Fichiers audio, journal, annales

cours/audio/Makefile

@@ -0,0 +1,44 @@
+HEPTC=heptc
+HEPTLIB=$(shell heptc -where)
+CC=gcc
+CFLAGS=-g $(shell pkg-config --cflags --libs sdl2 sndfile) -I$(HEPTLIB)/c -lm
+PYGMENTS=python -m pygments -x
+
+TARGET=audio
+SOURCES=audio_c/audio_types.c \
+	audio_c/audio.c \
+	buffer.c \
+	vcd_lib.c \
+	mathext.c \
+	vcd.c \
+	main.c
+
+.PHONY: all clean test
+
+all: $(TARGET) audio.html main.html
+
+%.html: %.ept
+	$(PYGMENTS) -l ../../../notes/heptagon.py:HeptagonLexer -O full -o $@ $^
+
+%.html: %.c
+	$(PYGMENTS) -O full -o $@ $^
+
+clean:
+	rm -f $(TARGET) *.{epci,log,mls,obc,html} $(TARGET).{pdf,tex}
+	rm -rf audio_c
+
+test: $(TARGET)
+	./$(TARGET)
+
+$(TARGET): $(SOURCES)
+	@pkg-config --exists sdl2 || \
+		( echo "La bibliothèque SDL2 est absente."; exit 1 )
+	@pkg-config --exists sndfile || \
+		( echo "La bibliothèque sndfile est absente."; exit 1 )
+	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ -I audio_c -I. $^
+
+audio_c/audio_types.c audio_c/audio.c: audio.ept main.c mathext.epci vcd.epci
+	$(HEPTC) -target c $<
+
+%.epci: %.epi
+	$(HEPTC) $<

cours/audio/README.md

@@ -0,0 +1,14 @@
+# Synthèse sonore élémentaire en Heptagon
+
+Ce dossier contient quelques noeuds Heptagon élementaires qui produisent du son.
+
+Il utilise les bibliothèques SDL2 et sndfile. Elles doivent être installées via
+le gestionnaire de paquet de votre système d'exploitation (`apt-get` sous
+GNU/Linux Debian ou Ubuntu, `pacman` sous Arch Linux, `brew` sous macOS, etc.).
+
+```shell
+$ make
+$ ./audio
+```
+
+Pour essayer différents codes, il faut éditer le noeud `main` dans `audio.ept`.

