Александр КРАШЕНИННИКОВ
Музыкальное Оборудование
август 1999
Я предпочитаю самостоятельно тщательно тестировать и отлаживать компьютеры, на которых работаю, а чтобы определить свое отношение к компьютерам и к музыке, вкратце расскажу, чем и на чем я занимаюсь.
MIDI — аранжировка, использование при сведении. Для этого применяются: Pentium Pro 200 и Macintosh LC 475. Многоканальная запись — система Session8 на компьютере Pentium Pro 200. Редактирование семплов и создание семплерных библиотек — Session8 на Pentium Pro 200 и Sound Tools II на Apple Macintosh Quadra 840AV. Мастеринг — системы ProMaster20, Sound Tools II и Sonic Solutions на компьютерах Apple Macintosh Quadra 840AV и Apple PowerPC 8100/110.
Помимо всего прочего, те же самые компьютеры обеспечивают и мои такие немузыкальные потребности, как лазание по паутине Интернета, электронная переписка или написание этой заметки.
MIDI: простота — залог успеха?
Казалось бы — при современной производительности машин, перемалывающих потоки данных в сотни мегабайт в секунду, какие проблемы могут возникнуть с обслуживанием жалкого потока в 31,325 кБайт в секунду? А вот какие.
Волею судьбы (или моего испорченного вкуса) я занимаюсь в основном современной танцевальной музыкой. В такой музыке как нигде важна точность последовательности MIDI событий, или, как ее еще называют, микро-тайминг.
Пользователи компьютерных секвенсоров, ранее работавшие на секвенсорах аппаратных, давно заметили, что точность поддержания постоянного темпа на аппаратных секвенсорах значительно выше, чем на программных. В первое время это списывали на невысокую производительность персональных компьютеров. Но! Парадокс — время идет, а проблема, начавшая было выправляться, все усугубляется! Попробуем рассмотреть, на основе тестов, проведенных мной и моими знакомыми звукорежиссерами, причины этого парадокса. Следует сразу сказать, что данные тесты являются субъективными, хотя в особо тяжелых случаях раскосяк был такой, что не услышал бы его только глухой. Естественно, прослушивался один и тот же MIDI файл, содержащий 11 дорожек по 11 разным MIDI каналам, идущим через два порта интерфейса.
1. На платформе Macintosh исследовалась работа программ Logic, Cubase и Opcode Vision на компьютерах Centris 650, Quadra 650, LC 475, Quadra 800, Quadra 950, Quadra 840 AV, PowerPC 8100/110, PowerPC 7300/160, PowerPC 9600/300 и PowerPC G3/450 BlueCase. При испытаниях использовались самые разнообразные наборы музыкальных инструментов, подключенных через интерфейс MOTU MIDI Time Piece II (кроме 9600/300 — два интерфейса Opcode Studio 4).
Самый лучший результат по таймингу, когда не наблюдалось потери драйва в композиции, дала старенькая LC 475, работающая с частотой 25 МГц и не имеющая шины NuBus. Ей на пятки наступал Centris 650, причем, на наш взгляд, разница могла объясняться наличием шины NuBus, хотя плат расширения установлено не было. Следом, хотя и со значительным отрывом, шли машины серии Quadra: результаты которых мало друг от друга отличались, хотя лучший показала Quadra 950, лишенная кэша второго уровня. Далее, с большим отрывом в худшую сторону, шли компьютеры PowerPC, а из них резко выделялся PowerPC 9600, причем опять же, не в лучшую сторону. Это может объясняться наличием установленной в нем многоканальной звуковой платы, работающей через ASIO драйвер. По моему (и не только) мнению, такая конфигурация вообще неприемлема для работы с музыкой, содержащей MIDI составляющую: плавные изменения темпа в процессе воспроизведения составляли до 1,5-2 ударов в минуту!
Но это всего лишь голые факты. Теперь попробуем объяснить их с технической точки зрения. Во-первых, чем проще машина в целом, чем меньше в ней дополнительных устройств, тем лучше тайминг. Во-вторых, наличие кэша влияет на точность MIDI не в лучшую сторону. В-третьих, синхронность подсистемы процессор-память влияет на тайминг благотворно. Это видно из того, что машина с процессором PowerPC G3 оказалась худшей в пределах данного семейства (не считая явно случайного результата с 9600). А у данного процессора кэш второго уровня размещен на материнской плате, кэш первого уровня работает асинхронно с процессором, что на ряде немузыкальных программ дает существенное повышение производительности. Кроме того, операционная система MacOS до сих пор не имеет даже того уровня многозадачности, что есть в Windows 95 — поэтому никак не получается совместить нормальный MIDI тайминг с работой, скажем, аудио через ASIO. Но! Если вы работаете только с MIDI, то его точность окажется выше, чем при работе в многозадачной среде. В пользу платформы Macintosh в целом говорит применение с самого начала так называемой плоской модели памяти — то есть, вся память доступна для центрального процессора путем прямой адресации, а в большинстве РС (подробнее об этом — далее) применяется т. н. страничная модель памяти.
