MIDI文件深入剖析
midi文件组成
本文分析midi文件的组成和工作原理。
midi文件中没有任何音频数据，它仅仅是记录了该使用什么乐器演奏，演奏乐器的节拍，演奏力度等等。而真正发出音频信号数据到扬声器的是音源文件。音源文件是预先录制好的一种乐器的声音，一种乐器用一个固定的编号来表示，称之为键值，演奏的轻重程度称为力度，一种乐器演奏的时长称为tick。
废话不多，下面开始分析midi文件组成。
头块信息
数据格式：
<标志符串>(4字节) + <头块数据区长度>(4字节) + <头块数据区>(6字节)
-
标志符串"MThd" ，MThd是头块类型，用十六进制表示就是4d 54 68 64。
-
头块数据区长度，指的是后面接着的头块数据区长度，因为长度是6字节，所以固定显示为00 00 00 06。
-
头块数据区，共有6字节，分别为ff ff nn nn dd dd。
ff ff 指定midi文件格式，一般有3种：
- 00 00 表示只含一个音轨
- 00 01 表示含有多个同步音轨
- 00 10 表示含有多个独立音轨
nn nn 指定轨道数，一般都会大于1，因为除了演播主音轨外，还会有全局音轨。
dd dd 指定基本时间格式。
dd dd 的最高位为标记位。
0为采用ticks计时，后面的数据为一个4分音符的ticks；
1为SMPTE格式计时，后面的数值则是定义每秒中SMTPE帧的数量及每个SMTPE帧的tick。
用我们举例的midi来看看，dd dd 的数据为01 E0，表示采用ticks计时，1E0转十进制为480，也就是每个4分音符，包含480ticks。后面事件时间都是以ticks为单位。
音轨块
音轨块的数据格式：
<标志符串>(4字节) + <音轨块数据区长度>(4字节) + <音轨块数据区>(多个MIDI事件构成)
在头块之后，剩余的部分是一个或者多个音轨块。每个音轨块的结构如上面所示，包含3部分。
第一部分是音轨块的标志符，用ASCII码字符串表示为"MTrk"，用十六进制表示就是4d 54 72 6b。
第二部分是音轨块数据区，长度也为固定4字节，指定后面的数据区长度。
第三部分是音轨块的数据区，它是由多个midi事件构成，如下面所示：
- MIDI事件的构成格式：
< delta time > + < MIDI 消息 >
事件大体上可以分为音符、控制器和系统信息这几个种类。对于这些事件，都有统一的表达结构:种类+参
数。
“delta time”单位是tick,用动态字节表示。
MIDI消息是由一个状态字节加多个数据字节构成，状态字节最高位一直是1，所以它的范围是128255之间。数据字节最高位一直是0，所以它的范围是0127之间。
消息可分为通道消息和系统消息。
下面是MIDI通道消息的构成：
通道消息是对单一的MIDI Channle起作用，Channle的表示使用状态字节的低4位（用X表示）表示，即0~F。
| 状态字节 | 状态功能 | 数据字节 |
|---|---|---|
| 8X | 松开音符 | 1字节音符号，2字节力度 |
| 9X | 按下音符 | 1字节音符号，2字节力度 |
| AX | 触后音符 | 1字节音符号，2字节力度 |
| BX | 控制器变化 | 1字节控制器号，2字节参数 |
| CX | 改变乐器 | 1字节:弯音轮变换值的低字节 / 2字节:弯音轮变换值的高字节 |
| EX | 滑音（弯音轮） | 1字节音符号，2字节力度 |
| F0 | 系统码 | 系统码字节数:动态字节系统码:不含开头的 F0,但包括结尾的 F7 |
- 还有一种特殊的状态字节FF,表示非MIDI事件(Non- MIDI events)，也叫meta-event（元事件）。
| 种类字节 | 功能 | 数据字节长度 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 00 | 设置轨道音序 | 02 | 音序号 |
| 01 | 文字事件 | – | 文本信息 |
| 02 | 版权 | – | 版权信息 |
| 03 | 歌曲名称 | – | 全局音轨名称 |
| 04 | 指定乐器 | – | 乐器名称 |
| 05 | 歌词 | – | 歌词 |
| 06 | 标记 | – | |
| 07 | 注释 | – | 动作或事件 |
| 2F | 音轨结束标记 | 00 | 必须有结束标记 |
实例分析
以下是一个midi文件实例分析：
midi播放原理
要想播放midi文件，首先在当前机器上要有音源文件。
PC机系统自带了一套音源文件，所以在PC机上用任何播放器都可以播放midi文件。
如果在嵌入式系统上播放midi文件，难度就大了点。嵌入式系统上播放midi，就好比是要制作一台电子琴，首先要把音源烧录到flash中，在没有文件系统的情况下，需要简析midi文件，再把midi文件以数组或其它形式的方法保存下来，供代码使用。
一个midi文件在单片机上的简析
一个单片机上使用的midi文件
0x4D , 0x54 , 0x68 , 0x64 , // "MThd"
0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x06 , // 头块长度：不包括前4字节和本4字节
0x00 , 0x01 , // 格式；1-多轨，同步
0x00 , 0x03 , // 轨道数 = 3
