MIDI 檔案格式深度解析：從標頭區塊到事件指令完整規範

前言

為了在 Sega Genesis 上播放 MIDI 音樂，作者深入研究了 MIDI 檔案格式，並整理出這份詳細的格式規範文檔，包含標頭區塊、軌道區塊、Delta-time 編碼、MIDI 事件指令、Meta 事件、系統專用訊息等完整規格，並附帶 C++ 解碼/編碼工具原始碼。

1. 檔案整體結構

MIDI 檔案由兩大部分組成：

• 標頭區塊：描述檔案格式、軌道數量、時間基準等全域資訊
• 軌道區塊：可包含多個軌道，每個軌道獨立存放音樂事件序列

可將軌道想像為多軌錄音機的單軌，每軌可承載不同樂器、聲部或音效。

2. 標頭區塊詳細格式

4D 54 68 64 00 00 00 06 ff ff nn nn dd dd

格式類型說明

• 格式 0（單軌）：僅含一個軌道，最簡單
• 格式 1（多軌同步）：所有軌道垂直同步，同一時間開始，表現同一首曲子的不同聲部
• 格式 2（多軌非同步）：軌道間無需同步，可完全獨立

3. 軌道區塊結構

4D 54 72 6B xx xx xx xx

MIDI 事件結構

每個事件 = Delta-time + 事件資料

Delta-time 可變長度編碼

• 採用 7-bit 分組編碼，最高位（MSB）為延續旗標：1 表示後續還有 byte，0 表示最後一個 byte
• 最大 4 bytes（28 bits）
• 優點：小數值佔用少 bytes，大數值自動擴展，無需補零浪費空間

事件類型識別

• 通道訊息：命令 byte MSB=1 (值 > 128)，高 4 bits 為命令類型，低 4 bits 為通道號 (0-15)
• Meta 事件：以 0xFF 開頭，格式 FF xx nn dd...
• 系統專用訊息：0xF0-0xFF，無通道號
• 執行狀態：若事件無命令 byte，沿用上一條同類命令

4. 核心指令表（附錄 A 摘要）

通道語音訊息

Meta 事件

系統即時訊息

5. 音符號對照表（MIDI Note Number）

標準 88 鍵鋼琴範圍：0 (A-1) ~ 127 (G9)，中央 C (C4) = 60。

八度 |  C  C#  D  D#  E  F  F#  G  G#  A  A#  B
-----|---------------------------------------------
  0  |  0   1  2   3  4  5   6  7   8  9  10  11
  1  | 12  13 14  15 16 17  18 19  20 21  22  23
  2  | 24  25 26  27 28 29  30 31  32 33  34  35
  3  | 36  37 38  39 40 41  42 43  44 45  46  47
  4  | 48  49 50  51 52 53  54 55  56 57  58  59
  5  | 60  61 62  63 64 65  66 67  68 69  70  71  ← 中央 C (60)
  6  | 72  73 74  75 76 77  78 79  80 81  82  83
  7  | 84  85 86  87 88 89  90 91  92 93  94  95
  8  | 96  97 98  99 100 101 102 103 104 105 106 107
  9  |108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119
 10  |120 121 122 123 124 125 126 127

6. 附帶工具程式原始碼

DEC.CPP - 二進位轉十進位文字

將 MIDI 等二進位檔轉為以 Tab 分隔的十進位文字檔，每行 8 個數值，便於人工編輯檢視。

REC.CPP - 十進位文字轉二進位

讀取 DEC 輸出的文字檔，重建原始二進位 MIDI 檔案。

7. 參考文獻

• "MIDI Systems and Control" - Francis Rumsey, 1990, Focal Press
• "MIDI and Sound Book for the Atari ST" - Bernd Enders & Wolfgang Klem, 1989
• MIDI 規格文件：透過 LISTSERV@AUVM.AMERICAN.EDU 獲取 (GET MIDISPEC PACKAGE)

這份文檔對於開發 MIDI 解析器、音樂播放器、或進行音訊格式轉換的開發者極具參考價值。