cours/audio/audio.ept

@@ -0,0 +1,515 @@
+(******************************************************************************)
+(*                  SYNTHÈSE SONORE ÉLÉMENTAIRE EN HEPTAGON                   *)
+(******************************************************************************)
+
+(* Le but de ce fichier est de démontrer quelques techniques élémentaires de
+   génération de son en Heptagon, à travers de modestes expérimentations. Il n'a
+   bien sûr pas vocation à se substituer à un cours de traitement du signal ou
+   d'acoustique. En revanche, il peut facilement servir d'illustration de
+   diverses techniques de programmation en Heptagon. *)
+
+(* Le flot d'échantillons sonores produits par ce programme synchrone est
+   branché à un petit bout de code C qui les envoie au système sonore de votre
+   système d'exploitation par le biais de la bibliothèque SDL2. Votre OS les
+   transmet à la carte son qui elle même les envoie à vos enceintes, casque ou
+   écouteurs. *)
+
+(* Les langages synchrones ont été utilisés pour la synthèse sonore. Si ce sujet
+   vous intéresse, vous pouvez par exemple consulter la page du langage Faust, à
+   la syntaxe rudimentaire mais aux bibliothèques acoustiques, sonores et
+   musicales très développées : http://faust.grame.fr *)
+
+(* On va utiliser une petite bibliothèque de composants mathématiques. Les
+   curieuses et curieux pourront aller voir mathext.epci. *)
+
+open Mathext
+
+(* Avant de commencer, on a besoin de quelques définitions et outils. *)
+
+(* Le nombre d'échantillons, c'est à dire ici de pas synchrones, que le système
+   sonore va consommer une seconde. *)
+
+const period : int = 44100
+
+(* Un signal mono est un simple flot de nombres à virgule flottante. *)
+
+type mono = float
+
+(* Un signal stéréo fournit deux échantillons, gauche et droit, la carte son se
+   chargeant de les mixer pour donner l'impression d'un son 'surround'. *)
+
+type stereo = { l : float; r : float }
+
+(* Le signal constant silencieux. *)
+
+const silence : stereo = { l = 0.0; r = 0.0 }
+
+(* On peut dupliquer un signal mono pour obtenir un signal stéréo
+   inintéressant, les deux canaux portant la même valeur. *)
+
+fun stereo_of_mono(a : mono) returns (o : stereo)
+let
+  o = { l = a; r = a }
+tel
+
+(* On peut appliquer un gain à un signal stéréo, c'est à dire le multiplier par
+   un flottant pour l'amener à une amplitude différente. *)
+
+fun stereo_gain(g : float; s : stereo) returns (o : stereo)
+let
+  o = { l = g *. s.l; r = g *. s.r };
+tel
+
+(* Étant donné deux signaux, on peut les combiner via leur somme. *)
+
+fun stereo_sum(s1, s2 : stereo) returns (o : stereo)
+let
+  o = { l = s1.l +. s2.l; r = s1.r +. s2.r }
+tel
+
+(* Quand on utilise les deux fonctions qu'on vient de définir, gare à
+   l'amplitude en sortie ! Une amplitude trop élevée risque de dépasser la
+   capacité de votre carte son, enceintes ou écouteurs, ce qui cause un
+   phénomène de saturation : tous les échantillons d'amplitude trop élevée sont
+   écrasés sur l'amplitude maximale. *)
+
+(* La fonction mix ci-dessous pallie le défaut de la fonction stereo_sum en
+   renormalisant le résultat. De plus, elle traite un tableau de signaux, et
+   donc moralement un nombre d'entrées arbitraires. *)
+
+fun stereo_mix<<n : int>>(s : stereo^n) returns (o : stereo)
+let
+  o = stereo_gain(1.0 /. float(n), fold<<n>> stereo_sum(s, silence));
+tel
+
+(* On peut commencer à écouter un peu de son, par exemple celui du silence. *)
+
+node main0() returns (o : stereo)
+let
+  o = silence;
+tel
+
+(* Quid du noeud suivant ? *)
+
+node cracks() returns (o : stereo)
+let
+  o = { l = 4200.0; r = 4200.0 };
+tel
+
+(* On entendu un craquement, puis plus rien, puis un craquement lorsqu'on
+   interromp le programme. Pourquoi ?
+
+   Physiquement, le son est une vibration produit par une onde acoustique, c'est
+   à dire une oscillation de la pression de l'air. Autrement dit, il s'agit
+   d'une *variation*. Donc, le signal constant ne peut pas donner lieu à un son,
+   sauf au premier instant (passage de 0 à 4200) puis lorsqu'on interromp le
+   programme (passage de 4200 à 0).
+
+   Et si on essayait un signal qui varie ? Par exemple, un signal carré qui
+   passe de 1 à 0 toutes les demi-secondes. *)
+
+node periodic(p : int) returns (o : int)
+var n : int;
+let
+  o = 0 fby (if n = p then 0 else n);
+  n = o + 1;
+tel
+
+node beats_1() returns (o : stereo)
+let
+  o = stereo_of_mono(if periodic(period) <= period / 2 then 1.0 else -. 1.0);
+tel
+
+(* On obtient une série de battements simples. Faire en sorte que le canal droit
+   soit l'opposé du canal gauche produit un effet intéressant. *)
+
+node beats_2() returns (o : stereo)
+var l : float;
+let
+  l = if periodic(period) <= period / 2 then 1.0 else -. 1.0;
+  o = { l = l; r = -. l };
+tel
+
+(* Essayons maintenant de générer un signal qui croît indéfiniment. *)
+
+node fcnt(ini : float; step : float) returns (o : float)
+let
+  o = ini fby (o +. step);
+tel
+
+node sawtooth_1() returns (o : stereo)
+let
+  o = stereo_of_mono(fcnt(0.0, 1.0));
+tel
+
+(* On entend quelques craquements, puis plus rien. Normal : ce signal n'oscille
+   pas vraiment, ou du moins pas avant d'atteindre l'overflow. Pourquoi ne pas
+   tester un signal périodique en dents de scie, dans ce cas ? *)
+
+node sawtooth_2() returns (o : stereo)
+var t : float;
+let
+  t = float(periodic(128));
+  o = stereo_of_mono(t);
+tel
+
+(* Tiens, un son à peu près constant ! Pas très harmonieux cependant. *)
+
+(* Est-ce qu'appliquer un gain ferait une différence ? Pour bien observer la
+   différence, on n'a qu'à faire passer le gain de 0 à 1 à chaque seconde.
+   C'est très facile à programmer en Heptagon. *)
+
+node sawtooth_3() returns (o : stereo)
+var t : float; g : float;
+let
+  t = float(periodic(128));
+  g = float(periodic(period)) /. float(period);
+  o = stereo_gain(g, stereo_of_mono(t));
+tel
+
+(* On entend nettement le signal en dent de scie, avec un pic à la fin de la
+   seconde. De façon intéressante, si on augmente le gain, le son apparaît comme
+   plus pincé, un peu comme les notes d'une guitare. *)
+
+node sawtooth_4() returns (o : stereo)
+var t : float; g : float;
+let
+  t = float(periodic(128));
+  g = 3.0 *. float(periodic(period)) /. float(period);
+  o = stereo_gain(g, stereo_of_mono(t));
+tel
+
+(* En augmentant la période, les pics s'éloignent, en la diminuant, les
+   pics se rapprochent. *)
+
+node period_per_sec(a : int) returns (o : float)
+let
+  o = float(periodic(period / a)) /. float(period / a);
+tel
+
+node sawtooth_5() returns (o : stereo)
+var t : float; g : float;
+let
+  t = float(periodic(128));
+  g = period_per_sec(2);
+  o = stereo_gain(g, stereo_of_mono(t));
+tel
+
+(* On peut aussi appliquer des gains différents sur le canal mono et stéréo. *)
+
+node every_sec(s : int) returns (c : bool)
+let
+  c = periodic(period * s) = ((- 1) fby 0);
+tel
+
+node sawtooth_6() returns (o : stereo)
+var t : float; g1, g2 : float;
+let
+  t = float(periodic(128));
+  o = { l = g1 *. t; r = g2 *. t };
+  automaton
+    state FastLeftSlowRight
+      do g1 = period_per_sec(1);
+         g2 = period_per_sec(8);
+      until every_sec(5) then SlowLeftFastRight
+
+    state SlowLeftFastRight
+      do g1 = period_per_sec(5);
+         g2 = period_per_sec(1);
+      until every_sec(5) then FastLeftSlowRight
+  end
+tel
+
+(* Tous ces sons ne sont pas très harmonieux. Peut-on en obtenir de plus purs ?
+
+   Le traitement du signal nous enseigne, via la théorie de la transformée de
+   Fourier, que tout signal raisonnablement régulier peut se décomposer en une
+   somme (infinie) de sinusoïde. Autrement dit, les signaux sinusoïdaux peuvent
+   servir de briques de base élémentaires mais universelles. Considérés comme