И еще один факт, настолько интересный, что я решил упомянуть о нем отдельно, причем не будучи на сто процентов уверенным в его значимости. Macintosh LC 475 — единственная из всех машин, участвовавших в обзоре, имеющая некварцованный генератор тактовой частоты процессора. Мне этот факт показался значимым вот почему. Специалистам в области схемотехники известно, что у простейших цифровых генераторов с кварцевой стабилизацией частота полученных колебаний действительно очень стабильна. Чего нельзя сказать о джиттере в сигнале, получаемом с такого генератора. Избавиться от джиттера можно двумя путями: либо отказавшись от кварца, либо построив очень сложный аналоговый генератор с фазовой автоподстройкой частоты, как это делается для генераторов тактовой частоты в очень дорогих (и высококачественных) аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Такой генератор фирмы Apogee в виде гибридной интегральной сборки стоит порядка 150$. Как известно, джиттер (даже почти не поддающийся измерениям) при работе с цифровым звуком оказывается гораздо слышнее, чем небольшие, медленные и плавные отклонения частоты дискретизации, вызванные отсутствием кварцевой стабилизации. Так может, джиттер тактовой частоты, от которого синхронизируются все подсистемы персонального компьютера, оказывает влияние и на точность воспроизведения MIDI?
2. На платформе РС испытывались машины (в основном собственной сборки) на процессорах 386/40 (если кто помнит), 486DX-33, 486DX/2-66, Pentium 200, PentiumPro 200, Celeron 300A-450 (разогнанный), Pentium III 450/512 и Pentium II Xeon 450 с кэшем второго уровня 2 Мбайта. Память в машинах до Pentium — 32 Мбайта, в остальных — 128 Мбайт. MIDI интерфейс — MOTU Pocket Express. Испытывались разные операционные системы (кроме Windows NT, ввиду отсутствия драйверов интерфейса) с секвенсорами Cubase, Cubase VST, Logic и Cakewalk. Сперва приведу результаты, потом попытаюсь их объяснить. Из «пещерной эпохи» лучшей оказалась 486DX-33, причем снятие с платы микросхем кэша второго уровня прочно выводило эту машину на самый высокий уровень точности среди РС — она, пожалуй, сравнялась с серией Quadra. «Трешка» была совершенно безнадежной, хотя это может быть связанным с взаимодействием программы и операционной системы Windows 3.11. Из более современных машин первое место прочно занял Pentium Pro, а на пятки ему наступали Xeon и Celeron. Pentium III же, наоборот, прочно занял последнее место, а между ними расположился Pentium 200. Каковы же выводы? Опустив влияние самих программ, можно сказать следующее. Оптимальной средой для MIDI секвенсоров является Windows 98: это связано с тем, что ее ядро частично поддерживает плоскую модель памяти. А именно эта модель применена в процессорах Pentium Pro и Xeon. Вдобавок, все кэши, как первого, так и второго уровней, работают синхронно с ядром процессора и между собой, и, в отличие от Pentium III, расположены на одной подложке, хотя и не на одном кристалле с ядром процессора. Также синхронно работают кэши и у Celeron, чем и определяется точность тайминга.
Интересно также, что наличие в кристалле внутреннего умножения несколько ухудшает картину, что видно на примере 486DX-33 и DX/2-66. К несчастью, в современных процессорах внутреннее умножение частоты — непременный атрибут.
Следует отметить еще и такой интересный факт, как зависимость тайминга от качества материнской платы, а точнее — от конструкции, стабильности и синхронности тактовых генераторов процессора и таймера (как правило, эти генераторы разделены). Кроме того, тайминг зависит от архитектуры и корректности драйверов применяемого видеоадаптера. В наших экспериментах абсолютными победителями стали изделия фирмы Matrox, причем на Celeron, Xeon и Pentium III лучше вел себя видеоадаптер Mystique с шиной PCI, что может свидетельствовать о недостаточной отработанности шины AGP.
Так какой же общий вывод можно сделать из всего вышесказанного? А вот какой.
Надо определиться: а работаю ли я с MIDI, и если да, то как часто, и какое требуется качество? Если вы работаете в основном с «живым» звуком и «живыми» исполнителями, то все вышесказанное не имеет для вас решающего значения. Значение будет иметь лишь то, сколько дорожек будет записывать или воспроизводить ваш компьютер, сколько модулей обработки смогут работать в реальном времени, и, опять же, — с каким качеством. Впрочем, о связи качества работы алгоритмов в звуковых программах с конструкцией компьютера, а также о сравнении обработки, использующей для вычислений центральный процессор компьютера, и обработки, использующей специализированные процессоры, мы поговорим далее.
