Năm 1985, hệ thống giải trí Nintendo (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại nhà, nhưng những đổi mới của nó sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu thiếu đi một phương tiện để tương tác. Kiến trúc đột phá của console, như đã được khám phá trong các phân tích chuyên sâu về thiết kế độc đáo của NES, cho phép các băng game mở rộng khả năng của hệ thống vượt xa phần cứng tích hợp sẵn. Tuy nhiên, tất cả những cải tiến đó sẽ không có giá trị nếu không có một cách thức để người chơi tương tác với thế giới ảo.
Trước NES, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần điều khiển (joystick) hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo lại có một tầm nhìn khác. Kế thừa từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của hãng, họ đã giới thiệu D-pad (directional pad) – một phím điều hướng cho phép điều khiển phản hồi nhanh chóng trong một hình thức nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này có sức ảnh hưởng lớn đến nỗi gần như mọi bộ điều khiển game chính kể từ đó đều tích hợp một biến thể của nó.
Vậy làm thế nào mà một chiếc tay cầm nhỏ bằng nhựa với chỉ vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền bỉ nhất trong lịch sử chơi game? Trong bài viết này, congnghemoi.net sẽ cùng bạn mổ xẻ thiết kế vật lý, công nghệ bên trong và cách thức nó giao tiếp với NES, khám phá lý do tại sao bộ điều khiển này lại để lại dấu ấn sâu đậm đến vậy trong ngành công nghiệp game.
Bên Trong Tay Cầm NES: Thiết Kế Thay Đổi Cuộc Chơi
Sự Khác Biệt So Với Console Thế Hệ Thứ Hai
Vào năm 1983, khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (tức Family Computer) tại Nhật Bản, các bộ điều khiển console gia đình thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy game thùng arcade, thường có cần điều khiển (joystick) với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), lại có một miếng đệm hình đĩa ở nửa dưới tay cầm và một bàn phím số 4×3. Tương tự, ColecoVision (1982) cũng sử dụng loại bàn phím tương tự nhưng lại chọn một cần điều khiển ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, phát hành lần đầu vào năm 1977 và sau đó đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, chỉ có một cần điều khiển và một nút bấm duy nhất. Nintendo ban đầu cũng lên kế hoạch tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn đảo ngược kỹ thuật các bộ điều khiển joystick của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
Tay cầm NES cổ điển của bên thứ ba đặt trên bàn gỗ, minh họa thiết kế mặt trước
D-pad: Phiên Bản Phẳng Hóa Của Joystick
Nintendo nhận ra rằng cả Famicom và NES có khả năng cao sẽ được chơi khi người dùng ngồi dưới sàn. Các cần điều khiển kiểu arcade vừa đắt tiền để sản xuất lại dễ hỏng, đặc biệt nếu bị giẫm lên. Giải pháp đến từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của Nintendo, vốn có một phím điều hướng (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập được thiết kế hoạt động như một cần điều khiển được làm phẳng. Thiết bị cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên sử dụng D-pad, cho phép thiết bị gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng của một thiết bị vốn được thiết kế để di động.
Thiết bị cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch, tiền thân của D-pad trên tay cầm NES
Năm 1982, khi bắt đầu phát triển nguyên mẫu Advanced Video System (AVS), Nintendo đã là một công ty 93 năm tuổi, nhưng mới chỉ tham gia vào ngành công nghiệp trò chơi điện tử được 9 năm – Nintendo không tìm cách tạo ra thứ gì đó tối tân nhất. Gunpei Yokoi, nhà thiết kế của D-pad và tay cầm NES, đã ủng hộ cái mà ông gọi là triết lý thiết kế “Tư duy Sáng tạo với Công nghệ Đã có Kinh nghiệm” (Lateral Thinking with Seasoned Technology) – một cách tiếp cận tập trung vào việc sử dụng công nghệ hiện có, đã được chứng minh hiệu quả theo những cách sáng tạo. Thay vì cố gắng đi tiên phong, họ đã điều chỉnh các thành phần đáng tin cậy, chi phí thấp từ Game & Watch vào bộ điều khiển NES.