+   des signaux audio, ils forment des tons purs, élémentaires.
+ *)
+
+node pure_tone(p : float) returns (o : float)
+var t : float;
+let
+  t = fcnt(0.0, 1.0);
+  o = sin(t *. (p /. float(period)) *. 2.0 *. Mathext.pi);
+tel
+
+(* Par exemple, la sinusoïde de fréquence 440.1 Hz, communément désignée sous le
+   nom de La 440, devrait vous être familière. *)
+
+node main_pure_1() returns (o : stereo)
+let
+  o = stereo_of_mono(pure_tone(440.0));
+tel
+
+(* En plus d'être la tonalité du téléphone, elle sert de référence pour
+   l'accordage des pianos, violons et d'autres instruments.
+
+   https://fr.wikipedia.org/wiki/La_440 *)
+
+(* En mélangeant plusieurs sinusoïdes ensembles, on peut obtenir des effets
+   rétro assez amusants. *)
+
+node some_pure_tone(p : float; i : int) returns (s : stereo)
+let
+  s = stereo_gain(period_per_sec(i + 1), stereo_of_mono(pure_tone(p)));
+tel
+
+node oscillating_counter<<m : int>>(i : int) returns (last o : int = 0)
+var step : int;
+let
+  step = if every_sec(1) then 1 else 0;
+  automaton
+    state Init
+      do o = i
+      until true then Increase
+
+    state Increase
+      do o = last o + step
+      until o >= m then Decrease
+
+    state Decrease
+      do o = last o - step
+      until o <= 0 then Increase
+  end
+tel
+
+node main_pure_2() returns (o : stereo)
+var periods : float^3; speeds : int^3;
+let
+  periods = [440.0, 261.6256, 4186.009];
+  speeds = map<<3>>(oscillating_counter<<10>>)([1, 3, 7]);
+  o = stereo_mix<<3>>(map<<3>> some_pure_tone(periods, speeds));
+tel
+
+(* Enfin, les amatrices et amateurs de piano pourront trouver sur la page
+
+   https://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies
+
+   une formule associant une fréquence de sinusoïde à une note de piano. On peut
+   l'utiliser comme suit. *)
+
+fun piano_freq_of_key(k : int) returns (f : float)
+let
+  f = Mathext.pow(2.0, (Mathext.float(k) -. 49.0) /. 12.0) *. 440.0;
+tel
+
+node tone_of_piano_key(k : int) returns (o : stereo)
+let
+  o = stereo_of_mono(pure_tone(piano_freq_of_key(k)));
+tel
+
+node maintain(c : bool; x : int on c; ini : int) returns (o : int)
+let
+  o = merge c x ((ini fby o) whenot c);
+tel
+
+node main_pure_3() returns (o : stereo)
+var k : int; c : bool;
+let
+  o = tone_of_piano_key(k);
+  k = maintain(c, 40 + periodic(53 - 40), 40);
+  c = periodic(period) = 0;
+tel
+
+(* On peut essayer de programmer un piano midi. *)
+
+(* Pour générer des transitions propres entre les notes, on a besoin de modifier
+   nos tons à travers une "enveloppe". La plus classique est l'enveloppe dite
+   "Attack-Decay-Sustain-Release", cf. Wikipédia.
+
+   https://en.wikipedia.org/wiki/Envelope_(music)#ADSR
+
+   Le noeud ci-dessous produit une telle enveloppe périodiquement, tous les t
+   instants. L'enveloppe prend la forme d'un gain entre 0 et 1.
+
+   Les paramètres a, d et s doivent-être tels que 0.0 < a + d + s < 1.0. Ils
+   expriment la fraction de t correspondant à chacune des quatre phases, la
+   phase d étant la fraction de t définie comme 1 - a - d - s.
+
+   Le paramètre s_level est le niveau de la phase S, entre 0 et 1 donc.
+
+ *)
+
+node adsr_envelope(t : int; a, d, s : float; s_level : float)
+          returns (e : float)
+var c, a_stop, d_stop, s_stop : int;
+let
+  a_stop = int(float(t) *. a);
+  d_stop = a_stop + int(float(t) *. d);
+  s_stop = d_stop + int(float(t) *. s);
+  c = periodic(t);
+  automaton
+    state Attack
+      do e = float(c) /. float(a_stop);
+      unless c >= a_stop continue Decay
+
+    state Decay
+      var f : float;
+      do e = 1.0 -. (1.0 -. s_level) *. f;
+         f = float(c - a_stop) /. float(d_stop - a_stop);
+      unless c >= d_stop continue Sustain
+
+    state Sustain
+      do e = s_level;
+      unless c >= s_stop continue Release
+
+    state Release
+      do e = s_level *. (1.0 -. float(c - s_stop) /. float(t - s_stop));
+      until c + 1 >= t continue Attack
+  end
+tel
+
+node midi_piano<<n : int>>(keys : int^2^n; time : int^n) returns (o : stereo)
+var i, j : int; next : bool; duree_mesure : int; e : float;
+let
+  duree_mesure = 2 * period; (* 1 mesure = 8 noires = 4 sec à 120 BPM. *)
+
+  i = periodic(n);
+  j = maintain(next, i, 0);
+  o = stereo_gain(e, stereo_mix<<2>>(map<<2>> tone_of_piano_key(keys[>j<])));
+  e = adsr_envelope(duree_mesure / time[> j <], 0.3, 0.1, 0.4, 0.5);
+
+  automaton
+    state Next
+      do next = true
+      until true then Wait
+
+    state Wait
+      var c : int;
+      do next = false;
+         c = 0 fby (c + 1);
+      until c >= (duree_mesure / time[> j <]) then Next
+    end
+tel
+
+const num_keys : int = 82
+
+node main_pure_4() returns (o : stereo)
+var keys : int^2^num_keys; time : int^num_keys;
+let
+  keys = [
+          [44, 00], [37, 00], [40, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [40, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [40, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [40, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [41, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [41, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [41, 00], [42, 00],
+          [44, 00], [37, 00], [41, 00], [42, 00],
+
+          [44, 00],
+          [37, 00],
+          [40, 37], [42, 00], [44, 00],
+          [37, 00], [40, 00], [42, 00],
+
+          [35, 39], [32, 00], [35, 00], [37, 00],
+          [39, 00], [32, 00], [35, 00], [37, 00],
+          [35, 39], [32, 00], [35, 00], [37, 00],
+          [39, 00], [32, 00], [35, 00],
+
+          [42, 00],
+          [35, 00],
+          [35, 40], [39, 00], [42, 00],
+          [35, 00], [40, 00], [39, 00],
+          [33, 37], [30, 00], [33, 00], [35, 00],
+          [33, 00], [30, 00], [33, 00], [35, 00],
+          [33, 37], [30, 00], [33, 00], [35, 00],
+          [37, 00], [30, 00], [33, 00],
+
+          [0, 0], [0, 0], [0, 0], [0, 0] (* silence *)
+          ];
+  time = [
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+
+          2,
+          2,
+          8, 8, 2,
+          2, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 4,
+
+          2,
+          2,
+          8, 8, 2,
+          2, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 8, 8,
+          4, 4, 4,
+
+          1, 1, 1, 1 (* silence *)
+          ];
+  o = midi_piano<<num_keys>>(keys, time);
+tel
+
+(* Bonus : la méthode de Karplus-Strong pour la synthèse de son de guitare.
+
+   https://en.wikipedia.org/wiki/Karplus%E2%80%93Strong_string_synthesis
+
+   http://sites.music.columbia.edu/cmc/MusicAndComputers/chapter4/04_09.php
+*)
+
+node flip(i: int) returns (o: float)
+let
+  o = if (i % 2 = 0) then 1.0 else -.1.0
+tel
+
+node karplus_strong<<l:int>>() returns (y : float)
+var b : float^l; i: int;
+let
+  i = 0 fby ((i+1) % l);
+  y  = 0.5 *. (b[>i<] +. 0.0 fby y);
+  b = (mapi<<l>> flip ()) fby ([b with [i] = y]);
+tel
+
+node repeat<<n : int>>(x : stereo) returns (o : stereo)
+var last t : stereo^n = silence^n;
+let
+  automaton
+    state Fill
+      do o = x;
+         t = [ last t with [ periodic(n) ] = x ]
+      until periodic(n) = n - 1 then Repeat
+
+    state Repeat
+      do o = t[> periodic(n) <]
+  end
+tel
+
+node saturating_counter(max : int) returns (o : int)
+var c : int;
+let
+  c = 0 fby (c + 1);
+  o = if c < max then c else max;
+tel
+
+node main_kp() returns (o : stereo)
+var s : stereo;
+let
+  s = repeat<<period>>({ l = karplus_strong<<115>>();
+                         r = karplus_strong<<55>>() });
+  o = stereo_gain(float(saturating_counter(5 * period)) /. float(5 * period),
+                  s);
+tel
+
+(* Le noeud principal du programme. *)
+
+(* Vous pouvez choisir un des noeuds principaux main_XXX écrits ci-dessus, ou
+   bien écrire le votre. *)
+
+node main() returns (o : stereo)
+let
+  o = main_pure_4();
+tel

