Tại cốt lõi của mình, Nintendo Entertainment System (NES) được cung cấp năng lượng bởi một biến thể tùy chỉnh của bộ vi xử lý 6502, nhưng điều thực sự làm nên sự khác biệt của nó là cách các thành phần hoạt động cùng nhau. Không giống như các máy console khác vào thời điểm đó, NES đã đẩy mạnh một cách tiếp cận thiết kế mô-đun khác biệt. Các thành phần phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc của nó cho phép các băng game (cartridge) trở thành một phần mở rộng của hệ thống, xử lý các tác vụ mà các console khác tích hợp cứng vào bo mạch chủ của chúng.
Sự linh hoạt này đã mang đến cho các nhà phát triển không gian để phát hành một số trò chơi hay nhất thời đại, và đảm bảo rằng Nintendo NES sẽ duy trì sự phù hợp trên thị trường game trong gần một thập kỷ. Ngay cả bây giờ, 40 năm sau, ai đó đã chạy được .NET trên phần cứng gốc của NES.
Hãy cùng congnghemoi.net phân tích cách kiến trúc Nintendo NES được thiết kế, kiểm tra các thành phần cốt lõi của nó, và khám phá cách mọi thứ hoạt động cùng nhau để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng của nó.
Bên Trong NES: Ba Nhóm Thành Phần Tương Tác Đồng Bộ
Cách cartridge mở rộng khả năng của console
Kết nối Cartridge 72-PIN của Nintendo NES
Kiến trúc Nintendo NES có thể được chia thành ba nhóm chính: các thành phần liên quan đến CPU, các thành phần liên quan đến PPU, và các thành phần dành riêng cho băng game (cartridge). Cùng với nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến dành riêng cho game, giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp tốt. Bằng cách chuyển giao một số khả năng nhất định cho cartridge, Nintendo đã giữ cho console có giá thành phải chăng đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển để đẩy phần cứng đi xa hơn với mỗi trò chơi mới và tăng tuổi thọ của hệ thống.
- Nhóm liên quan đến CPU bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ xử lý âm thanh (APU), và một chip RAM tĩnh (WRAM) 2KB. Các yếu tố này hoạt động cùng nhau để thực thi logic của trò chơi, xử lý âm thanh và quản lý dữ liệu tạm thời.
- Nhóm liên quan đến PPU được dành riêng cho việc hiển thị hình ảnh. Nó bao gồm bộ xử lý hình ảnh (PPU) và RAM video (VRAM) liên quan, quản lý mọi thứ từ các đối tượng đồ họa (sprite) của nhân vật đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm cartridge bao gồm bộ nhớ chương trình ROM (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều băng game còn có các thành phần bổ sung như mappers (MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên băng game để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời sử dụng cartridge chủ yếu như một phương tiện lưu trữ, NES đã tạo sự khác biệt bằng cách tận dụng khe cắm cartridge để giao tiếp trực tiếp với cả nhóm CPU và PPU. Thiết kế này cho phép tích hợp phần cứng tùy chỉnh, như các MMC và VRAM mở rộng, ngay trong các cartridge. Việc tích hợp khe cắm cartridge với PPU và CPU đã cho phép các cartridge thay đổi trực tiếp các khía cạnh chính của đồ họa, âm thanh và bộ nhớ, mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt cao hơn để mở rộng khả năng của hệ thống. Đây là lý do tại sao chúng ta thấy sự tiến bộ ổn định của các trò chơi chất lượng tốt hơn trong suốt vòng đời của NES.
Các Khối Xây Dựng Mô-đun Của NES: Tìm Hiểu Chuyên Sâu Các Thành Phần Cốt Lõi
Thành phần liên quan đến CPU: Bộ não của NES
Tại trung tâm của Nintendo NES là CPU của nó, một chip Ricoh tùy chỉnh (RP2A03 cho các vùng NTSC và RP2A07 cho các vùng PAL) dựa trên bộ xử lý MOS Technology 6502 được sử dụng trong Apple II. Không giống như 6502 tiêu chuẩn, phiên bản NES thiếu hỗ trợ cho các hoạt động số thập phân mã hóa nhị phân (BCD), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm kinh doanh nhưng phần lớn không liên quan trong trò chơi. Chế độ BCD đã được MOS Technology cấp bằng sáng chế và, bằng cách vô hiệu hóa mạch BCD, Nintendo và Ricoh có thể tránh phí cấp phép mà họ phải trả cho MOS Technology.
CPU Ricoh 6502 trên bảng mạch Nintendo NES Mk1
Điều làm cho CPU của NES trở nên độc đáo là nó không chỉ là một bộ xử lý—nó còn chứa bộ xử lý âm thanh (APU). Bộ đồng xử lý này tạo ra âm thanh bằng cách sử dụng năm kênh: hai kênh xung (pulse channel) cho giai điệu, một kênh tam giác (triangle channel) cho âm trầm, một kênh nhiễu (noise channel) cho bộ gõ, và một kênh DMC để phát âm thanh mẫu. APU đã mang lại cho NES âm thanh 8-bit đặc trưng của nó, và là lý do tại sao “circuit bending” NES lại thú vị đến vậy.