0x01 , 0xE0 , // 基本时间格式 0x01E0 = 480;
0x4D , 0x54 , 0x72 , 0x6B , // "MTrk"
0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x15 , // 21 该规长度：不包括前4字节和本4字节
0x00 , // 时间差
0xFF , 0x58 , 0x04 , 0x04 , 0x02 , 0x18 , 0x08 , // 其他功能、节拍、长度4、分子4、分母4、节拍器时钟24、一个四分音符包含的32分音符的个数8
0x00 , // 时间差
0xFF , 0x51 , 0x03 , 0x0C , 0x35 , 0x00 , // 其他功能、速度、长度3：1个四分音符的微秒数800,000
0x84 , 0xE7 , 0x00 , // 时间差：128^2*4+128*103+0 = 78720
0xFF , 0x2F , 0x00 , // 音轨结束标志。
//======================================================================
0x4D , 0x54 , 0x72 , 0x6B , // "MTrk"
0x00 , 0x00 , 0x09 , 0xC9 , // 2505 该规长度：
0x00 , // 时间差
0xFF , 0x03 , 0x07 , // 歌曲标题，音轨名称，长度7
0x54 , 0x72 , 0x61 , 0x63 , 0x6B , 0x20 , 0x31 , // "Track 1"
0x00 , // 时间差
0xFF , 0x04 , 0x1F , // 乐器名称，长度31,--"Microsoft GS Wavetable SW Synth"
0x4D , 0x69 , 0x63 , 0x72 , 0x6F , 0x73 , 0x6F , 0x66 , 0x74 , 0x20 , 0x47 , 0x53 , 0x20 , 0x57, 0x61 , 0x76 ,
0x65 , 0x74 , 0x61 , 0x62 , 0x6C , 0x65 , 0x20 , 0x53 , 0x57 , 0x20 , 0x53 , 0x79 , 0x6E , 0x74, 0x68 ,
0x00 , // 时间差
0xB0 , 0x0A , 0x40 , // 调换控制，控制号10(声像控制器)，(CAKEWALK默认值是64)新值64
0x89 , 0x30 , // 时间差=128*9+48=1200us
0x90 , 0x40 , 0x50 , // 音符打开，音符号64，速度80 (E5 : MI)
0x81 , 0x58 , // 时间差=128*1+88=216us
0x80 , 0x40 , 0x40 , // 音符关闭，音符号64，速度64 (E5 : MI)
0x18 , // 时间差=24us
0x90 , 0x45 , 0x50 , // 音符打开，音符号69，速度80 (A5 : La)
0x81 , 0x58 , // 时间差=128*1+88=216us
0x80 , 0x45 , 0x40 , // 音符关闭，音符号69，速度64 (A5 : La)
0x18 ,
0x90 , 0x47 , 0x50 , // 音符打开，音符号71，速度80 (B5 : Si)
0x81 , 0x58 , // 时间差=128*1+88=216us
0x80 , 0x47 , 0x40 , // 音符关闭，音符号71，速度64 (B5 : Si)
0x18 ,
0xB0 , 0x40 , 0x7F , // 调换控制，控制号64(延音控制器)，新值117
0x00 , // 时间差
0x90 , 0x48 , 0x64 , // 音符打开，音符号72，速度100 (C6 : Do)
0x00 , // 时间差
0x90 , 0x45 , 0x50 , // 音符打开，音符号69，速度80 (A5 : La)
0x83 , 0x60 , // 时间差=128*3+96=480us
0x80 , 0x48 , 0x40 , // 音符关闭，音符号72，速度64 (C6 : Do)
0x00 , // 时间差
0x80 , 0x45 , 0x40 , // 音符关闭，音符号69，速度64 (A5 : La)
0x00 , // 时间差
0x90 , 0x4A , 0x64 , // 音符打开，音符号74，速度100 (D6 : RE)
0x81 , 0x70 , // 时间差=128*1+102=230us
0x80 , 0x4A , 0x40 , // 音符关闭，音符号74，速度64 (D6 : RE)
0x00 , // 时间差
0x90 , 0x4C , 0x64 , // 音符打开，音符号76，速度100 (E6 : MI)
0x81 , 0x70 , // 时间差=128*1+102=230us
0x80 , 0x4C , 0x40 , // 音符关闭，音符号76，速度100 (E6 : MI)
0x00 ,
0xB0 , 0x40 , 0x7F , // 调换控制，控制号64(延音控制器)，新值117
0x00 ,
0x90 , 0x4A , 0x64 , // 音符打开，音符号74，速度100 (D6 : RE)