Hệ thống Video Nâng cao (AVS) của Nintendo, một nguyên mẫu ban đầu với triết lý thiết kế công nghệ hiệu quả
Ba Yếu Tố Cốt Lõi Tạo Nên Sức Mạnh Tay Cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ ngoài, bảng mạch in (PCB) và các thành phần giao tiếp. Cùng nhau, các nhóm này đảm nhiệm độ bền cấu trúc, xử lý điện tử và truyền tín hiệu đầu vào cho hệ thống, tạo thành một thiết bị nhập liệu hiệu quả, chi phí thấp, bền bỉ, dễ sản xuất hàng loạt và giảm thiểu lỗi do con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ ngoài cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác xúc giác cho tay cầm. Vỏ và các nút được làm từ nhựa ABS đúc phun, với nút START và SELECT chỉ sử dụng cao su mềm cùng các đệm dẫn điện tìm thấy dưới D-pad và các nút A và B.
- PCB đóng vai trò là xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các tiếp điểm nút bằng carbon đen, và một thanh ghi dịch BU4021B (shift register), có nhiệm vụ chuyển đổi các lần nhấn nút thành dữ liệu nối tiếp. Một cáp 5 dây kết nối nó với NES, cung cấp nguồn điện, nối đất và tín hiệu đầu vào.
- Giao tiếp giữa tay cầm và NES dựa vào tín hiệu số. Mỗi lần nhấn nút đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi các đầu vào tuần tự. NES đảo ngược tín hiệu trước khi truyền nó đến băng game, đơn giản hóa bố cục PCB và cải thiện độ tin cậy.
Thiết kế của Nintendo thông minh hơn, rẻ hơn và bền hơn so với các đối thủ cạnh tranh. Sự kết hợp giữa thanh ghi dịch kỹ thuật số, bố cục PCB được tối ưu hóa và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES thành một trong những bộ điều khiển có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi bộ điều khiển ra đời sau này.
Mổ Xẻ Kiến Trúc Tay Cầm NES
Vỏ Ngoài: Thiết Kế Đơn Giản Nhưng Biểu Tượng
Vỏ trên (mặt trước) và vỏ dưới (mặt sau) của tay cầm NES được làm từ nhựa ABS đúc phun, có kích thước khoảng 4.8 × 2.1 × 0.63 inch (12.2 × 5.3 × 1.6 cm) khi lắp ráp. D-pad và các nút A, B được làm từ cùng một loại nhựa cứng và nằm trong các lỗ tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút là màng cao su với các đệm dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ cùng vật liệu cao su nhưng không có các nắp nhựa cứng như các nút khác.
D-pad hơi lồi ở phía dưới, cho phép nó xoay theo mọi hướng. Tuy nhiên, chuyển động bị hạn chế bởi khe hình chữ thập trên vỏ trên, đảm bảo rằng việc nhấn theo bất kỳ hướng nào đều phân bổ áp lực đều lên màng cao su và đệm dẫn điện bên dưới. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác hơn do sự phân bổ áp lực không đều.
Nintendo đã không cấp bằng sáng chế cho thiết kế của Gunpei Yokoi cho đến một năm sau khi nó được phát minh, và bằng sáng chế 20 năm đã hết hạn vào năm 2005.
Trong khi Nintendo sở hữu bằng sáng chế cho D-pad hình chữ thập của mình, các công ty khác phải phát triển các thiết kế thay thế để tránh vi phạm. Ví dụ, một trong các thiết kế D-pad của Sega là lõm thay vì lồi, xoay quanh một vỏ cong, và sử dụng bốn phần lồi ở mặt dưới để nhấn các đệm dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
Minh họa thiết kế D-pad của Sega, một giải pháp thay thế cho bằng sáng chế của Nintendo
Các nút A và B trên tay cầm NES là những hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai tab nhỏ khớp vào một khe trong các lỗ của vỏ. Bộ chống căng cáp tuân theo thiết kế hình chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp lỏng ra và gây áp lực lên các kết nối dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu vít đầu Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 chi tiết của nó ấn tượng một cách đơn giản: một vỏ trước và sau, một nhãn dán mặt trước in mờ, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu vít và một PCB – không bao gồm cáp ngoài và đầu nối 7 chân.
