libs/ardour/ardour/slave.h

   1 /*
   2     Copyright (C) 2002 Paul Davis
   3
   4     This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5     it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6     the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   7     (at your option) any later version.
   8
   9     This program is distributed in the hope that it will be useful,
  10     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  12     GNU General Public License for more details.
  13
  14     You should have received a copy of the GNU General Public License
  15     along with this program; if not, write to the Free Software
  16     Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  17
  18 */
  19
  20 #ifndef __ardour_slave_h__
  21 #define __ardour_slave_h__
  22
  23 #include <vector>
  24
  25 #include <glibmm/threads.h>
  26
  27 #include <jack/jack.h>
  28
  29 #include "pbd/signals.h"
  30
  31 #include "timecode/time.h"
  32
  33 #include "ardour/types.h"
  34 #include "midi++/parser.h"
  35 #include "midi++/types.h"
  36
  37 #ifdef HAVE_LTC
  38 #include <ltc.h>
  39 #endif
  40
  41 namespace MIDI {
  42         class Port;
  43 }
  44
  45 namespace ARDOUR {
  46
  47 class TempoMap;
  48 class Session;
  49
  50 /**
  51  * @class Slave
  52  *
  53  * @brief The Slave interface can be used to sync ARDOURs tempo to an external source
  54  * like MTC, MIDI Clock, etc.
  55  *
  56  * The name of the interface may be a bit misleading: A subclass of Slave actually
  57  * acts as a time master for ARDOUR, that means ARDOUR will try to follow the
  58  * speed and transport position of the implementation of Slave.
  59  * Therefore it is rather that class, that makes ARDOUR a slave by connecting it
  60  * to its external time master.
  61  */
  62 class Slave {
  63   public:
  64         Slave() { }
  65         virtual ~Slave() {}
  66
  67         /**
  68          * This is the most important function to implement:
  69          * Each process cycle, Session::follow_slave will call this method.
  70          *  and after the method call they should
  71          *
  72          * Session::follow_slave will then try to follow the given
  73          * <em>position</em> using a delay locked loop (DLL),
  74          * starting with the first given transport speed.
  75          * If the values of speed and position contradict each other,
  76          * ARDOUR will always follow the position and disregard the speed.
  77          * Although, a correct speed is important so that ARDOUR
  78          * can sync to the master time source quickly.
  79          *
  80          * For background information on delay locked loops,
  81          * see http://www.kokkinizita.net/papers/usingdll.pdf
  82          *
  83          * The method has the following precondition:
  84          * <ul>
  85          *   <li>
  86          *       Slave::ok() should return true, otherwise playback will stop
  87          *       immediately and the method will not be called
  88          *   </li>
  89          *   <li>
  90          *     when the references speed and position are passed into the Slave
  91          *     they are uninitialized
  92          *   </li>
  93          * </ul>
  94          *
  95          * After the method call the following postconditions should be met:
  96          * <ul>
  97          *    <li>
  98          *       The first position value on transport start should be 0,
  99          *       otherwise ARDOUR will try to locate to the new position
 100          *       rather than move to it
 101          *    </li>
 102          *    <li>
 103          *      the references speed and position should be assigned
 104          *      to the Slaves current requested transport speed
 105          *      and transport position.
 106          *    </li>
 107          *   <li>
 108          *     Slave::resolution() should be greater than the maximum distance of
 109          *     ARDOURs transport position to the slaves requested transport position.
 110          *   </li>
 111          *   <li>Slave::locked() should return true, otherwise Session::no_roll will be called</li>
 112          *   <li>Slave::starting() should be false, otherwise the transport will not move until it becomes true</li>     *
 113          * </ul>
 114          *
 115          * @param speed - The transport speed requested
 116          * @param position - The transport position requested
 117          * @return - The return value is currently ignored (see Session::follow_slave)
 118          */
 119         virtual bool speed_and_position (double& speed, framepos_t& position) = 0;
 120
 121         /**
 122          * reports to ARDOUR whether the Slave is currently synced to its external
 123          * time source.