cours/audio/buffer.c

@@ -0,0 +1,61 @@
+#include "buffer.h"
+
+#include <assert.h>
+#include <stddef.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+
+#define max(a, b) ((a) <= (b) ? (a) : (b))
+
+void *malloc_checked(size_t size) {
+  void *result = malloc(size);
+  if (!result) {
+    perror("malloc()");
+    exit(EXIT_FAILURE);
+  }
+  return result;
+}
+
+char *strdup_checked(const char *s) {
+  char *result = strdup(s);
+  if (!result) {
+    perror("strdup()");
+    exit(EXIT_FAILURE);
+  }
+  return result;
+}
+
+buffer_t *buffer_alloc(size_t initial_size) {
+  buffer_t *buff = malloc_checked(sizeof *buff);
+  buff->data = malloc_checked(initial_size * sizeof *buff->data);
+  buff->size = initial_size;
+  buff->occupancy = 0;
+  return buff;
+}
+
+void buffer_free(buffer_t *buffer) {
+  assert (buffer);
+
+  free(buffer->data);
+  free(buffer);
+}
+
+void buffer_resize(buffer_t *buff, size_t new_size) {
+  assert (buff);
+  assert (new_size >= buff->size);
+
+  unsigned char *new_data = malloc_checked(new_size);
+  memcpy(new_data, buff->data, buff->occupancy);
+  free(buff->data);
+  buff->data = new_data;
+  buff->size = new_size;
+}
+
+void buffer_write(buffer_t *buff, void *data, size_t data_size) {
+  assert (buff);
+  if (buff->occupancy + data_size > buff->size)
+    buffer_resize(buff, max(buff->size + data_size, 2 * buff->size));
+  memcpy(buff->data + buff->occupancy, data, data_size);
+  buff->occupancy += data_size;
+}

cours/audio/buffer.h

@@ -0,0 +1,27 @@
+#ifndef BUFFER_H
+#define BUFFER_H
+
+#include <sys/types.h>
+
+/* A simple type of append-only buffers. */
+
+typedef struct buffer {
+  unsigned char *data;
+  size_t size;
+  size_t occupancy;
+} buffer_t;
+
+void *malloc_checked(size_t size);
+char *strdup_checked(const char *);
+
+buffer_t *buffer_alloc(size_t initial_size);
+void buffer_free(buffer_t *buff);
+
+void buffer_write(buffer_t *buff, void *data, size_t data_size);
+
+#define buffer_foreach(ty, var, buffer)                          \
+  for (ty *var = (ty *)buffer->data;                             \
+       var < (ty *)(buffer->data + buffer->occupancy);           \
+       var++)
+
+#endif  /* BUFFER_H */