PCB: Trái Tim Điện Tử Bên Trong
Bên trong tay cầm NES, PCB đóng vai trò là trung tâm cho tất cả các kết nối điện. Nó là một bo mạch sợi thủy tinh một lớp với mặt nạ hàn màu xanh lá cây, có kích thước hơi nhỏ hơn vỏ để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ, với các nút, màng cao su và kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các tiếp điểm nút được bố trí thành tám miếng đệm tròn riêng biệt, một cho mỗi nút – Lên, Xuống, Trái, Phải, A, B, Start và Select. Mỗi tiếp điểm bao gồm các đường mạch đồng được phủ một lớp bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen trên cùng để cải thiện độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn. Khi một nút được nhấn, đệm dẫn điện trên màng cao su sẽ đóng mạch, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Bên trong tay cầm NES: Hình ảnh mặt trước bảng mạch in (PCB) với các tiếp điểm nút và chip shift register
Ở trung tâm của PCB là thanh ghi dịch BU4021B, một bộ chuyển đổi song song-nối tiếp 8 bit chịu trách nhiệm mã hóa các lần nhấn nút thành một định dạng mà NES có thể đọc được. Thanh ghi dịch này cho phép NES thăm dò tất cả tám nút chỉ bằng ba đường dây (clock, latch và data), tối ưu hóa giao tiếp giữa tay cầm và console.
Hai điện trở kéo lên (pull-up resistors) nhỏ cũng có mặt trên PCB. Chúng đảm bảo rằng các đầu vào nút vẫn ở điện áp cao ổn định khi không được nhấn, ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn hoặc điện áp “trôi nổi” gây nhiễu cho việc phát hiện đầu vào. Gần cạnh dưới của PCB, cáp điều khiển được hàn trực tiếp vào năm điểm tiếp xúc, mỗi điểm tương ứng với một trong năm dây có mã màu.
Bên trong tay cầm NES: Mặt sau bảng mạch in (PCB) cho thấy các đường mạch và điểm hàn cáp
Thiết kế của PCB tối giản một cách ấn tượng, chỉ chứa các thành phần thiết yếu cần thiết cho hoạt động. Cách tiếp cận tinh gọn này đã giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện độ bền và độ tin cậy lâu dài, giúp tay cầm NES vừa có giá thành phải chăng để sản xuất vừa cực kỳ bền bỉ qua hàng thập kỷ sử dụng. Các công ty như Sega cũng đã học theo với thiết kế mạch rất tương tự trong các bộ điều khiển 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cơ Chế Giao Tiếp Giữa Tay Cầm NES và Console
Trước NES, các bộ điều khiển trò chơi điện tử thường dựa vào đấu dây trực tiếp cho các đầu vào đơn giản hoặc mã hóa ma trận cho các bố cục nút phức tạp hơn, chẳng hạn như những gì tìm thấy trên bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động, chúng có những hạn chế – đấu dây trực tiếp yêu cầu nhiều phần cứng hơn cho mỗi nút mới, trong khi mã hóa ma trận làm tăng độ phức tạp của mạch và có thể gây ra tín hiệu giả.
Giải pháp của Nintendo là một thanh ghi dịch (shift register) để giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES thành một trong những thiết bị đầu tiên truyền dữ liệu nút tuần tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là thanh ghi dịch CD4021 8-bit parallel-in, serial-out, cho phép tất cả tám trạng thái nút được ghi lại đồng thời và gửi đến NES từng bit một. Thay vì yêu cầu một dây chuyên dụng cho mỗi đầu vào hoặc một mạch ma trận để quét nhiều nút, tay cầm NES lưu trữ tất cả các trạng thái nút trong một thanh ghi dịch và gửi chúng từng cái một đến console chỉ bằng ba đường dữ liệu.
