Bernhard R. Scheurer Fachbereiche Klavier, Keyboard, Musiksoftware

Transkript

1 THEMA UMFANG ZIEL INHALT AUTOR Das MIDI-Datenformat 7 Seiten Vermittlung von Grundlagen zum MIDI-Datenformat. Nach Durcharbeiten des Workshops kennt der Schüler die Art und Weise, wie Computer und elektronische Musikinstrumente Informationen speichern. Vokabeln und Satzbau der MIDI-Sprache werden vermittelt und anhand von Beispielen durchgespielt. Eine Übersicht über das MIDI-Datenformat rundet den Workshop ab. (1) Computer haben nur zwei Finger (2) Das BIT und sein Lebensraum (3) Wir sprechen MIDI (4) SysEx das Schweizer Taschenmesser (5) Übersicht MIDI-Befehle (6) Übersicht MIDI-Befehle Forts. Bernhard R. Scheurer Fachbereiche Klavier, Keyboard, Musiksoftware Jugenmusikschule Erzhausen Industriestraße 6-8, Erzhausen, info@jms-erzhausen.de

2 (1) Computer haben nur zwei Finger DAS DEZIMAL-SYSTEM (DEC) Wenn wir zählen, benutzen wir dazu immer die selben 10 Ziffern in immer der selben Reihenfolge. Nämlich 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9. Sind wir bei der letzten Ziffer angekommen, fügen wir vorne eine Stelle hinzu die uns über die Anzahl der bereits erfolgten Durchläufe informiert und beginnen dahinter wieder mit 0. So kommt nach der 9 die 10 und nach der 99 die 100. Dieses System ist praktisch, haben wir zur Veranschaulichung doch auch 10 Finger zur Verfügung. DAS BINÄR-SYSTEM (BIN) Was wäre, wenn wir nur zwei Finger hätten? Nun, das System mit den 10 Fingern läßt sich auch vortrefflich auf ein Zwei-Finger-System übertragen. Zwei Finger entsprechen zwei Ziffern: 0 und 1. Wir zählen wie gewohnt unsere Ziffern durch. Sind wir bei der letzten angekommen, fügen wir vorne eine Stelle hinzu und beginnen hinten wieder mit 0. Das sieht dann so aus: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000,... Der Wert einer Zwei-Finger-Zahl ist identisch mit dem der zugehörigen Zehn-Finger-Zahl DAS HEXADEZIMAL-SYSTEM (HEX) In MIDI-Dokumentationen trifft man hin und wieder auch auf hexadezimale Zahlen. Diese unterscheiden sich von ihren dezimalen und binären Kollegen lediglich durch die Anzahl der vorhandenen Ziffern: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E und F. Man zählt gewissermaßen mit 16 Fingern. Ansonsten gelten die selben Regeln wie in anderen Zahlensystemen auch. Welchen Sinn macht ein drittes Zahlensystem? Wer genau hinsieht entdeckt schnell, daß die darzustellenden Werte weniger Platz benötigen, je mehr verschiedene Ziffern zur Auswahl stehen. So braucht z.b. die Zahl 127 in der binären Darstellung 7 Zeichen ( ), im Dezimalsystem drei (127) Zeichen und im hexadezimalen System nur noch 2 Zeichen (7F). ZUSAMMENFASSUNG Die nebenstehende Tabelle faßt alle drei Zahlensysteme noch einmal zusammen und zeigt, wie durch aneinanderreihen immer derselben Ziffern in den verschiedenen Systemen gezählt wird: Ist der Ziffernvorrat erschöpft, markieren wir an vorderster Stelle die Anzal der Durchläufe und beginnen dahinter wieder mit der ersten Ziffer aus dem Vorrat. DEC BIN HEX WERT A B C D E F A B C D E F E F 127

