Về cốt lõi, hệ thống giải trí Nintendo Entertainment System (NES) được vận hành bởi một biến thể tùy chỉnh của vi xử lý 6502. Tuy nhiên, điều thực sự làm nên sự khác biệt của NES nằm ở cách các thành phần của nó phối hợp với nhau. Khác với các console cùng thời, NES tiên phong với một phương pháp thiết kế modular độc đáo. Các thành phần phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc đặc biệt này cho phép các cartridge trở thành một phần mở rộng của hệ thống, đảm nhiệm những nhiệm vụ mà các console khác thường tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ.
Sự linh hoạt này đã mang đến cho các nhà phát triển không gian sáng tạo để tạo ra một số tựa game hay nhất thời bấy giờ, đồng thời đảm bảo NES giữ vững vị thế trên thị trường game trong gần một thập kỷ. Ngay cả 40 năm sau, vẫn có người đã thành công chạy được công nghệ .NET trên phần cứng NES gốc.
Hãy cùng chúng tôi đi sâu vào cách kiến trúc NES được thiết kế, khám phá các thành phần cốt lõi của nó và tìm hiểu cách mọi thứ hoạt động cùng nhau để mang đến trải nghiệm chơi game kinh điển.
Hệ thống giải trí Nintendo (NES) với bộ điều khiển và phụ kiện
Bên Trong NES: Ba Nhóm Thành Phần Tạo Nên Một Hệ Thống Hoàn Chỉnh
Cách cartridge mở rộng khả năng của console
Cổng kết nối cartridge 72 chân của Nintendo NES
Kiến trúc 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 cartridge. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến cụ thể của trò chơi, giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp tốt. Bằng cách ủy thác một số khả năng nhất định cho cartridge, Nintendo đã giữ cho console có giá cả phải chăng, đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển thúc 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 chip RAM tĩnh 2KB (WRAM). Các yếu tố này hoạt động cùng nhau để thực thi logic 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 sprite nhân vật đến các ô nền.
- Nhóm cartridge bao gồm ROM chương trình (PRG-ROM) và bộ nhớ nhân vật (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều cartridge cũng có các thành phần bổ sung như bộ điều khiển bộ nhớ (MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên cartridge để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời chủ yếu sử dụng cartridge như một phương tiện lưu trữ, NES đã tạo nên sự khác biệt bằng cách tận dụng khe 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 cho phép cartridge sửa đổi trực tiếp các khía cạnh chính về 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 Modular của NES
Đi sâu vào các thành phần cốt lõi
Các thành phần liên quan đến CPU: Bộ não của NES
Trái tim của NES là CPU của nó, một chip Ricoh tùy chỉnh (RP2A03 cho NTSC và RP2A07 cho các khu vực 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 lẽ ra phải trả cho MOS Technology.
Cận cảnh chip CPU Ricoh 6502 tùy chỉnh trên bo 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 cho giai điệu, một kênh tam giác cho âm trầm, một kênh nhiễu cho bộ gõ và một kênh DMC để phát âm thanh mẫu. APU đã mang lại cho NES âm thanh 8-bit đặc trưng, và là lý do tại sao việc circuit bending NES lại thú vị đến vậy.
Cận cảnh chip WRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES Mk1
RAM làm việc 2KB (WRAM) được dán nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi — thông tin có thể được thay đổi hoặc sửa đổi sau khi tạo. Mặc dù hạn chế, lập trình thông minh đã 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 chỉ đạo các thành phần khác phải làm gì. Phần APU của CPU điều khiển âm thanh, và WRAM đóng vai trò là không gian làm việc để theo dõi mọi thứ đang diễn ra trong trò chơi.
Các thành phần liên quan đến PPU: Bộ xử lý hình ảnh 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 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 và các sprite, về cơ bản là các đối tượng có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Cận cảnh chip PPU Ricoh trên bo mạch Nintendo NES Mk1, chuyên xử lý đồ họa
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 được ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O registers), đóng vai trò là cầu nối giữa hai thành phần. Các thanh ghi này cho phép CPU chỉ dẫn PPU vẽ những ô nào, đặt chúng ở đâu và tô màu chúng như thế nào. Ví dụ, 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.
Cận cảnh chip VRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES Mk1
Hỗ trợ PPU là 2KB VRAM (video RAM), 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 mặc dù phần cứng của NES bị hạn chế.