Quy Trình Lấy Mẫu Tín Hiệu (Polling): Cách NES Nhận Dữ Liệu Đầu Vào
NES liên tục thăm dò tay cầm để lấy tín hiệu đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường dây chính: Latch, Clock và Data. Tín hiệu Latch hướng dẫn thanh ghi dịch ghi lại các trạng thái nút hiện tại, lưu trữ chúng nội bộ. Tín hiệu Clock sau đó xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút đã lưu trữ từng cái một đến đường Data, truyền chúng đến NES. NES xử lý luồng dữ liệu đến này, lưu trữ kết quả vào RAM để trò chơi đọc.
Quá trình lấy mẫu tín hiệu này diễn ra một lần mỗi khung hình ở tần số 60 Hz, được điều khiển bởi khoảng thời gian trống dọc (VBlank) của PPU. Điều này có nghĩa là NES kiểm tra các lần nhấn nút mới chính xác 60 lần mỗi giây, đảm bảo rằng mọi đầu vào đều được ghi nhận đồng bộ với tốc độ khung hình của console.
Cáp năm dây của tay cầm được kết nối trực tiếp với PCB, với mỗi dây đảm nhiệm một chức năng cụ thể:
- Trắng – Nguồn +5V
- Nâu – Nối đất (GND)
- Đỏ – Tín hiệu Clock
- Cam – Tín hiệu Latch
- Vàng – Đầu ra dữ liệu
Kết nối dây cáp trên bảng mạch in (PCB) của tay cầm NES, hiển thị 5 dây tín hiệu chính
Lưu ý: Một số tay cầm NES có thể có dây màu đỏ và vàng bị hoán đổi. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” – đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Cơ Chế Đảo Ngược Tín Hiệu: Tại Sao 0 Lại Là “Đã Nhấn”
Theo thiết kế, tay cầm NES ghi nhận một lần nhấn nút là “0” và một nút không nhấn là “1”. Điều này là do mạch sử dụng điện trở kéo lên (pull-up resistors), nghĩa là trạng thái mặc định của mỗi nút là cao (+5V) khi không nhấn. Nhấn một nút sẽ kết nối nó với đất (0V), kéo tín hiệu xuống thấp.
Tuy nhiên, bản thân NES đã đảo ngược tín hiệu trong phần cứng của console, biến 0 thành 1 và 1 thành 0 trước khi truyền dữ liệu đến băng game. Điều này cho phép các nhà phát triển sử dụng logic thông thường hơn – 1 là bật (đã nhấn) và 0 là tắt (ở trạng thái nghỉ) – mà không cần sửa đổi mã trò chơi của họ.
Hiệu Quả Ẩn Giấu Trong Thiết Kế
Mặc dù hệ thống giao tiếp của tay cầm NES có vẻ đơn giản, nó đã mang lại một số hiệu quả ẩn giấu. Việc truyền dữ liệu nối tiếp đã giảm số lượng dây, đường mạch và linh kiện điện tử cần thiết, giữ cho tay cầm nhỏ gọn và rẻ tiền để sản xuất.
Thanh ghi dịch cho phép tay cầm hoạt động liền mạch với chu kỳ thăm dò 60 Hz của NES, đảm bảo xử lý đầu vào không có độ trễ. Ngoài ra, bằng cách nối đất các lần nhấn nút để ghi nhận chúng là “0”, thiết kế đã loại bỏ nhu cầu về các chip logic bổ sung, làm cho PCB đơn giản hơn và đáng tin cậy hơn.
Kết quả là một hệ thống đầu vào hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đã giúp thiết lập tiêu chuẩn về cách các bộ điều khiển trò chơi hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các bộ điều khiển sau này, bao gồm cả của Super Nintendo và Sega Genesis, đã áp dụng các kỹ thuật truyền dữ liệu nối tiếp tương tự để giữ chi phí sản xuất thấp đồng thời đảm bảo đầu vào nhanh chóng và đáng tin cậy.