3 (2) Das BIT und sein Lebensraum LICHT AN, LICHT AUS Es stellt sich die Frage, wozu die Exkursion in die Welt der Zahlensysteme gut war. Schließlich sind wir mit dem dezimalen System (und den 10 Fingern) ganz gut gefahren. Nun, es liegt in der Natur der Sache, daß alle Geräte, die auf elektronischem Wege Informationen verarbeiten, auf zwei Finger beschränkt sind. Deren kleine Welt besteht nämlich nur aus Strom vorhanden oder Strom nicht vorhanden. Ersteres entspricht 1, letzteres 0. 0 und 1 sind die kleinsten Informationseinheiten, die uns im Bereich der Elektronik zur Verfügung stehen. Wir nennen sie BIT (binary digit). Ein Problem entsteht Wir stellen uns jetzt folgende Situation vor: Ein Computer muß den Wert 5 zu einem Keyboard übertragen. Aus Lektion (1) wissen wir, der Computer würde diese Information als 101 weitergeben. Stellen wir uns weiter vor, daß unser Computer jetzt die Werte 5 und 8 zu übertragen hat. In BITs ausgedrückt hieße das Spätestens jetzt haben wir ein ernsthaftes Problem. Woher soll das Keyboard wissen, wo der erste Wert aufhört und der zweite beginnt? Die BIT-Folge ließe sich sowohl als 101 und 1000 wie auch als 10, 11, 00 und 00 interpretieren. Im ersten Fall kämen die Werte 5 und 8, im zweiten Fall die Werte 2, 3, 0 und 0 an. Und so wohnt das BIT Um Klarheit zu schaffen, hat man sich das BYTE ausgedacht. Ein BYTE kann man sich wie ein Haus vorstellen, in dem die BITs wohnen. Ein BYTE verfügt über genau 8 Zimmer. Ist ein Zimmer bewohnt (also ein Bit anwesend) hat es den Inhalt 1. Ein BYTE wird (in gewohnter Zählweise) von hinten gefüllt. Leere Zimmer haben automatisch den Inhalt 0. Mit diesem Trick ist jetzt jede Information - unabhängig von ihrer Zusammensetzung - genau 8 BIT lang: Unser BYTE mit dem Wert 5 sieht dann so aus: Das BYTE mit dem Wert 8 hätte folgenden Inhalt: Das Keyboard bekommt nun also zwei gleichlange Pakete geliefert ( und ) und erkennt so exakt die Werte 5 und 8. VON 2 NACH 10 Am Ende dieses Kapitels sehen wir uns noch einmal an, wie man aus einem BYTE wieder eine Dezimalzahl errechnet. Das wird uns helfen, ein paar Besonderheiten der MIDI-Sprache besser zu verstehen. Die einzelnen Zimmer eines BYTES sind unterschiedlich wertvoll. Das Zimmer mit dem höchsten Wert steht links (BIT8), das mit den niedrigsten Wert rechts (BIT1): Die blaue Zeile enthält den Zimmer-Wert im Binär-System, die braune Zeile den Wert im Dezimal-System. Um aus einem Byte wieder eine Dezimalzahl zu errechnen müssen wir lediglich die Werte aller belegten Zimmer addieren. Dazu sehen wir uns noch einmal das BYTE mit dem Inhalt 5 an. Die Zimmerbelegung befindet sich im unteren schwarzen Balken: Der Inhalt 5 belegt die Zimmer 1 und 3 (also die Werte 2 0 = 1 und 2 2 = 4). Addieren wir nun die Werte der belegten Zimmer, erhalten wir den dezimalen Wert 5. Wer aufgepaßt hat, hat vielleicht bemerkt, daß ein BYTE bei maximaler Zimmerauslastung ( ) höchstens den Dezimalwert 255 darstellen kann. Das ist auch die Obergrenze eines BYTEs. Zur Zeit der Geburtsstunde von MIDI um 1986 spielte das aber keine Rolle. Heutige Computer verwenden einfach mehrere Bytes, um größere Zahlen darstellen zu können. Schon die Kombination von zwei BYTEs läßt