On" (переключение в режим Roland GS): F0 41 10 42 12 40 00 7F 00 41 F7.

Стандарт Extended General (Yamaha)

Стандарт Extended General (расширенный единый, XG) разработан фирмой Yamaha в 1994 году в виде расширения стандарта GS. Целью расширения ния стандарта было в первую очередь внесение развитого управления эффект-процессором и значительное увеличение количества тембров. Устройства, удовлетворяющие XG, способны самостоятельно создавать достаточно современное звучание без применения дополнительных тонгенераторов и модулей обработки, и к тому же гарантируют переносимость партитур с младших моделей на старшие практически без доработки. Требования к устройству, поддерживающему базовый уровень XG (Level 1):

Возможные расширения XG:

Набор тембров состоит из двух перекрывающихся наборов: 480/10 в режиме XG и 579/11 в режиме TG300B (GS).

В режиме GM доступны 128 стандартных мелодических тембров, стандартный набор ударных и стандартные контроллеры/RPN. В режиме XG доступны дополнительные банки, контроллеры, NRPN и SysEx.

Выбор банков осуществляется передачей обоих байтов номера; при этом старший байт (контроллер 0) задает тип банка, а младший байт (контроллер 32) - номер банка указанного типа. В XG определено четыре типа банков:

  0  Normal (мелодические)
 64  SFX (звуковые эффекты с переменной высотой)
126  SFX (звуковые эффекты с фиксированной высотой)
127  Drums (ударные)

Любой MIDI-канал путем выбора банка может быть установлен в мелодический или ударный режим.

В режиме XG доступны 44 банка мелодических тембров:

     0  Standard (General MIDI)
     1  KSP (Key Scale Panning - панорамирование по клавиатуре)
     3  Stereo (стереофонические)
     6  Single
     8  Slow (имитация медленного звукоизвлечения)
    12  Fast Decay (с быстрым затуханием)
    14  Double Attack (сдвоенные)
 16-17  Bright (яркие)
 18-19  Dark (тусклые)
    20  Resonant (с резонансом)
    24  Attack (с мягкой атакой)
    25  Release (с послезвучием при отпускании клавиши)
    27  Rezo Sweep (со скользящим резонансом)
    28  Muted (приглушенные)
    32  Detune 1 (с расстройкой слоев)
    33  Detune 2
    34  Detune 3
    35  Octave 1 (слои настроены в октаву)
    36  Octave 2
    37  5th 1 (слои настроены в квинту)
    38  5th 2
    39  Bend
 40-42  Tutti (слои из разных звуков)
    43  Velo-Switch (с переключением по силе удара)
    45  Velo-Xfade (с плавным переходом по силе удара)
 64-72,
96-101  Other wave (прочие тембры)
9 банков ударных тембров:
 0  Standard Kit 1
 1  Standard Kit 2
 8  Room Kit
16  Rock Kit
24  Electro Kit
25  Analog Kit
32  Jazz Kit
40  Brush Kit
48  Classic Kit
и 2 банка звуковых эффектов:
0  SFX 1
1  SFX 2

В режиме TG300B/GS раскладка банков и инструментов совпадает с GS.

Стандартом XG введены контроллеры, дополнительные к GS:

38 - Data Entry LSB (ввод данных, младший байт)
71 - Harmonic Content (содержание гармоник, добротность фильра)
72 - Release Time (время затухания звука после выключения ноты)
73 - Attack Time (время нарастания звука после включения ноты)
74 - Brightness (яркость, частота среза фильтра)
94 - Variation Level (глубина эффекта Variation)
96 - Data Increment (увеличение xRPN на 1, значение игнорируется)
97 - Data Decrement (уменьшение xRPN на 1, значение игнорируется)

Почти все контроллеры, стандартизированные в XG, до этого успели стать стандартом де-факто во многих инструментах.