Chip WRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES Mk1
2KB RAM hoạt động (WRAM) có nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thay đổi — thông tin có thể được thay đổi hoặc sửa đổi sau khi được tạo. Mặc dù bị giới hạn, việc lập trình thông minh cho phép các nhà phát triển tận dụng tối đa dung lượng thấp này. Ví dụ, thay vì giữ toàn bộ bản đồ trong bộ nhớ, các trò chơi như The Legend of Zelda đã sử dụng các thuật toán để tạo dữ liệu bản đồ động trong quá trình chơi.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã trò chơi, xử lý đầu vào và điều khiển các thành phần khác. Phần APU của CPU kiểm soát âm thanh, và WRAM đóng vai trò là không gian làm việc để theo dõi mọi thứ đang diễn ra trong trò chơi.
Thành phần liên quan đến PPU: Cốt lõi đồ họa của NES
Đồ họa của NES được xử lý bởi Bộ Xử lý Hình ảnh (PPU), một chip Ricoh tùy chỉnh có nhãn RP2C02H-O. Trong khi CPU thực thi logic của trò chơi, PPU chỉ tập trung vào việc hiển thị hình ảnh lên màn hình. Nó được thiết kế để vẽ hai lớp riêng biệt: các ô nền (background tiles) và các đối tượng đồ họa (sprites), về cơ bản là các đối tượng có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Chip PPU Ricoh RP2C02H-O trên bảng mạch Nintendo NES Mk1
Không giống như các GPU hiện đại, PPU không thể lập trình trực tiếp. Thay vào đó, CPU điều khiển nó thông qua các thanh ghi I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O registers), hoạt động như một cầu nối giữa hai thành phần. Các thanh ghi này cho phép CPU chỉ thị cho PPU biết nên vẽ những ô nào, đặt chúng ở đâu và tô màu chúng như thế nào. Chẳng hạn, khi Mario nhảy trong Super Mario Bros., CPU cập nhật các thanh ghi PPU để di chuyển sprite của Mario theo chiều dọc trong khi vẽ lại các ô nền thích hợp khi anh ấy di chuyển.
Chip VRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES Mk1
Hỗ trợ PPU là 2KB VRAM (RAM video), cùng loại SRAM được sử dụng cho WRAM. VRAM này lưu trữ các bảng tên (name tables) (ánh xạ vị trí các ô xuất hiện trên màn hình), các bảng thuộc tính (attribute tables) (xử lý việc gán màu cho các nhóm ô), và các bảng màu (palettes) (các màu cụ thể mà mỗi ô có thể sử dụng). Các bảng này cho phép các nhà phát triển tạo ra các hình ảnh phức tạp bất chấp phần cứng giới hạn của NES.
Để tiết kiệm tài nguyên, NES chỉ có đủ VRAM để hỗ trợ dữ liệu bảng tên cho hai màn hình, đó là lý do tại sao các trò chơi như Metroid sử dụng kỹ thuật “mirroring” (phản chiếu) để tái sử dụng các phần của màn hình khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể kiểm soát việc phản chiếu này bằng cách sử dụng các thanh ghi ánh xạ bộ nhớ, đảm bảo lối chơi mượt mà ngay cả với phần cứng hạn chế.
Nói một cách đơn giản, nhóm PPU hoạt động tương tự như nhóm CPU nhưng được dành riêng hoàn toàn cho đồ họa. Trong khi CPU xử lý logic của trò chơi, PPU xử lý mọi thứ về hình ảnh—vẽ nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Thành phần liên quan đến Cartridge: Mở rộng khả năng vô hạn của NES
Trong khi PPU và CPU hình thành cốt lõi của NES, các cartridge đã thêm vào phép thuật làm cho mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Cartridge không chỉ là một thiết bị lưu trữ — nó là một phần mở rộng của console, giao tiếp trực tiếp với cả CPU và PPU thông qua một đầu nối 72 chân.
Mỗi cartridge đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), lưu trữ mã của trò chơi, và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc CHR-RAM, lưu trữ dữ liệu ô (tile data) cho đồ họa. Đối với các trò chơi sử dụng CHR-ROM, đồ họa được tải sẵn vào cartridge, trong khi các trò chơi sử dụng CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa động trong quá trình chơi.
Một số cartridge bao gồm RAM đa năng bổ sung (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu chơi. Các cartridge này thường bao gồm một pin CR2032 được hàn vào PCB, dùng để bảo toàn tiến độ đã lưu ngay cả khi console đã tắt — một tính năng được sử dụng trong các trò chơi như The Legend of Zelda.
Bảng mạch PCB của Cartridge Nintendo NES
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp các Bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (MMC – Memory Management Controllers) vào các cartridge. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt quá giới hạn bộ nhớ 64KB có thể truy cập của console bằng cách cho phép chuyển đổi ngân hàng bộ nhớ (bank switching). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ vào và ra khỏi phạm vi truy cập của CPU, các nhà phát triển có thể tích hợp các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn trên một cartridge duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn mượt (smooth scrolling) và bảng màu mở rộng.