die Zimmerwerte 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 1096, 8192, und zu. Wenn alle Zimmer belegt sind, kann man mit diesen 16 BITs die Dezimalzahl dargestellten. Manchmal wird ein BYTE in zwei gleich große Hälften geteilt. Die linke Hälfte nennt man HI-NIBBLE (sie enthält die höherwertigen BITs 5-8), die rechte Hälfte LO-NIBBLE (sie enthält die niedriger wertigen BITs 1-4). Dieses Verfahren wird z.b. von dem MIDI-Befehl NOTE ON benutzt, um zwei Informationen zu je 4 BIT in einem BYTE zu transportieren. Die ersten 4 BITs enthalten den Befehl einen Ton zu erzeugen, die letzten 4 BITs geben die Kanalnummer (1-16) an. Hierzu mehr im nächsten Abschnitt WIR SPRECHEN MIDI

4 (3) Wir sprechen MIDI ZU BEGINN MIDI (oder Musical Instrument Digital Inerface) ist alt. Alt und langsam. Gemessen an den Entwicklungen, die die Computerwelt seit 1986 erlebt hat. Aber vielleicht gerade weil es so simpel ist, ist es einfach und robust und hat sich bis heute bewährt. EINE SPRACHE WIE ANDERE AUCH Da wir nun alle nötigen Buchstaben der Computersprache kennen, können wir uns daran machen, erste Worte in der MIDI-Sprache zu formulieren. Wie in jeder Sprache haben wir es auch hier mit Vokabeln (den MIDI-Befehlen) und Rechtschreib-Regeln (Syntax) zu tun. Eine MIDI-Information besteht aus mindestens zwei BYTES wobei das erste BYTE (STATUSBYTE) den MIDI- BEFEHL, alle folgenden BYTES die Daten enthalten. Wir unterscheiden zwei Arten von STATUSBYTES: die CHANNEL- und die SYSTEM-Nachrichten. CHANNEL- Nachrichten übertragen außer dem MIDI-BEFEHL eine KANAL-NUMMER - daher die Bezeichnung. Das STATUSBYTE erkennt man daran, daß das erste BIT (BIT8) immer den Wert 1 hat. Der Wert eines STATUS- BYTES liegt somit immer über 127 Alle weiteren BYTES enthalten die dazu gehörigen Daten. DATENBYTES erkennt man daran, daß das erste BIT (BIT 8) immer den Wert 0 hat. Somit liegen sie wertemäßig also nie über 127. Das bedeutet aber auch, daß wir nur 127 verschiedene Datenwerte zur Verfügung haben! BIT8 wird auch als MSB (Most Significant Bit) bezeichnet! Am besten sehen wir uns das an einem praktischen Beispiel an, dem NOTE ON Befehl: Er löst beim Empfänger einen Ton definierter Tonhöhe und Lautstärke aus: Sehen wir uns zuerst das Statusbyte (braun) an. Der Wert (dezimal 144) überträgt die NOTE ON Anweisung. Die ersten 4 BITS (1001) beinhalten den eigentlichen Befehl, die restlichen 4 BITS (0000) einen der 16 möglichen Kanäle, die uns pro MIDI-Kabel zur Verfügung stehen. Auf diese Weise lassen sich mit einer einzigen MIDI-Verbindung 16 verschiedene Klänge in einem Keyboard ansprechen - sofern das Instrument dazu in der Lage ist. Das erste Datenbyte ( , dezimal 69) gibt die Tonhöhe an. Hier den Kammerton a. Das Zweite Datenbyte überträgt die Anschlagsstärke, bzw. die Lautstärke. In diesem Falle den Maximalwert 127. GRENZEN UND MÖGLICHKEITEN In unserem Beispiel mit dem NOTE ON Befehl wurden nur Tonhöhe und Lautstärke übermittelt. Nicht aber die Dauer des Tones und seine Klangfarbe. Die Länge der Note wird durch einen weiteren MIDI- Befehl, den NOTE OFF Befehl beendet. Die Klangfarbe hängt von dem am Empfänger