Стандартом также введены дополнительные к GS NRPN для ударных:

NRPN 20/nn - Drum Filter Cutoff (частота среза фильтра)
NRPN 21/nn - Drum Filter Resonance (глубина резонанса фильтра)
NRPN 22/nn - Drum Attack Time (длительность атаки)
NRPN 23/nn - Drum Decay Time (длительность первичного спада)
NRPN 25/nn - Drum Pitch Fine Tune (точная подстройка высоты)

Три эффект-процессора являются полностью независимыми, каждый из них может обрабатывать сигнал от произвольного количества каналов. Reverb и Chorus являются системными (System) эффектами - через них проходит сигнал от каждого канала с возможностью независимой регулировки глубины эффекта. Variation может работать в режиме как системного, так и выделенного (Insertion) эффекта, когда процессор обрабатывает сигнал только одного канала.

XG Level 1 определяет по 8 эффектов типа Reverb и Chorus и 36 эффектов типа Variation, в число которых также входит по 8 таких же типов Reverb и Chorus. Параметры каждого из трех выбранных эффектов управляются посредством набора SysEx.

Устройства, совместимые с XG, должны поддерживать SysEx "XG System On" (переключение в режим Yamaha XG): F0 43 1n 4C 00 00 7E 00 F7, где n - номер устройства в сети (устанавливается по-разному для разных устройств, по умолчанию 0). Для полной инициализации MIDI-системы необходима подача этого сообщения из режима GM.

Совместмость стандартов по звучанию

Общность инструментов внутри стандарта и между ними чаще всего подразумевает только совпадение номеров и основных звуковых характеристик. "Одинаковые" тембры на различных инструментах почти всегда имеют различную окраску, динамику, яркость, громкость по умолчанию и другие особенности, а "синтетические" тембры могут совершенно отличаться друг от друга. Кроме этого, у разных инструментов различается зависимость характера звука от силы удара по клавише, динамика работы MIDI-контроллеров, положения контроллеров по умолчанию и прочие "тонкие" параметры. Поэтому MIDI-партитура, подготовленная для конкретного инструмента, на других инструментах (даже внутри стандарта) часто звучит совершенно по-другому, и это необходимо учитывать при переносе партитур с между инструментами различных моделей. Единственным исключением из этого является стандарт XG, специально ориентированный на повторение особенностей звучания тембров во всех моделях устройств.

Применения MIDI

Основное применение MIDI - хранение и передача музыкальной информации. Это может быть управление электронными музыкальными инструментами в реальном времени, запись MIDI-потока, формируемого при игре исполнителя, на носитель данных с последующим редактированием и воспроизведением (так называемый MIDI-секвенсор), синхронизация различной аппаратуры (синтезаторы, ритм-машины, магнитофоны, блоки обработки звука, световая аппаратура, дымогенераторы и т.п.).

Устройства, предназначенные только для создания звука по MIDI-командам, не имеющие собственных исполнительских органов, называются тон-генераторами. Многие тон-генераторы имеют панель управления и индикации для установки основных режимов работы и наблюдения за ними, однако создание звука идет под управлением поступающих MIDI-команд.

Устройства, предназначенные только для формирования MIDI-сообщений, не содержащие средств синтеза звука, называются MIDI-контроллерами. Это может быть клавиатура, педаль, рукоятка с несколькими степенями свободы, ударная установка с датчиками способа и силы удара, а также - струнный или духовой инструмент с датчиками и анализаторами способов воздействия и приемов игры. Тон-генератор с достаточными возможностями по управлению может весьма точно воспроизвести оттенки звучания инструмента по сформированному контроллером MIDI-потоку.

Для хранения MIDI-партитур на носителях данных разработаны форматы SMF (Standard MIDI File - стандартный MIDI-файл) трех типов:

0 - непосредственно MIDI-поток в том виде, в каком он передается по интерфейсу.

1 - совокупность параллельных "дорожек", каждая из которых обычно представляет собой отдельную партию произведения, исполняемую на одном MIDI-канале.

2 - совокупность нескольких произведений, каждое из которых состоит из нескольких дорожек.

В основном применяется формат 1, позволяющий хранить одно произведение в файле.

Кроме MIDI-событий, файл содержит также "фиктивные события" (Meta Events), используемые только для оформления файла и не передаваемые по интерфейсу - информация о метрике и темпе, описание произведения, названия партий, слова песни и т.п.