cours/audio/hept_ffi.h

@@ -0,0 +1,52 @@
+#ifndef HEPT_FFI_H
+#define HEPT_FFI_H
+
+#define UNPAREN(...) __VA_ARGS__
+
+#define DECLARE_HEPT_FUN(module, name, inputs, outputs)                 \
+  typedef struct { outputs; } module ## __ ## name ## _out;             \
+  void module ## __ ## name ##_step(UNPAREN inputs,                     \
+                                    module ## __ ## name ## _out *)
+
+#define DECLARE_HEPT_FUN_NULLARY(module, name, outputs)                 \
+  typedef struct { outputs; } module ## __ ## name ## _out;             \
+  void module ## __ ## name ##_step(module ## __ ## name ## _out *)
+
+#define DEFINE_HEPT_FUN(module, name, inputs)                          \
+  void module ## __ ## name ##_step(UNPAREN inputs,                    \
+                                    module ## __ ## name ## _out *out)
+
+#define DEFINE_HEPT_FUN_NULLARY(module, name, inputs)                   \
+  void module ## __ ## name ##_step(module ## __ ## name ## _out *out)
+
+#define DECLARE_HEPT_NODE(module, name, inputs, outputs, state)         \
+  typedef struct { outputs; } module ## __ ## name ## _out;             \
+  typedef struct { state; } module ## __ ## name ## _mem;               \
+  void module ## __ ## name ##_step(UNPAREN inputs,                     \
+                                    module ## __ ## name ## _out *,     \
+                                    module ## __ ## name ## _mem *);    \
+  void module ## __ ## name ##_reset(module ## __ ## name ## _mem *)
+
+#define DECLARE_HEPT_NODE_NULLARY(module, name, outputs, state)         \
+  typedef struct { outputs; } module ## __ ## name ## _out;             \
+  typedef struct { state; } module ## __ ## name ## _mem;               \
+  void module ## __ ## name ##_step(module ## __ ## name ## _out *,     \
+                                    module ## __ ## name ## _mem *);    \
+  void module ## __ ## name ##_reset(module ## __ ## name ## _mem *)
+
+#define DEFINE_HEPT_NODE_RESET(module, name)                            \
+  void module ## __ ## name ##_reset(module ## __ ## name ## _mem *mem)
+
+#define DEFINE_HEPT_NODE_STEP(module, name, inputs)                     \
+  void module ## __ ## name ##_step(UNPAREN inputs,                     \
+                                    module ## __ ## name ## _out *out,  \
+                                    module ## __ ## name ## _mem *mem)
+
+#define DEFINE_HEPT_NODE_NULLARY_STEP(module, name, inputs)             \
+  void module ## __ ## name ##_step(module ## __ ## name ## _out *out,  \
+                                    module ## __ ## name ## _mem *mem)
+
+/* FIXME remove when Heptagon's pervasives.h has been fixed. */
+typedef char * string;
+
+#endif  /* HEPT_FFI */

cours/audio/main.c

@@ -0,0 +1,153 @@
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <unistd.h>
+
+#include <SDL2/SDL.h>
+#include <sndfile.h>
+
+#include "audio.h"
+#include "vcd.h"
+
+const size_t sample_rate = Audio__period;
+
+void die(const char *message) {
+  fprintf(stderr, message);
+  exit(EXIT_FAILURE);
+}
+
+SNDFILE *file_out = NULL;
+
+int main(int argc, char** argv)
+{
+  Audio__main_mem mem;
+  Audio__main_out res;
+  SDL_AudioSpec spec;
+  SDL_AudioDeviceID dev;
+  int opt = -1;
+  bool quiet = false;
+  size_t max_sec = SIZE_MAX;    /* largest value of type size_t */
+  const char *filename = NULL;
+  Uint32 buffered;
+
+  while ((opt = getopt(argc, argv, "ho:qm:t:")) != -1) {
+    switch (opt) {
+    case 'h':
+      printf("Usage: %s OPTIONS\n", argv[0]);
+      printf("Options:\n");
+      printf("  -o <file.wav>   write samples to <file.wav>\n");
+      printf("  -q              do not play sound\n");
+      printf("  -m <sec>        play for <sec> seconds\n");
+      printf("  -t <file.vcd>   dump traces in <file.vcd>\n");
+      printf("  -h              display this message\n");
+      return 0;
+    case 'q':
+      quiet = true;
+      break;
+    case 'o':
+      filename = optarg;
+      break;
+    case 'm':
+      max_sec = atoi(optarg);
+      break;
+    case 't':
+      hept_vcd_init(optarg, VCD_TIME_UNIT_US, 20);
+      break;
+    default:
+      fprintf(stderr, "Unknown option '%c'\n", opt);
+      exit(EXIT_FAILURE);
+    }
+  }
+
+  if (SDL_Init(SDL_INIT_AUDIO) < 0)
+    die("Could not initialize SDL2\n");
+
+  /* Specification of requested output device. */
+  bzero(&spec, sizeof spec);
+  spec.freq = sample_rate;      /* Samples per second */
+  spec.format = AUDIO_F32;      /* Sample format: IEEE-754 32 bits */
+  spec.channels = 2;            /* Two channels */
+  spec.samples = 4096;          /* Buffers sized 4 KiB */
+  spec.callback = NULL;
+
+  if (!(dev = SDL_OpenAudioDevice(NULL, 0, &spec, NULL, 0)))
+    die("Could not open audio device\n");
+
+  if (filename != NULL) {
+    /* Specification of requested output file, if any. */
+    SF_INFO info_out;
+    bzero(&info_out, sizeof info_out);
+    info_out.channels = 2;                              /* Two channels */
+    info_out.samplerate = sample_rate;                  /* Samples per second */
+    info_out.format = SF_FORMAT_WAV | SF_FORMAT_PCM_16; /* File format */
+
+    if (!(file_out = sf_open(filename, SFM_WRITE, &info_out))) {
+      fprintf(stderr, "Could not open WAV file %s for writing\n", argv[1]);
+      SDL_Quit();
+      exit(EXIT_FAILURE);
+    }
+  }
+
+  Audio__main_reset(&mem);
+  float *buffer = calloc(spec.samples, sizeof *buffer);
+  SDL_PauseAudioDevice(dev, 0);
+
+  /* Loop until we've produced the requested amount of samples, that is the
+     duration in seconds multiplied by the number of samples per second. This
+     number of samples shall be sent on each of both stereo channels.
+
+     Each iteration sends spec.samples stereo samples to the audio device,
+     hence we halve it to get the number of generated samples per-channel. */
+  for (size_t samples = 0;
+       samples < max_sec * sample_rate;
+       samples += spec.samples / 2) {
+
+    /* Print sound progress. */
+    printf("\rSent %08zu samples", samples);
+    if (max_sec != SIZE_MAX) {
+      printf(" (%2.0f%)", 100. * (double)samples / (max_sec * sample_rate));
+    }
+    fflush(stdout);
+
+    /* Exit immediately if requested, e.g., the user pressed Ctrl-C. */
+    if (SDL_QuitRequested()) {
+      printf("\n");
+      return 1;
+    }
+
+    /* Step the node as much as necessary to fill a buffer. Each step produces
+       one stereo sample. */
+    for (size_t i = 0; i < spec.samples; i += 2) {
+      Audio__main_step(&res, &mem);
+      buffer[i+0] = res.o.l;
+      buffer[i+1] = res.o.r;
+    }
+
+    /* Send the generated sound to the sound card and/or file. */
+    if (!quiet)
+      SDL_QueueAudio(dev, buffer, spec.samples * sizeof *buffer);
+    if (file_out)
+      sf_writef_float(file_out, buffer, spec.samples / 2);
+
+    /* Throttle queued audio, otherwise we will certainly end up consuming all
+       available memory. */
+    buffered = SDL_GetQueuedAudioSize(dev);
+    while (!quiet && buffered >= 1 << 22) {
+      SDL_Delay(50);
+      buffered = SDL_GetQueuedAudioSize(dev);
+    }
+  }
+  printf("\n");
+
+  /* Wait until the audio buffer is empty. */
+  printf("Waiting for queue flush... "); fflush(stdout);
+  while ((buffered = SDL_GetQueuedAudioSize(dev)) != 0)
+    SDL_Delay(50);
+  printf("done.\n");
+
+  free(buffer);
+  if (file_out)
+    sf_close(file_out);
+  SDL_Quit();
+
+  return 0;
+}