eingstellten Klang ab. Ein STATUSBYTE hat fast immer Priorität! Der Empfänger übernimmt einen neuen Status auch dann, wenn die gerade laufende Übertragung noch nicht abgeschlossen ist. Einzige Ausnahme: REAL-TIME Nachrichten (s. Tabelle am Ende des Workshops) Moderne Geräten können aufeinander folgende MIDI-Befehle mit dem gleichen Status-Byte zusammenfassen. Diese Verfahren heißt RUNNING STATUS. Das gemeinsame Statusbyte wird nur einmal übertragen, alle folgenden Datenbytes werden dann angehängt. Auf diese Weise wird das Datenaufkommen veringert. MIDI-BYTES werden seriell übertragen, d.h. ein BYTE nach dem anderen. Ein Akkord aus drei Tönen benötigt demnach pro Ton drei BYTES zum ein- und drei weitere BYTES zum ausschalten. Das ergibt für die komplette Übertragung 18 BYTES. Trotzdem muß das so schnell geschehen, daß der Hörer den Eindruck hat, daß die Töne gleichzeitig zu hören sind. An dieser Stelle wird sichtbar, daß MIDI ein relativ altes System ist und deshalb auch technische Grenzen hat (Geschwindigkeit, Datenauslastung, Kabellängen, usw.) Im Gegensatz zu Audioaufnahmen, benötigen MIDI-Dateien aber sehr wenig Platz, lassen sich mit ebenso wenig Aufwand bearbeiten und sind vom klanglichen Ergebnis unabhängig. UND DANN WÄRE DA NOCH... Per MIDI kann man aber nicht nur Töne ein- und ausschalten. Das MIDI-Protokoll erlaubt die Manipulation von nahezu allen Möglichkeiten, die ein elektronisches Instrument besitzt: Änderung der Klangprogrammierung, sichern und nachladen von Klangdaten, ändern von Klängen während der Wiedergabe und vieles mehr. Selbst die komplexe Benutzeroberfläche moderner Studiosoftware wie z.b. Logic oder Cubase läßt sich mittels eines externen Mischpultes und einer MIDI-Verbindung wie in der guten alten Zeit mit Schiebereglern und Drehknöpfen handhaben. Bevor am Ende des Workshops die obligatorische Übersicht über die grundlegenden MIDI-Befehle folgt, sehen wir uns noch einen Spezialfall unter den Statusbytes an den SysEx -Befehl. Er ist gewissermaßen das Schweizer Taschenmesser unter den MIDI-Befehlen.

5 (4) SysEx das Schweizer Taschenmesser DAS SCHWEIZER TASCHENMESSER Wer kennt es nicht, den Inbegriff unbegrenzter Möglichkeiten. Ähnlich verhält es sich auch mit dem SysEx-Befehl. Er ist trotz (oder gerade wegen) der spärlichen Definition ein äußerst mächtiges Werkzeug. Der SysEx-Befehl beginnt mit dem Status-Byte 240 (F0H) und endet mit dem Status-Byte 247 (F7H). Die dazwischenliegenden Daten-Bytes sind hersteller- und gerätespezifisch. Eines der einfachsten Systeme findet man bei dem Hersteller Roland, weshalb es hier auch für ein Beispiel herhalten darf. Dazu senden wir eine Nachricht an einem JD990-Synthesizer, die den Hall-Typ des aktuellen Performance-Sounds in Hall 4 ändert soll. Die Komplette Nachricht lautet Dezimal: 240, 65, 16, 87,18, 1, 0, 0, 41, 5, 81, 247. Folgendes passiert dabei: 240 Das SysEx Status-Byte. 65 Hersteller ID Roland - Ab jetzt werden nur noch Geräte der Firma Roland zuhören 16 Gerätenummer (für den Fall, daß sich mehrere Geräte des gleich Typs im System befinden). 87 Gerätekennung (in diesem Fall: Roland JD990). 