Звук в цифре
В последнее время появилось множество компьютерных программ для работы с оцифрованным звуком. Увы, горькая истина сегодняшнего дня: программно-аппаратные устройства, использующие для работы со звуком вычислительные мощности специализированных процессоров, пока что обеспечивают несопоставимо более высокое качество звука (даже при меньшей разрядности и частоте дискретизации), чем программы, делающие то же самое на центральном процессоре компьютера, неважно — Mac или РС. То есть, уровень устройств, устанавливаемых в компьютер, но работающих практически автономно (ProTools и Sonic Solutions на Macintosh, или Session8 и SADiE на Wintel), на базе чисто программных продуктов еще не достигнут.
Проанализируем, как влияют те или иные компоненты персонального компьютера на качество звука.
Прежде всего, отметим такой интересный факт: в отличие от программных систем, работающих на компьютере и использующих его центральный процессор, в программно-аппаратных комплексах, построенных на специализированных процессорах сигналов (DSP), независимо от их мощности, любая обработка ведется только в реальном времени, даже если система при этом «не звучит». Это вызвано разницей в архитектуре процессоров, определяемой их назначением. Если для первого основной задачей является максимально возможная скорость обсчета ограниченных объемов информации, находящейся в памяти, то для второго — максимально точно по времени осуществлять обмен между регистрами процессора и внешней памятью. Это — помимо, разумеется, все той же максимальной скорости обсчета. Поэтому процессоры сигналов строятся с гораздо большей разрядностью, чем современные им процессоры общего назначения.
Каковы же выводы из вышесказанного? А все те же, что и при работе с MIDI: для достижения лучшего результата требуется максимальная временная точность работы подсистемы «процессор-память». Только добавляется еще и необходимость временной точности работы портов ввода-вывода, обслуживающих как дисковую подсистему, так и звуковые платы.
Есть и еще одно добавление — каждая программа, работающая со звуком, звучит по-своему, что обусловлено (помимо алгоритмов, заложенных в программе) способами взаимодействия ее ядра с ядром операционной системы или, что чаще, непосредственной работы с памятью и дисковой подсистемой.
В одной из статей МО, посвященной цифровому звуку, упоминалось такое явление, как джиттер. В аппаратных системах эта небольшая девиация частоты дискретизации возникает в результате «дрожания» фронтов цифрового сигнала, изменения крутизны фронтов и интерференции с отражениями, возникающими в проводниках. В системах с обработкой сигнала на базе центрального процессора возникает так называемый «программный джиттер», как правило несколько более заметный на слух и обладающий еще одной очень пакостной особенностью. Как известно, «аппаратный джиттер», если только он не возник в несинхронизированном АЦП, не записывается на жесткий диск, DAT или иной носитель цифровой информации. Программный же джиттер становится неотъемлемой частью звукового файла и, вдобавок, растет при увеличении количества обработок чуть ли не в квадратичной зависимости: наступает момент (к счастью, очень нескоро, но все же), когда сигнал просто-напросто превращается в цифровой шум. Природа этого явления может быть родственна природе возникновения неравномерности MIDI, хотя некоторые аспекты (в частности, накапливание при записи) пока являются предметом научных исследований.
Вывод: для борьбы с программным джиттером надо или переходить на один из вышеперечисленных аппаратных комплексов (что дорого, сложно и не всегда оправданно), или постараться свести к минимуму его влияние.
Исторически сложилось так, что в нашей стране наибольшее распространение имеет платформа Wintel, в том числе и в такой области, как музыка. Поэтому далее речь пойдет о РС.
Если рассматривать различные типы процессоров на предмет программного джиттера, то худшими являются Pentium II и Pentium III, из-за асинхронного кэша. Далее следует Celeron, из-за применения страничной модели памяти — ведь по истечении каждых 64 Кбайт системе приходится производить переключение страницы (что вызывает временную задержку при обращении к памяти), создавая, тем самым, легкую неравномерность в звуке, заметную на слух. Остаются Pentium Pro, мощность которого для современных приложений не всегда достаточна, и Xeon, который хорош всем, кроме цены.
Естественно, чипсеты и BIOS, определяющие работу подсистемы «процессор-кэш-память», также влияют на качество обработки звука. Причем, что интересно, это явление практически сходит на нет при использовании операционной системы Windows NT, которая использует BIOS материнской платы существенно меньше, чем Windows 95/98. Стоит отметить, что BIOS не только является средством начальной загрузки системы (как многие считают). Помимо загрузки, он определяет еще и работу подсистемы «процессор-кэш-память» и портов ввода-вывода. Иначе или пришлось бы сильно усложнять операционную систему, или вводить очень жесткую систему стандартизации чипсетов и, особенно, материнских плат.
Последнее, о чем хотелось бы сказать на этот раз: по моему мнению, в условиях интенсивной работы надежность компьютера имеет более важное значение, чем его абсолютная производительность. И в большинстве случаев имеет смысл несколько пожертвовать производительностью ради достижения максимальной устойчивости.
PC: Оптимальная конфигурация. Часть I: Процессоры.
PC: Оптимальная конфигурация. Часть II: Память.
PC: Оптимальная конфигурация. Часть III: Жесткие диски.