Một số cartridge nâng cao thậm chí còn đi kèm với VRAM tích hợp riêng, cho phép chúng xử lý dữ liệu đồ họa độc lập với VRAM tích hợp của console. Ví dụ, các trò chơi như Kirby’s Adventure đã sử dụng những cải tiến này để đẩy giới hạn về những gì NES có thể hiển thị.
Tóm lại, cartridge không chỉ là một phương tiện lưu trữ – nó thực sự là một phần không thể thiếu trong kiến trúc Nintendo NES. Bằng cách nhúng thêm phần cứng trực tiếp vào cartridge, các nhà phát triển có thể thoát khỏi những hạn chế của console và đẩy ranh giới của những gì có thể thực hiện được vào thời điểm đó.
Cách Mọi Thứ Giao Tiếp: Hệ Thống Bus Đáng Kinh Ngạc Của NES
Bảng mạch chính Nintendo NES Mk1 nhìn từ phía dưới
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống bus dữ liệu và bus địa chỉ được phối hợp tốt. CPU luôn được kết nối với các bus này, thay đổi luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và băng game.
- Bus dữ liệu: Bus song song 8-bit này mang thông tin thực tế, như lệnh trò chơi hoặc dữ liệu đồ họa, giữa các thành phần.
- Bus địa chỉ: Bus 16-bit này xác định nơi dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù trong WRAM, VRAM hay cartridge.
Mỗi thành phần đều có tín hiệu chọn chip (chip-select signal), được điều khiển bởi một chip logic rời rạc có nhãn 74LS139, đảm bảo chỉ thành phần chính xác phản hồi khi dữ liệu được truy cập. Ví dụ, khi CPU cần cập nhật vị trí của Mario, bus địa chỉ xác định chính xác vị trí bộ nhớ trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi các tọa độ mới.
Để duy trì hiệu quả, NES đã sử dụng I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O), chia bộ nhớ 64KB của CPU thành các vùng được gán cho các thành phần cụ thể. Thiết lập này cho phép CPU tương tác với tất cả phần cứng một cách liền mạch, coi PPU, APU và cartridge như thể chúng chỉ là các vị trí bộ nhớ bổ sung.
Nói một cách đơn giản, hệ thống giao tiếp của NES hoạt động giống như một mạng lưới các người đưa tin, mỗi người chịu trách nhiệm mang thông tin cụ thể giữa các thành phần. CPU đóng vai trò là điều phối viên trung tâm, đảm bảo rằng logic trò chơi, đồ họa và dữ liệu âm thanh đều đến đúng nơi vào đúng thời điểm.
Một Tuyệt Tác Mô-đun Trong Lịch Sử Gaming
Đảo ngược kỹ thuật quá khứ và giá trị retro computing
Máy chơi game NES và súng Zapper
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời của nó, và nó chắc chắn đã mang lại hiệu quả. Bằng cách chuyển giao một số phần cứng của console cho cartridge, Nintendo đã tạo ra một hệ thống vừa tiết kiệm chi phí vừa có khả năng thích ứng vô tận. Đó là điều đã giúp nó duy trì sự phù hợp trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn của những gì có thể trong thiết kế trò chơi.
Ngày nay, chúng ta có thể tháo rời những cỗ máy này, phân tích từng đường mạch trên bo mạch và hiểu đầy đủ cách chúng hoạt động. Mức độ tiếp cận đó là một phần của điều làm cho điện toán cổ điển (retro computing) trở nên hấp dẫn — bạn có thể theo dõi mọi kết nối, xem mọi thứ khớp với nhau như thế nào, và thậm chí tự tái tạo phần cứng bằng các dự án như OpenTendo.
Tại sao sự đơn giản này dường như khó đạt được ngày nay?
Thật không may, với điện toán hiện đại, loại hiểu biết sâu sắc, thực hành đó dường như gần như không thể đạt được. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa trên nhiều lớp trừu tượng, ý tưởng tháo dỡ hoàn toàn một hệ thống hiện đại theo cách chúng ta làm với NES dường như là không thể. Đối với nhiều người trong chúng ta, chiếc máy tính mạnh mẽ nhất mà chúng ta sở hữu có lẽ nằm trong túi của chúng ta. Liệu ai đó, vài thập kỷ nữa, có thể đảo ngược kỹ thuật công nghệ ngày nay theo cùng một cách không? Hay kỷ nguyên thực sự hiểu cách một thứ hoạt động, đến từng mạch cuối cùng, đã qua rồi?
Dù sao đi nữa, có điều gì đó thật thỏa mãn khi đào sâu vào phần cứng, cho dù đó là phân tích kiến trúc của một console cổ điển hay thực hiện các dự án của riêng bạn ngày nay. Nếu bạn đã đọc đến đây, rất có thể bạn cũng chia sẻ sự tò mò đã truyền cảm hứng cho rất nhiều người để thử nghiệm với NES vào ngày xưa. Vì vậy, có lẽ đây là dấu hiệu để bạn cuối cùng bắt đầu dự án Arduino đó, tự xây dựng máy tính để bàn của riêng mình, hoặc biến chiếc laptop cũ thành một NAS. Rốt cuộc, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự mình trải nghiệm nó.