18 An dieser Stelle versendet Roland eine Kennung für die Art des Auftrages. Der Wert 18 steht für den Vorgang, Informationen an das Gerät zu übertragen (DATA SET). Der Wert 17 würde für eine Datenabfrage stehen (DATA REQUEST). 1 Diese 4 Bytes (1,0,0 und 41) stehen für die Adresse, an die unsere Informationen gelangen soll. Je- 0 der veränderbare Parameter in unserem Roland- 0 Synthesizer verfügt über eine solche Adresse. Die 41 Adressen stehen im Handbuch. 5 Und das ist der Wert, der abgeliefert werden soll. Laut Handbuch sind an dieser Stelle die Werte 0-9 zulässig. Dort lesen wir auch, daß für den Halltyp 4 der Wert 5 zu übertragen ist. 81 Zugegeben, was jetzt kommt ist nicht ganz so einfach: Das ist eine Prüfsumme, mi der der Empfänger kontrolliert, ob die Empfange Nachricht korrekt angekommen ist. Die Bildung der Roland- Prüfsumme wird nachfolgend erklärt. * 247 Hier endet die SysEx Meldung. * Die Bildung Roland-Prüfsumme erfolgt in 3 Schritten. Zunächst werden die 4 Adressbytes und das Datenbyte addiert: Das Ergebnis lautet 47. Im zweiten Schritt wird das Ergebnis durch 128 dividiert. Das Ergebnis lautet 0, Rest 47. Zuletzt werden wir den Rest (47) von 128 subtrahieren. Das Ergebnis ist unsere Prüfsumme 81. Auf eine Zeile reduziert: Rest ( ( Adressbyte 1 + Adressbyte 2 + Adressbyte 4 + Datenbyte ) / 128 ). EINE NAGELFEILE So wie das Schweizer Taschenmesser für bestimmte Aufgaben spezielle Werkzeuge kennt, finden sich innerhalb des herstellerspezifischen Bereiches im SysEx-Befehl spezielle Vorgehensweisen um ein Ziel zu erreichen. Ein interessantes Beispiel bietet hier der Hersteller Korg, der sich ein besonderes Verfahren ausgedacht hat, um die Datenübertragung zu optimieren. Der Ablauf nach außen ist nicht anders als in unserem ersten Beispiel. Nur daß hier anstatt Adressen, die Position des Zielwertes auf dem Display des Instrumentes angegeben wird. Die Sequenz, um einen Parameter bei einem KORG 01/WproX zu ändern, lautet: 240, 66, 30, 43, 65, Display-Seite, -Zeile, -Spalte, Wert 1, Wert 2, 247. Der Trick steckt in der Art, wie Korg die Daten-Bytes überträgt. Wie wir bereits wissen, darf ein Daten-Byte maximal den Wert 127 annehmen. Von den vorhandenen 8 Bits dürfen also nur die letzten 7 benutzt werden. Das erste Bit bleibt ungenutzt. Diese Verschwendung gleicht Korg aus, indem man die zu übertragende Information in Gruppen zu je 8 Daten-Bytes bündelt. Jedes dieser Daten-Bytes ist, gemäß Spielregel, mit nur 7 Bits ausgelastet - das MSB hat also den Wert 0. Das erste der 8 Bytes spielt eine ganz besondere Rolle: Seine 7 Bits beinhalten jeweils das MSB der folgenden 7 Bytes. Und das sieht dann so aus: Das 1 Byte mit den 7 MSBs Die folgenden 7 Bytes Der Empfänger sortiert die 8 Bytes folgendermassen: Das erste Daten-Byte wird in seine einzelnen Bits zerlegt. Jedes der weiteren 7 Daten-Bytes bekommt nun eines jener 7 Bits als MSB zugeteilt. So stehen am Ende 7 Bytes, mit voller Bit-Ausnutzung. Der geräteinterne Speicher wird optimal genutzt. Bei der Konvertierung der Daten verliert man aber wertvolle Zeit. Letztere ist kostbar, da die Bytes ja, wie bereits erwähnt, nur seriell übertragen werden...