cours/audio/mathext.c

@@ -0,0 +1,55 @@
+#include <stdio.h>
+#include <string.h>
+#include <stdlib.h>
+
+/* Avoid Heptagon's math.h. I don't think there's a single place where to find
+   math.h on Apple-platforms. */
+#ifndef __APPLE__
+#include </usr/include/math.h>
+#endif
+
+#include "mathext.h"
+
+void Mathext__float_step(int x, Mathext__float_out *o) {
+  o->o = (float)x;
+}
+
+void Mathext__int_step(float x, Mathext__int_out *o) {
+  o->o = (int)x;
+}
+
+void Mathext__floor_step(float x, Mathext__floor_out *o) {
+  o->o = floorf(x);
+}
+
+void Mathext__sin_step(float x, Mathext__sin_out *o) {
+  o->o = sinf(x);
+}
+
+void Mathext__cos_step(float x, Mathext__cos_out *o) {
+  o->o = cosf(x);
+}
+
+void Mathext__atan2_step(float y, float x, Mathext__atan2_out *o) {
+  o->o = atan2f(y, x);
+}
+
+void Mathext__pow_step(float x, float y, Mathext__pow_out *o) {
+  o->o = powf(x, y);
+}
+
+void Mathext__hypot_step(float x, float y, Mathext__hypot_out *o) {
+  o->o = hypotf(x, y);
+}
+
+void Mathext__sqrt_step(float x2, Mathext__sqrt_out *o) {
+  o->o = sqrtf(x2);
+}
+
+void Mathext__modulo_step(int x, int y, Mathext__modulo_out *o) {
+  o->o = x % y;
+}
+
+void Mathext__piano_freq_of_key_step(int n, Mathext__piano_freq_of_key_out *o) {
+  o->f = (float)(pow(2, (float)(n - 49) / (float)12) * 440.);
+}

cours/audio/mathext.epi

@@ -0,0 +1,16 @@
+external fun float(x : int) returns (o : float)
+external fun int(x : float) returns (o : int)
+external fun floor(x : float) returns (o : float)
+
+external fun sin(x : float) returns (o : float)
+external fun cos(x : float) returns (o : float)
+external fun atan2(y : float; x : float) returns (o : float)
+external fun hypot(x : float; y : float) returns (o : float)
+external fun sqrt(x2 : float) returns (o : float)
+external fun pow(x : float; y : float) returns (o : float)
+
+external fun modulo(x : int; y : int) returns (o : int)
+
+external fun piano_freq_of_key(k : int) returns (f : float)
+
+const pi : float = 3.14115

cours/audio/mathext.h

@@ -0,0 +1,27 @@
+#ifndef MATHEXT_H
+#define MATHEXT_H
+
+#include "stdbool.h"
+#include "assert.h"
+#include "pervasives.h"
+
+#include "hept_ffi.h"
+
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, float, (int), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, int, (float), int o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, floor, (float), float o);
+
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, sin, (float), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, cos, (float), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, atan2, (float, float), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, hypot, (float, float), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, sqrt, (float), float o);
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, pow, (float, float), float o);
+
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, modulo, (int, int), int o);
+
+DECLARE_HEPT_FUN(Mathext, piano_freq_of_key, (int), float f);
+
+static const float Mathext__pi = 3.14115;
+
+#endif  /* MATHEXT_H */

cours/audio/mathext_types.h

@@ -0,0 +1,4 @@
+#ifndef MATHEXT_TYPES_H
+#define MATHEXT_TYPES_H
+
+#endif  /* MATHEXT_TYPES_H */