Vượt Thời Đại: Tầm Ảnh Hưởng Lâu Dài Của Tay Cầm NES
Sự Phát Triển Của D-pad và Tay Cầm Hiện Đại
D-pad hình chữ thập của tay cầm NES và bố cục nút tối giản đã định hình cách người chơi tương tác với các trò chơi yêu thích của họ, đặt ra một tiêu chuẩn tồn tại trong nhiều thập kỷ. Kể từ khi Nintendo cấp bằng sáng chế cho D-pad, các đối thủ cạnh tranh đã thiết kế các phương thức nhập liệu thay thế, như các miếng đệm tròn hoặc dựa trên trục xoay. Khi bằng sáng chế D-pad của Nintendo hết hạn vào năm 2005, các công ty khác đã áp dụng hình chữ thập cổ điển, củng cố nó như một tiêu chuẩn công nghiệp.
Đồ họa minh họa tay cầm NES, biểu tượng của thiết kế bộ điều khiển game
Tuy nhiên, khi các trò chơi chuyển sang môi trường 3D, vai trò của D-pad đã thay đổi. Các cần analog trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo cũng đã có lúc rời bỏ thiết kế của riêng mình – đáng chú ý nhất là với Joy-Cons nguyên bản của Switch, đã thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các bộ điều khiển Switch của bên thứ ba khác vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Tay Cầm Được Chế Tạo Để Bền Vững – Và Để Sửa Đổi
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên của sự đơn giản trong kỹ thuật mà ngày nay dường như ngày càng hiếm, bản thân tay cầm vẫn là một trong những phần cứng cổ điển dễ sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí chế tạo từ đầu nhất. Những người đam mê đã tìm thấy vô số cách để tùy chỉnh tay cầm NES của họ, từ việc chuyển đổi chúng thành gamepad USB, thêm Bluetooth để hỗ trợ không dây, hoặc mod chúng để có chức năng turbo cho phép nhập liệu nhanh chóng.
Nếu thiết kế console và băng game NES khiến chúng ta tự hỏi, “Tại sao bây giờ nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì tay cầm lại đưa ra một câu trả lời khác – nó quá đơn giản đến mức chúng ta không thể không thử nghiệm, sửa đổi và biến nó thành của riêng mình. Cho dù là khôi phục một bản gốc đã cũ, điều chỉnh nó cho công nghệ mới, hay tìm hiểu cách hoạt động của mạch điện, tay cầm NES vẫn là một cánh cửa dẫn đến cả lịch sử chơi game và sự sáng tạo thực tế.
Cách tiếp cận đổi mới của Gunpei Yokoi đối với thiết kế sản phẩm tiếp tục truyền cảm hứng cho các kỹ sư và những người đam mê ngày nay, chứng minh rằng đôi khi, những ý tưởng đơn giản nhất lại có tác động lâu dài nhất.
Tay cầm NES không chỉ là một phụ kiện chơi game; nó là một biểu tượng của sự đổi mới kỹ thuật, của tư duy “làm nhiều với ít” và của việc đặt trải nghiệm người dùng lên hàng đầu. Từ D-pad mang tính cách mạng cho đến kiến trúc giao tiếp thông minh, mỗi chi tiết đều được tối ưu hóa để mang lại hiệu suất đáng tin cậy và chi phí hợp lý. Di sản của nó vẫn còn hiện hữu trong các bộ điều khiển game hiện đại, và câu chuyện về cách nó được tạo ra vẫn tiếp tục truyền cảm hứng.
Bạn có kỷ niệm nào với tay cầm NES không? Hay bạn đã từng thử sửa chữa hoặc mod chiếc tay cầm này chưa? Hãy chia sẻ câu chuyện của bạn trong phần bình luận bên dưới, hoặc khám phá thêm các bài viết sâu sắc khác về lịch sử và công nghệ game trên congngnhemoi.net!
