通过前面的教程基本已经能玩游戏了，但是有音乐才算得上完整，下面介绍 NES 的 APU

1. 简介

APU 和 PPU 一样，也是比较复杂的芯片，和 PPU 比起来简单一些，但是比 CPU 复杂，毕竟不具备通用性

APU 有 5 通道，2 个方波，1 个三角波，1 个噪声，1 个 DMC

注：DMC 全称为 delta modulation channel，它用来产生方波，三角波，噪声产生不了的声音，声音信息提前存入 rom 中，不考虑精度的情况下，可以生成任意波形，比如鼓声这种复杂的声音，就得用 DMC

NES 有 4 bit DAC，故电压范围为 0 - 15，但是 DMC 除外，它有 7 bit，范围为 0 - 127

注：DAC 叫 “数模转换器”， 作用是把数字量转化为模拟量（电压），音频信号就是典型的模拟信号，其电压随时间变化，所以通过 DAC，可以通过数字的方式生成音频信号。

APU 寄存器分布如下：

2. 时钟

声音有长有短，频率也在时刻变化，这些都需要时钟来提供，APU 有两个时钟：

• 基本时钟（APU 周期）：CPU clock / 2
  用于控制波形频率
• 帧计数器：240Hz
  用于控制波形持续时间

3. 状态寄存器

由于 APU 有多个通道，所以提供了专门的 状态寄存器 用于控制通道使能和读取通道相关信息

• 写 0x4015

  BIT	作用
  0	使能方波 1
  1	使能方波 2
  2	使能三角波
  3	使能噪声
  4	使能 DMC
  5	-
  6	-
  7	-

• 读 0x4015

  BIT	作用
  0	方波 1 长度计数器不为 0
  1	方波 2 长度计数器不为 0
  2	三角波长度计数器不为 0
  3	噪声长度计数器不为 0
  4	DMC 长度计数器不为 0
  5	-
  6	帧中断
  7	DMC 中断

读 0x4015 后，会清除 帧中断 标志

4. 帧计数器

帧计数器 位于地址 0x4017，用来驱动各通道的长度，包络等单元。该寄存器只用了 2 个 bit，分别控制中断使能与步进方式：

这里肯定有人不理解什么是 4 步 5 步模式，还记得前面时钟部分讲到有 240Hz 的时钟吗？该时钟每周期会步进一次，如下：

注：长度计数器，包络等概念一会再讲

比如，如果当前为 4 步模式，则驱动包络与线性计数器的频率为 240Hz，产生中断的频率为 60Hz，驱动长度计数器和扫描单元的频率为 120Hz

用代码实现也很简单，用 switch case 就行：

  // processFrameCounter 调用频率为 240Hz
  private processFrameCounter(): void {
    if (this.mode === 0) { // 4 Step mode
      switch (this.frameCounter % 4) {
        case 0:
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 1:
          this.processLengthCounterAndSweep();
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 2:
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 3:
          this.triggerIRQ();
          this.processLengthCounterAndSweep();
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
      }
    } else { // 5 Step mode
      switch (this.frameCounter % 5) {
        case 0:
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 1:
          this.processLengthCounterAndSweep();
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 2:
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
        case 3:
          break;
        case 4:
          this.processLengthCounterAndSweep();
          this.processEnvelopeAndLinearCounter();
          break;
      }
    }
  }

5. 单元

前面已经见过了长度计数器（Length counter），扫描单元（Sweep），包络（Envelope），线性计数器（Linear counter），每个通道都包含部分上述单元，每通道的单元都可以由该通道的寄存器控制，单元列表如下：

• Timer
  每个通道都有，它使用基本时钟（CPU clock / 2），用于控制波形频率
• Length counter（长度计数器）
  除 DMC 外其他通道都有，用于控制波形持续时间
• Envelope（包络）
  只有方波和噪声通道有，用于控制音量随时间的变化的情况，比如车离你越来越远，音量越来越小的场景
• Sweep（扫描单元）
  只有方波通道有，用于控制声音频率随时间变化，可以想象下汽车车速越来越快时发动机声音越来越尖的场景
• Linear counter （线性计数器）
  只有三角波通道有，与 Length counter 一样，也用来控制音频持续时间。肯定有人会问这样功能不就重复了吗。其实结合前面的 4 步与 5 步序列我们可以发现，Linear counter 一个周期处理 4 次，Length counter 一个周期只处理 2 次，这样 Linear counter 的精度就是 Length counter 的 2 倍，可以做更高精度的定时
• linear feedback shift register（线性反馈移位寄存器）
  只有噪声通道有，用来发生伪随机数，以此来产生噪声
• Memory reader（内存读取单元）
  只有 DMC 通道有，读取总线上编码好的数据到 sample buffer
• Sample buffer（采样缓冲）
  只有 DMC 通道有，缓冲 DMC 数据
• Output unit（输出单元）
  只有 DMC 通道有，用于生成音量数据

6. 混音器

复杂的音乐是有各t种音色组合起来的，APU 5 个通道充分运用才能发出动听的音乐。混音器就是用来组合 5 个通道音频整合后输出一个信号的东西

下列公式会将 5 个通道声音整合后输出为一个范围 0 ～ 1.0 的信号：

output = pulse_out + tnd_out

                            95.88
pulse_out = ------------------------------------
             (8128 / (pulse1 + pulse2)) + 100

                                       159.79
tnd_out = -------------------------------------------------------------
                                    1
           ----------------------------------------------------- + 100
            (triangle / 8227) + (noise / 12241) + (dmc / 22638)

具体参考 http://wiki.nesdev.com/w/index.php/APU_Mixer

在模拟的时候混音器有两种实现方式：查表和直接计算，直接计算代码最简单：

    output = pulse_out + tnd_out
    
    pulse_out = 0.00752 * (pulse1 + pulse2)
    
    tnd_out = 0.00851 * triangle + 0.00494 * noise + 0.00335 * dmc