 124          *
 125          * @return - when returning false, the transport will stop rolling
 126          */
 127         virtual bool locked() const = 0;
 128
 129         /**
 130          * reports to ARDOUR whether the slave is in a sane state
 131          *
 132          * @return - when returning false, the transport will be stopped and the slave
 133          * disconnected from ARDOUR.
 134          */
 135         virtual bool ok() const = 0;
 136
 137         /**
 138          * reports to ARDOUR whether the slave is in the process of starting
 139          * to roll
 140          *
 141          * @return - when returning false, transport will not move until this method returns true
 142          */
 143         virtual bool starting() const { return false; }
 144
 145         /**
 146          * @return - the timing resolution of the Slave - If the distance of ARDOURs transport
 147          * to the slave becomes greater than the resolution, sound will stop
 148          */
 149         virtual framecnt_t resolution() const = 0;
 150
 151         /**
 152          * @return - when returning true, ARDOUR will wait for seekahead_distance() before transport
 153          * starts rolling
 154          */
 155         virtual bool requires_seekahead () const = 0;
 156
 157         /**
 158          * @return the number of frames that this slave wants to seek ahead. Relevant
 159          * only if requires_seekahead() returns true.
 160          */
 161
 162         virtual framecnt_t seekahead_distance() const { return 0; }
 163
 164         /**
 165          * @return - when returning true, ARDOUR will use transport speed 1.0 no matter what
 166          *           the slave returns
 167          */
 168         virtual bool is_always_synced() const { return false; }
 169
 170         /**
 171          * @return - whether ARDOUR should use the slave speed without any adjustments
 172          */
 173         virtual bool give_slave_full_control_over_transport_speed() const { return false; }
 174 };
 175
 176 /// We need this wrapper for testability, it's just too hard to mock up a session class
 177 class ISlaveSessionProxy {
 178   public:
 179         virtual ~ISlaveSessionProxy() {}
 180         virtual TempoMap&  tempo_map()                 const   { return *((TempoMap *) 0); }
 181         virtual framecnt_t frame_rate()                const   { return 0; }
 182         virtual framepos_t audible_frame ()            const   { return 0; }
 183         virtual framepos_t transport_frame ()          const   { return 0; }
 184         virtual pframes_t  frames_since_cycle_start () const   { return 0; }
 185         virtual framepos_t frame_time ()               const   { return 0; }
 186
 187         virtual void request_locate (framepos_t /*frame*/, bool with_roll = false) {
 188                 (void) with_roll;
 189         }
 190         virtual void request_transport_speed (double /*speed*/)                   {}
 191 };
 192
 193
 194 /// The Session Proxy for use in real Ardour
 195 class SlaveSessionProxy : public ISlaveSessionProxy {
 196         Session&    session;
 197
 198   public:
 199         SlaveSessionProxy(Session &s) : session(s) {}
 200
 201         TempoMap&  tempo_map()                 const;
 202         framecnt_t frame_rate()                const;
 203         framepos_t audible_frame ()            const;
 204         framepos_t transport_frame ()          const;
 205         pframes_t  frames_since_cycle_start () const;
 206         framepos_t frame_time ()               const;
 207
 208         void request_locate (framepos_t frame, bool with_roll = false);
 209         void request_transport_speed (double speed);
 210 };
 211
 212 struct SafeTime {
 213         volatile int guard1;
 214         framepos_t   position;
 215         framepos_t   timestamp;
 216         double       speed;
 217         volatile int guard2;
 218
 219         SafeTime() {
 220                 guard1 = 0;
 221                 position = 0;
 222                 timestamp = 0;
 223                 speed = 0;
 224                 guard2 = 0;
 225         }
 226 };
 227
 228 class TimecodeSlave : public Slave {
 229   public:
 230     TimecodeSlave () {}
 231
 232     virtual Timecode::TimecodeFormat apparent_timecode_format() const = 0;
 233 };
 234
