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KY-3201P SGC PSG音源ICの使い方

注意：この記事の内容を鵜呑みにし、事故や損失を招いた場合でも当方は一切の責任は負いかねます。自己責任でお願いします。

秋月電子のお楽しみ袋に入っていた謎のIC 「TAXAN KY-3201P SGC」を0から解析してみました。
その結果、4音+ノイズ1音のSSG音源ICであることがわかりました。
この記事では、解析から演奏までを説明します。「1.解析」は飛ばしても構いません。
現在も解析中であるため、内容はちょくちょく修正されます。ご了承ください。また、間違いや新しい情報などコメント欄にコメントして頂くととても助かります。


構成：
1.解析
2.仕様
3.使い方
4.テスト
5.プログラム
6.まとめ

１．解析

ネット上にはデータシートはおろか、採用例なども見つからず使用を諦めていました。

ですが、このICがPSG音源ICという情報を見つけ解析を始めました。
まず、データーシートが手に入らない以上ICのピンがどのようになっているかが不明です。なので手掛かりを見つけるためにICを燃やしてダイの構造を観察することにしました。
ダイの構造を見ると左下らへんにレジスタ領域があります。(Twitter上ではまだこのICが何者かわからなかったためにROM書いてありますが間違いです。)
拡大してみると8bit×16が2つあり、アドレスが0x00から0x1Fをもつ8bitレジスタ群ということが予想出来ます。制御する上で重要な情報が入りました。

次にICのピンとダイを繋ぐボンディングパッドの形状を見てみます。
上下4か所、左右6か所あり、下の2か所が特徴的な形状をしています。
他の箇所と比べ大きくなっているので電源ピンと仮定することが出来ます。
また、その間にあるボンディングパッドは他の箇所と比べ小さいく、1か所しかないため特別な入出力ピンと予想できます。
このICのピンで言うと電源ピンは4番と6番に当たることがわかります。ここでピンと来る方もいるでしょう。
そう、このICの電源ピンの位置とYAMAHAのPSG音源IC「YMZ294」の電源ピンの位置が似ています。つまりこのIC自体「YMZ294」に近い性能を有している可能性があります。
以上がICのダイからわかる情報です。

ここからはこの予想をもとに各ピンの役割を解明していきます。
「YMZ294」に近いICということがわかったので、「YMZ294」のピンアサインと近いことが予想できます。そこで「YMZ294」のデータシートをもとに解析していきます。
まずは電源ピンの確定です。ダイの画像からは電源ピンの位置はわかりますが、VddかGNDかがどちらかわかりません「YMZ294」のデータシートを参考にすると4番ピンがVdd、6番ピンがGNDとなっています。なのでとりあえず、この通りに接続してみたところICに過大な電流が流れてしまいました。そこで今度は4番ピンがGND、6番ピンVddとして接続したところ過大な電流は流れず、電源ピンの位置が確定しました。

次に音の出力ピンの位置を予想します。「YMZ294」のデータシートを参考にすると電源ピンの間の5番ピンが音の出力であることがわかります。ダイの画像を見ると他の箇所のボンディングパッドと大きさが違うことから、このICの音の出力ピンは5番ピンであることが暫定できます。

これで3/20ピンの役割がわかりました。次に「YMZ294」のデータシートをもとに、システムクロック(ICの音生成用クロック)、データーバス、CS(チップセレクト)、WE(ライトイネーブル)、A0(データ・アドレス選択)、IC(リセット入力)ピンの位置を探ります。ダイ画像ではこの項目の判別が完全につかないため「YMZ294」のデータシートを参考にマイコンから演奏データを送りながら音の鳴る条件を探ります。
始めに「YMZ294」の電源ピン以外の対応するピンをこのICのピンとマイコンを接続してみました。ですが音が出ませんでした。よくよく考えてみると「YMZ294」とこのICの電源ピンの位置も若干違うため、これらの入力ピンも違う可能性があることに気付きました。
そこで根気強くこれらのピンを総当たり戦法でマイコンと接続しました。そこで作業開始から数時間後のこと、特定の入力パターンでデジタル出力になることがわかりました。
デジタル出力となるピンは7～11番ピンの5個と13～20番ピンの8個です。また、7～11番ピンは不明な条件によって出力パターンが変わることも判りました。
ここで13～20番ピンが8個ということでデーターバスであることが予想できます。
また、7～11番ピンは5個、つまり5bitのデータの送受信と考えるとダイ画像から予想した
アドレス0x1fをbitに直すと5bitであるため、7～11番ピンはアドレスバスであると暫定できます。
この結果は「YMZ294」のデータシートからの予想よりだいぶかけ離れていました。