cours/audio/vcd.c

@@ -0,0 +1,75 @@
+#include "vcd.h"
+
+#include <assert.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+
+#include "vcd_lib.h"
+
+vcd_file_t *vcd = NULL;
+
+bool enabled = false;
+
+void hept_vcd_cleanup() {
+  if (vcd) {
+    printf("[vcd] saving trace\n");
+    vcd_file_write(vcd);
+    vcd_file_free(vcd);
+  }
+}
+
+void hept_vcd_init(const char *filename,
+                   size_t time_number,
+                   vcd_time_unit_t unit) {
+  if (vcd) {
+    fprintf(stderr, "[vcd] initialization has already been performed\n");
+  } else {
+    vcd = vcd_file_alloc(filename, time_number, unit);
+    assert (vcd);
+    if (atexit(hept_vcd_cleanup)) {
+      perror("[vcd] atexit() failed");
+      exit(EXIT_FAILURE);
+    }
+    printf("[vcd] will save trace to %s\n", filename);
+  }
+}
+
+static inline void trace_samples(vcd_signal_t **signal,
+                          const char *name, vcd_signal_type_t type,
+                          void *samples, size_t count) {
+  if (!vcd)
+    return;
+
+  if (!*signal) {
+    *signal = vcd_signal_alloc(name, type, 1 << 17);
+    if (!vcd_file_add_signal(vcd, *signal)) {
+        perror("vcd_file_add_signal()\n");
+        exit(EXIT_FAILURE);
+    }
+  }
+  vcd_add_samples(*signal, samples, count);
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_RESET(Vcd, trace_bool) {
+  mem->signal = NULL;
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_STEP(Vcd, trace_bool, (string name, int v)) {
+  trace_samples(&mem->signal, name, VCD_SIGNAL_TYPE_BOOL, &v, 1);
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_RESET(Vcd, trace_int) {
+  mem->signal = NULL;
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_STEP(Vcd, trace_int, (string name, int v)) {
+  trace_samples(&mem->signal, name, VCD_SIGNAL_TYPE_INT, &v, 1);
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_RESET(Vcd, trace_float) {
+  mem->signal = NULL;
+}
+
+DEFINE_HEPT_NODE_STEP(Vcd, trace_float, (string name, float v)) {
+  trace_samples(&mem->signal, name, VCD_SIGNAL_TYPE_FLOAT, &v, 1);
+}

cours/audio/vcd.epi

@@ -0,0 +1,6 @@
+(* A basic library for producing VCD files from Heptagon code, typically used
+   for debugging purposes. *)
+
+external node trace_bool(name : string; v : bool) returns ()
+external node trace_int(name : string; v : int) returns ()
+external node trace_float(name : string; v : float) returns ()

cours/audio/vcd.h

@@ -0,0 +1,18 @@
+#ifndef VCD
+#define VCD
+
+#include <stdbool.h>
+#include <stddef.h>
+
+#include "hept_ffi.h"
+#include "vcd_lib.h"
+
+void hept_vcd_init(const char *filename,
+                   size_t time_number,
+                   vcd_time_unit_t unit);
+
+DECLARE_HEPT_NODE(Vcd, trace_bool, (string, int),, vcd_signal_t *signal);
+DECLARE_HEPT_NODE(Vcd, trace_int, (string, int),, vcd_signal_t *signal);
+DECLARE_HEPT_NODE(Vcd, trace_float, (string, float),, vcd_signal_t *signal);
+
+#endif  /* VCD */