 235 class MTC_Slave : public TimecodeSlave {
 236   public:
 237         MTC_Slave (Session&, MIDI::Port&);
 238         ~MTC_Slave ();
 239
 240         void rebind (MIDI::Port&);
 241         bool speed_and_position (double&, framepos_t&);
 242
 243         bool locked() const;
 244         bool ok() const;
 245         void handle_locate (const MIDI::byte*);
 246
 247         framecnt_t resolution () const;
 248         bool requires_seekahead () const { return true; }
 249         framecnt_t seekahead_distance() const;
 250         bool give_slave_full_control_over_transport_speed() const;
 251
 252         Timecode::TimecodeFormat apparent_timecode_format() const;
 253
 254   private:
 255         Session&    session;
 256         MIDI::Port* port;
 257         PBD::ScopedConnectionList port_connections;
 258         bool        can_notify_on_unknown_rate;
 259
 260         static const int frame_tolerance;
 261
 262         SafeTime       current;
 263         framepos_t     mtc_frame;               /* current time */
 264         framepos_t     last_inbound_frame;      /* when we got it; audio clocked */
 265         MIDI::byte     last_mtc_fps_byte;
 266         framepos_t     window_begin;
 267         framepos_t     window_end;
 268         framepos_t     first_mtc_timestamp;
 269         bool           did_reset_tc_format;
 270         Timecode::TimecodeFormat saved_tc_format;
 271         Glib::Threads::Mutex    reset_lock;
 272         uint32_t       reset_pending;
 273         bool           reset_position;
 274         int            transport_direction;
 275         int            busy_guard1;
 276         int            busy_guard2;
 277
 278         double         speedup_due_to_tc_mismatch;
 279         double         quarter_frame_duration;
 280         Timecode::TimecodeFormat mtc_timecode;
 281         Timecode::TimecodeFormat a3e_timecode;
 282         bool           printed_timecode_warning;
 283
 284         /* DLL - chase MTC */
 285         double t0; ///< time at the beginning of the MTC quater frame
 286         double t1; ///< calculated end of the MTC quater frame
 287         double e2; ///< second order loop error
 288         double b, c, omega; ///< DLL filter coefficients
 289
 290         /* DLL - sync engine */
 291         int    engine_dll_initstate;
 292         double te0; ///< time at the beginning of the engine process
 293         double te1; ///< calculated sync time
 294         double ee2; ///< second order loop error
 295         double be, ce, oe; ///< DLL filter coefficients
 296
 297         void reset (bool with_pos);
 298         void queue_reset (bool with_pos);
 299         void maybe_reset ();
 300
 301         void update_mtc_qtr (MIDI::Parser&, int, framepos_t);
 302         void update_mtc_time (const MIDI::byte *, bool, framepos_t);
 303         void update_mtc_status (MIDI::MTC_Status);
 304         void read_current (SafeTime *) const;
 305         void reset_window (framepos_t);
 306         bool outside_window (framepos_t) const;
 307         void init_mtc_dll(framepos_t, double);
 308         void init_engine_dll (framepos_t, framepos_t);
 309 };
 310
 311 #ifdef HAVE_LTC
 312 class LTC_Slave : public TimecodeSlave {
 313 public:
 314         LTC_Slave (Session&);
 315         ~LTC_Slave ();
 316
 317         bool speed_and_position (double&, framepos_t&);
 318
 319         bool locked() const;
 320         bool ok() const;
 321
 322         framecnt_t resolution () const;
 323         bool requires_seekahead () const { return true; }
 324         framecnt_t seekahead_distance() const;
 325         bool give_slave_full_control_over_transport_speed() const;
 326
 327         Timecode::TimecodeFormat apparent_timecode_format() const;
 328
 329   private:
 330         int parse_ltc(const jack_nframes_t, const jack_default_audio_sample_t * const, const framecnt_t);
 331         bool process_ltc(framepos_t, framecnt_t);
 332         void init_ltc_dll(framepos_t, double);
 333
 334         Session&    session;
 335         bool        did_reset_tc_format;
 336         Timecode::TimecodeFormat saved_tc_format;
 337
 338         LTCDecoder *decoder;
 339         double      frames_per_ltc_frame;
 340
 341         framecnt_t  last_timestamp;
 342         framecnt_t  last_ltc_frame;
 343         framepos_t  ltc_transport_pos;
 344         double      ltc_speed;