これで残りは1、2、3、12ピンの4つです。
A0(データ・アドレス選択)ピンは不要なので除外し、残るはシステムクロック(ICの音生成用クロック)、CS(チップセレクト)、WE(ライトイネーブル)、IC(リセット入力)です。
「YMZ294」のデータシートは参考にならないと判り、総当たり戦法で見つけていきます。その結果、1番ピンはシステムクロック(ICの音生成用クロック)、2番ピンがIC(リセット入力)の可能性、3番がOE/WE(アウトイネーブル/ライトイネーブル選択)またはTEST入力端子の可能性、12番ピンがWEまたはCSの可能性が判りました。ただし、2、3、12番ピンの正確な役割はわかりません。

以上でこのICのピンの役割の解析が終わりました。
この通りにマイコン接続し、アドレス0x00～0x1Fにデータ0x00～0xFFを順番に書き込んだところランダムな音が出力されました。

ここからはレジスタマップの解析をしてきます。とはいうものの、アドレス0x00～0x1Fにデータ0x00～0xFFに書き込んでどのような音が出るか調べるので難易度は低いです。
不明な部分も多いですがとりあえず音を出すことは出来ました。
2の使い方にICのピンとアドレスマップをまとめます。

あと、「KY-3201P SGC」のSGCはサウンドジェネレーターコントローラーの略ではないかと思います。

２．仕様

音を止めるには、
・音量レジスタを0にする(＄02、＄07、＄0C、＄11)
   ※(＄02、＄07、＄0C、＄11)のD0とD1が'0'の場合
・オクターブ合成レジスタのビットを4つとも'0'にする(＄03、＄08、＄0D、＄12)
・サウンド出力レジスタを'1'にする(＄1FのD4)
   ※特定条件下でサウンド出力レジスタを'0'の場合でも出力されます。
のどれか1つの条件が合致した時、音が止まります。(例外も多くあります)

例：~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
「2.仕様」の楽音周波数の設定の(例)の音を出力したい場合

[クリスタルオシレーター8MHz
[分周レジスタDI=1
[楽音周波数設定レジスタTP=000100011100=284
[オクターブ合成レジスタH0=1、H1=1、H2=0、H3=0の時
[
[ft=8×10^6 /(2^1)×32×284=440.14Hz
[
[fso=(0×2^3×ft)&(0×2^2×ft)&(1×2^1×ft)&(1×ft)=880.28Hz & 440.14Hz


これに加えて
音量レジスタL0～L5を全て'1'(最大)にする。(＄02、＄07、＄0C、＄11)
ここではL0の右隣2つのビット(D1、D0)を'0'にする。(＄02、＄07、＄0C、＄11)
サウンド出力レジスタを'0'にします。(＄1FのD4)

こうして初めて880.28Hz と 440.14Hzの合成波(論理AND)が出力されます。
音を止めるには、音量レジスタL0～L5を全て'0'にします。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

レジスタ設定例：~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
クリスタルオシレーター8MHz
チャンネルAで880.28Hz と 440.14Hz合成波(論理AND)を出力する。

＄00に00011100
＄01に00000001
＄02に11111100
＄03に00000011
＄1Fに01000000

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
※音量レジスタはL0がMSB、L5がLSBとほかのレジスタとは逆になっています。

エンベロープについて
このKY-3201P SGCにはエンベロープ機能が付いていると思われます。
ですが仕様は今現在判明していません。情報を提供していただけるととても助かります。

ノイズ音について
ノイズ音はドラムセットとして利用できるのですが、エンベロープに依存しているためエンベロープの仕様が判明した後説明します。

4.テスト

6.まとめ