6 (5) Übersicht MIDI-Befehle IMA & MIDI.ORG Zum Abschluß eine Übersicht über die definierten MIDI-Befehle. Über die genaue Spezifikation wacht die Midi Manufacturers Assoiciation. Mehr dazu findet sich auf deren Website (Diese Link läßt sich anklicken, wenn dieses Dokument mit dem Acrobat-Reader oder mit einem Webbrowser betrachtet wird.) BEFEHL BIN DEC HEX WERT 1 (DEC) WERT 2 (DEC) NOTIZ NOTE ON 1000cccc Tonhöhe anschlag NOTE OFF 1001cccc Tonhöhe loslassen selten benutzt KEY PRESSURE 1010cccc 160 A0 Tonhöhe druck CONTROL CHANGE Controller-Nr. bank select MSB 1011cccc 176 BO 0 herstellerabhängig modulation 1011cccc 176 BO breath control 1011cccc 176 BO foot control 1011cccc 176 BO portamento time 1011cccc 176 BO data entry 1011cccc 176 BO main volume 1011cccc 176 BO balance 1011cccc 176 BO panorama 1011cccc 176 BO expression 1011cccc 176 BO bank select LSB 1011cccc 176 BO 32 herstellerabhängig sustain pedal 1011cccc 176 BO 64 0 (aus), 127 (an) portamento 1011cccc 176 BO 65 0 (aus), 127 (an) sostenuto pedal 1011cccc 176 BO 66 0 (aus), 127 (an) soft pedal 1011cccc 176 BO 67 0 (aus), 127 (an) extern efx depth 1011cccc 176 BO tremolo depht 1011cccc 176 BO chorus deüpth 1011cccc 176 BO detune (celeste) depth 1011cccc 176 BO phaser depth 1011cccc 176 BO data increment 1011cccc 176 BO data decrement 1011cccc 176 BO reset all contriollers 1011cccc 176 BO local control 1011cccc 176 BO (aus), 127 (an) all notes off 1011cccc 176 BO omni off 1011cccc 176 BO all notes off omni on 1011cccc 176 BO all notes off mono mode 1011cccc 176 BO 126 MIDI Kanäle poly off, all notes off poly mode 1011cccc 176 BO mono off, all notes off PROGRAMM CHANGE 1100cccc 192 C CHANNEL PRESSURE 1101cccc 208 D0H Anschlag-Tempo PITCH BENDING 1110cccc 224 E0H zwei kombinierte Werte (1+2) für höhere Auflösung

7 (6) Über sicht MIDI-Befehle Forts. BEFEHL BIN DEC HEX WERT 1 (DEC) WERT 2 (DEC) NOTIZ SYSTEM EXLUSIVE F0 System Exclusive SONG POSITION POINTER F Sequencer Steuerung SONG SELECT F Sequencer Steuerung TUNE REQUEST F6 für analoge Synthesizer END OF EXLUSIVE F7 End of System Exclusive TIMING CLOCK F8 Sequencer Steuerung START FA Sequencer Steuerung CONTINUE FB Sequencer Steuerung ANMERKUNGEN: BEFEHLE: Die erste Spalte enthält den Namen den MIDI-Befehles in GROSSBUCHSTABEN. Der Punkt CONTROL CHANGE ist unterteilt, da unter diesem Befehl 127 verschiedene Controller verwaltet werden. Die Controller-Namen stehen in kleinbuchstaben. CONTROLLER: Es sind insgesamt 127 Controller definiert. Die jeweilige Nummer wird durch das erste Datenbyte repräsentiert. Die Controller-Nummern 0-31 und sind für (Schiebe-)Regler vorgesehen. Da hier meist eine feinere Abstufung als die üblichen 127 Schritte gewünscht ist, werden jeweils zwei Controller-Nummern zu einem Zweck zusammengefasst (0/32, 1/33, 2/34,... 31/63). So bilden z.b. die Controller 0 und 32 den BANK SELECT Befehl. Einige Controller sind noch nicht vergeben. Die Befehle für omni-, poly- und mono-mode finden heute kaum mehr Verwendung, da alle gängigen Instrumente multimode fähig sind. Der System Exclusive Befehl ist ein außergewöhliches Werkzeug. Gewissermassen das Schweizer Taschenmesser fü MIDI-Anwendungen. Außer dem ersten und dem letzten BYTE ist nichts genormt. Theoretisch können hier beliebig viele DATENBYTES mit einem Befehl bewegt werden. Den SysEx -Befehl trifft man bevorzugt bei Sound-Editoren und MIDI- Mischpulten, wie wir sie auch in unserer Musiksoftware vorfinden werden.