Để tiết kiệm tài nguyên, NES chỉ có đủ VRAM để hỗ trợ hai màn hình bảng tên, đó là lý do tại sao các trò chơi như Metroid đã sử dụng “phản chiếu” (mirroring) để tái sử dụng các phần của màn hình khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể điều khiển việc phản chiếu này bằng cách sử dụng các thanh ghi được ánh xạ bộ nhớ, đảm bảo trải nghiệm chơi game 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 hoàn toàn cho đồ họa. Trong khi CPU xử lý logic 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.
Các thành phần trên cartridge: Mở rộng vô hạn khả năng của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành lõi của NES, các cartridge đã thêm vào phép màu 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.
Cận cảnh cổng kết nối 72 chân trên bo mạch chủ Nintendo NES Mk1
Mỗi cartridge chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), lưu trữ mã 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 trước vào cartridge, trong khi các trò chơi có CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa một cách linh hoạt trong quá trình chơi game.
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 lưu. Các cartridge này thường bao gồm một pin CR2032 được hàn vào PCB, được sử dụng để bảo toàn tiến trình đã lưu ngay cả khi console đã tắt — một tính năng được sử dụng trong các trò chơi như The Legend of Zelda.
Bo mạch chủ của cartridge game Nintendo NES, hiển thị các chip ROM và MMC
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp Memory Management Controllers (MMC) vào các cartridge. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt qua giới hạn bộ nhớ có thể truy cập 64KB của console bằng cách kích hoạt 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 vào một cartridge duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn mượt mà và bảng màu mở rộng.
Một số cartridge tiên tiến thậm chí còn đi kèm với VRAM riêng trên bo mạch, 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 vượt qua giới hạn về những gì NES có thể hiển thị.
Nói một cách đơn giản, cartridge không chỉ là một phương tiện lưu trữ — nó thực sự là một phần không thể thiếu trong kiến trúc 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 giới hạn của những gì có thể làm được vào thời điểm đó.
Hệ Thống Bus: Cách Các Thành Phần NES Giao Tiếp
Mặt dưới của bo mạch chủ Nintendo NES Mk1 với các đường mạch và chip giao tiếp
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống phối hợp chặt chẽ gồm các bus dữ liệu và bus địa chỉ. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều chỉnh luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và cartridge trò chơi.
- Bus dữ liệu: Bus song song 8-bit này mang thông tin thực tế, như hướng dẫn 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 là 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 rằng 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 vị trí bộ nhớ chính xác trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi các tọa độ mới.
Để duy trì hiệu quả, NES đã sử dụng I/O được 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 liền mạch với tất cả phần cứng, xử lý 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 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 Kiệt Tác Modular Trong Lịch Sử Gaming
Đảo ngược kỹ thuật quá khứ
Máy console NES cổ điển và súng Zapper đặt trên bề mặt tối
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó, và nó chắc chắn đã mang lại hiệu quả. Bằng cách ủy thác 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 sức hút trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển vượt qua 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 truy cập đó là một phần của điều làm cho điện toán retro 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 mình tạo lại phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Tại sao lại không còn cảm giác đơn giản như vậy nữa?
Thật không may, với điện toán hiện đại, loại hiểu biết sâu sắc, thực tế đó dường như gần như không thể đạt được. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa vào nhiều lớp trừu tượng, ý tưởng tháo rời hoàn toàn một hệ thống hiện đại theo cách chúng ta làm với NES dường như là bất khả thi. Đối với nhiều người trong chúng ta, chiếc máy tính mạnh nhất mà chúng ta sở hữu có lẽ nằm gọn trong túi. Liệu ai đó, vài thập kỷ sau, có thể đảo ngược kỹ thuật công nghệ ngày nay theo cùng một cách không? Hay thời đại thực sự hiểu cách một thứ hoạt động, đến từng mạch điện cuối cùng, đã qua đi rồi?
Dù sao đi nữa, có một điều gì đó thỏa mãn khi đi sâu vào phần cứng, cho dù đó là phân tích kiến trúc của một console cổ điển hay tự mình thực hiện các dự án 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 thử nghiệm với NES ngày xưa. Vì vậy, đây có lẽ là dấu hiệu để bạn cuối cùng bắt đầu dự án Arduino đó, tự xây dựng máy tính để bàn của 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.