cours/audio/vcd_lib.c

@@ -0,0 +1,198 @@
+#include "vcd_lib.h"
+
+#include <assert.h>
+#include <stddef.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+#include <time.h>
+
+#include "buffer.h"
+
+size_t vcd_sizeof_signal_type(vcd_signal_type_t type) {
+  switch (type) {
+  case VCD_SIGNAL_TYPE_BOOL:
+    return sizeof(int);
+  case VCD_SIGNAL_TYPE_INT:
+    return sizeof(int);
+  case VCD_SIGNAL_TYPE_FLOAT:
+    return sizeof(float);
+  }
+}
+
+typedef struct vcd_signal {
+  char *name;
+  vcd_signal_type_t type;
+  buffer_t *samples;
+} vcd_signal_t;
+
+vcd_signal_t *vcd_signal_alloc(const char *name,
+                               vcd_signal_type_t type,
+                               size_t initial_buffer_size) {
+  vcd_signal_t *res = malloc_checked(sizeof *res);
+  res->name = strdup_checked(name);
+  res->type = type;
+  res->samples =
+    buffer_alloc(initial_buffer_size * vcd_sizeof_signal_type(type));
+  return res;
+}
+
+void vcd_signal_free(vcd_signal_t *signal) {
+  assert (signal);
+
+  buffer_free(signal->samples);
+  free(signal->name);
+  free(signal);
+}
+
+void vcd_add_samples(vcd_signal_t *signal, void *samples, size_t count) {
+  assert (signal);
+  assert (samples);
+  buffer_write(signal->samples,
+               samples,
+               count * vcd_sizeof_signal_type(signal->type));
+}
+
+const char *vcd_time_unit_repr(vcd_time_unit_t u) {
+  const char *table[] = { "s", "ms", "us", "ns", "ps", "fs" };
+  assert (VCD_TIME_UNIT_S <= u && u <= VCD_TIME_UNIT_FS);
+  return table[u];
+}
+
+typedef struct vcd_file {
+  char *filename;
+  buffer_t *signals;
+  vcd_time_unit_t time_unit;
+  size_t time_unit_factor;
+} vcd_file_t;
+
+vcd_file_t *vcd_file_alloc(const char *filename,
+                           vcd_time_unit_t time_unit,
+                           size_t time_unit_factor) {
+  assert (filename);
+
+  vcd_file_t *vcd = malloc_checked(sizeof *vcd);
+  vcd->filename = strdup_checked(filename);
+  vcd->time_unit = time_unit;
+  vcd->time_unit_factor = time_unit_factor;
+  vcd->signals = buffer_alloc(10 * sizeof(vcd_signal_t));
+
+  return vcd;
+}
+
+void vcd_file_free(vcd_file_t *vcd) {
+  assert (vcd);
+
+  /* Free buffers. */
+  buffer_foreach (vcd_signal_t *, psig, vcd->signals)
+    vcd_signal_free(*psig);
+  buffer_free(vcd->signals);
+
+  free(vcd->filename);
+  free(vcd);
+}
+
+vcd_signal_t *vcd_file_lookup_signal(const vcd_file_t *vcd, const char *name) {
+  assert (vcd);
+  assert (name);
+
+  vcd_signal_t *res = NULL;
+
+  buffer_foreach (vcd_signal_t *, psig, vcd->signals) {
+    if (strcmp((*psig)->name, name) == 0) {
+      res = *psig;
+      break;
+    }
+  }
+
+  return res;
+}
+
+bool vcd_file_add_signal(const vcd_file_t *vcd, vcd_signal_t *signal) {
+  assert (vcd);
+  assert (signal);
+
+  if (vcd_file_lookup_signal(vcd, signal->name))
+    return false;
+
+  buffer_write(vcd->signals, &signal, sizeof signal);
+  return true;
+}
+
+bool vcd_file_write(vcd_file_t *vcd) {
+  FILE *f = fopen(vcd->filename, "w");
+
+  if (!f)
+    return false;
+
+  time_t current_time;
+  time(&current_time);
+
+  fprintf(f, "$version Generated by vcd.c $end\n");
+  fprintf(f, "$date %s $end\n", ctime(&current_time));
+  fprintf(f, "$timescale %zu %s $end\n",
+          vcd->time_unit_factor,
+          vcd_time_unit_repr(vcd->time_unit));
+
+  /* Dump signal declarations. */
+  fprintf(f, "$scope module Top $end\n");
+  buffer_foreach (vcd_signal_t *, psig, vcd->signals) {
+    fprintf(f, "$var ");
+    switch ((*psig)->type) {
+    case VCD_SIGNAL_TYPE_BOOL:
+      fprintf(f, "wire 1");
+      break;
+    case VCD_SIGNAL_TYPE_INT:
+      fprintf(f, "integer %zu", 8 * sizeof(int));
+      break;
+    case VCD_SIGNAL_TYPE_FLOAT:
+      fprintf(f, "real 32");
+      break;
+    }
+    fprintf(f, " %p %s $end\n", (*psig), (*psig)->name);
+  }
+  fprintf(f, "$upscope $end\n");
+  fprintf(f, "$enddefinitions\n");
+
+  /* Dump samples. */
+  fprintf(f, "$dumpvars\n");
+
+  /* We maintain a pointer to the current sample in each buffer. */
+  size_t signal_count = vcd->signals->occupancy / sizeof(vcd_signal_t *);
+  unsigned char **psamples = calloc(signal_count, sizeof(unsigned char *));
+  assert (psamples);
+  for (size_t i = 0; i < signal_count; i++)
+    psamples[i] = ((vcd_signal_t **)vcd->signals->data)[i]->samples->data;
+
+  /* We dump  */
+  bool active = true;
+  for (size_t step = 0; active; step++) {
+    fprintf(f, "#%zu\n", step);
+    active = false;
+    for (size_t i = 0; i < signal_count; i++) {
+      vcd_signal_t *sig = ((vcd_signal_t **)vcd->signals->data)[i];
+      if (psamples[i] < sig->samples->data + sig->samples->occupancy) {
+        active = true;
+        switch (sig->type) {
+        case VCD_SIGNAL_TYPE_BOOL:
+          fprintf(f, "%d%p\n", (*(int *)psamples[i] ? 1 : 0), sig);
+          psamples[i] += sizeof(int);
+          break;
+        case VCD_SIGNAL_TYPE_INT:
+          fprintf(f, "r%d %p\n", *(int *)psamples, sig);
+          psamples[i] += sizeof(int);
+          break;
+        case VCD_SIGNAL_TYPE_FLOAT:
+          fprintf(f, "r%.16g %p\n", *(float *)psamples, sig);
+          psamples[i] += sizeof(float);
+          break;
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  free(psamples);
+
+  fclose(f);
+  return true;
+}

cours/audio/vcd_lib.h

@@ -0,0 +1,47 @@
+#ifndef VCD_LIB_H
+#define VCD_LIB_H
+
+#include <stdbool.h>
+#include <stddef.h>
+
+typedef enum vcd_signal_type {
+  VCD_SIGNAL_TYPE_FLOAT,
+  VCD_SIGNAL_TYPE_INT,
+  VCD_SIGNAL_TYPE_BOOL
+} vcd_signal_type_t;
+
+size_t vcd_sizeof_signal_type(vcd_signal_type_t);
+
+typedef struct vcd_signal vcd_signal_t;
+
+vcd_signal_t *vcd_signal_alloc(const char *name,
+                               vcd_signal_type_t type,
+                               size_t initial_buffer_size);
+void vcd_signal_free(vcd_signal_t *signal);
+
+void vcd_add_samples(vcd_signal_t *signal, void *samples, size_t count);
+
+typedef enum vcd_time_unit {
+  VCD_TIME_UNIT_S,
+  VCD_TIME_UNIT_MS,
+  VCD_TIME_UNIT_US,
+  VCD_TIME_UNIT_NS,
+  VCD_TIME_UNIT_PS,
+  VCD_TIME_UNIT_FS,
+} vcd_time_unit_t;
+
+const char *vcd_time_unit_repr(vcd_time_unit_t);
+
+typedef struct vcd_file vcd_file_t;
+
+vcd_file_t *vcd_file_alloc(const char *filename,
+                           vcd_time_unit_t time_unit,
+                           size_t time_unit_factor);
+void vcd_file_free(vcd_file_t *);
+
+vcd_signal_t *vcd_file_lookup_signal(const vcd_file_t *vcd, const char *name);
+bool vcd_file_add_signal(const vcd_file_t *vcd, vcd_signal_t *signal);
+
+bool vcd_file_write(vcd_file_t *);
+
+#endif  /* VCD_LIB_H */

cours/audio/vcd_types.h

@@ -0,0 +1,4 @@
+#ifndef VCD_TYPES
+#define VCD_TYPES
+
+#endif  /* VCD_TYPES */