 345
 346         /* DLL - chase MTC */
 347         double t0; ///< time at the beginning of the MTC quater frame
 348         double t1; ///< calculated end of the MTC quater frame
 349         double e2; ///< second order loop error
 350         double b, c, omega; ///< DLL filter coefficients
 351 };
 352 #endif
 353
 354 class MIDIClock_Slave : public Slave {
 355   public:
 356         MIDIClock_Slave (Session&, MIDI::Port&, int ppqn = 24);
 357
 358         /// Constructor for unit tests
 359         MIDIClock_Slave (ISlaveSessionProxy* session_proxy = 0, int ppqn = 24);
 360         ~MIDIClock_Slave ();
 361
 362         void rebind (MIDI::Port&);
 363         bool speed_and_position (double&, framepos_t&);
 364
 365         bool locked() const;
 366         bool ok() const;
 367         bool starting() const;
 368
 369         framecnt_t resolution () const;
 370         bool requires_seekahead () const { return false; }
 371         bool give_slave_full_control_over_transport_speed() const { return true; }
 372
 373         void set_bandwidth (double a_bandwith) { bandwidth = a_bandwith; }
 374
 375   protected:
 376         ISlaveSessionProxy* session;
 377         MIDI::Port* port;
 378         PBD::ScopedConnectionList port_connections;
 379
 380         /// pulses per quarter note for one MIDI clock frame (default 24)
 381         int         ppqn;
 382
 383         /// the duration of one ppqn in frame time
 384         double      one_ppqn_in_frames;
 385
 386         /// the timestamp of the first MIDI clock message
 387         framepos_t  first_timestamp;
 388
 389         /// the time stamp and should-be transport position of the last inbound MIDI clock message
 390         framepos_t  last_timestamp;
 391         double      should_be_position;
 392
 393         /// the number of midi clock messages received (zero-based)
 394         /// since start
 395         long midi_clock_count;
 396
 397         //the delay locked loop (DLL), see www.kokkinizita.net/papers/usingdll.pdf
 398
 399         /// time at the beginning of the MIDI clock frame
 400         double t0;
 401
 402         /// calculated end of the MIDI clock frame
 403         double t1;
 404
 405         /// loop error = real value - expected value
 406         double e;
 407
 408         /// second order loop error
 409         double e2;
 410
 411         /// DLL filter bandwidth
 412         double bandwidth;
 413
 414         /// DLL filter coefficients
 415         double b, c, omega;
 416
 417         void reset ();
 418         void start (MIDI::Parser& parser, framepos_t timestamp);
 419         void contineu (MIDI::Parser& parser, framepos_t timestamp);
 420         void stop (MIDI::Parser& parser, framepos_t timestamp);
 421         void position (MIDI::Parser& parser, MIDI::byte* message, size_t size);
 422         // we can't use continue because it is a C++ keyword
 423         void calculate_one_ppqn_in_frames_at(framepos_t time);
 424         framepos_t calculate_song_position(uint16_t song_position_in_sixteenth_notes);
 425         void calculate_filter_coefficients();
 426         void update_midi_clock (MIDI::Parser& parser, framepos_t timestamp);
 427         void read_current (SafeTime *) const;
 428         bool stop_if_no_more_clock_events(framepos_t& pos, framepos_t now);
 429
 430         /// whether transport should be rolling
 431         bool _started;
 432
 433         /// is true if the MIDI Start message has just been received until
 434         /// the first MIDI Clock Event
 435         bool _starting;
 436 };
 437
 438 class JACK_Slave : public Slave
 439 {
 440   public:
 441         JACK_Slave (jack_client_t*);
 442         ~JACK_Slave ();
 443
 444         bool speed_and_position (double& speed, framepos_t& pos);
 445
 446         bool starting() const { return _starting; }
 447         bool locked() const;
 448         bool ok() const;
 449         framecnt_t resolution () const { return 1; }
 450         bool requires_seekahead () const { return false; }
 451         void reset_client (jack_client_t* jack);
 452         bool is_always_synced() const { return true; }
 453
 454   private:
 455         jack_client_t* jack;
 456         double speed;
 457         bool _starting;
 458 };
 459
 460 } /* namespace */
 461
 462 #endif /* __ardour_slave_h__ */