Năm 1985, hệ máy chơi game Nintendo Entertainment System (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại gia, nhưng những cải tiến của nó sẽ không có ý nghĩa gì nếu thiếu đi một phương thức điều khiển hiệu quả. Kiến trúc sáng tạo của console này, như đã được khám phá trong bài viết về kiến trúc độc đáo của NES, đã mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt chưa từng có, cho phép các băng game mở rộng khả năng của hệ thống vượt xa phần cứng tích hợp sẵn. Tuy nhiên, tất cả những đổi mới công nghệ đó sẽ trở nên vô nghĩa nếu không có một cách để người dùng tương tác với chúng.
Trước khi NES xuất hiện, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần gạt (joystick) hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo lại có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ các máy chơi game cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-pad (directional pad) – một phím điều hướng giúp điều khiển phản hồi nhanh nhạy trong một hình thức nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng cực kỳ hiệu quả này đã có ảnh hưởng lớn đến mức gần như mọi tay cầm chơi game quan trọng kể từ đó đều tích hợp một biến thể nào đó của nó.
Làm thế nào mà một chiếc tay cầm NES nhỏ gọn bằng nhựa với chỉ vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền bỉ nhất trong lịch sử ngành game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng mổ xẻ thiết kế vật lý, công nghệ nội bộ và cách nó giao tiếp với NES, từ đó khám phá lý do vì sao gamepad này lại để lại dấu ấn sâu đậm đến vậy trong ngành công nghiệp game.
Biểu tượng Nintendo Switch với Joy-Con và dấu hỏi trên nền màu sắc
Bên Trong Tay Cầm NES: Thiết Kế Thay Đổi Cuộc Chơi
Sự Khác Biệt So Với Các Console Thế Hệ 2
Năm 1983, khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (Family Computer) tại Nhật Bản, các bộ điều khiển của máy chơi game gia đình thế hệ thứ hai vẫn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần gạt với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một bàn phím dạng đĩa ở nửa dưới của bộ điều khiển và một bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng có kiểu bàn phím số tương tự nhưng lại chọn một cần gạt ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của mình, được phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một cần gạt cùng một nút bấm duy nhất. Nintendo ban đầu cũng có kế hoạch tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn đảo ngược thiết kế các bộ điều khiển cần gạt của Mỹ để nghiên cứu.
Tay cầm NES cổ điển của bên thứ ba đặt trên bàn gỗNguồn: Benajmin Zeman
D-pad: “Cần Điều Khiển Phẳng” Đầy Sáng Tạo
Nintendo nhận thấy rằng cả Famicom và NES nhiều khả năng sẽ được chơi khi người dùng ngồi trên sàn. Cần gạt kiểu arcade không chỉ đắt tiền để sản xuất mà còn dễ bị hỏng, đặc biệt nếu bị giẫm lên. Giải pháp đến từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của Nintendo, vốn có một bàn phím điều hướng (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập, được thiết kế để hoạt động như một cần gạt phẳng. Chiếc máy chơi game cầm tay Donkey Kong là thiết bị đầu tiên có D-pad, cho phép nó được gập lại và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng của một thiết bị được thiết kế để di động.
Máy chơi game cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch, thiết bị tiên phong D-padNguồn: Wikipedia
Năm 1982, khi bắt đầu phát triển nguyên mẫu Advanced Video System (AVS), Nintendo đã là một công ty 93 tuổi, nhưng mới chỉ tham gia vào ngành công nghiệp trò chơi điện tử 9 năm trước đó – Nintendo không tìm kiếm điều gì đó mang tính đột phá. Gunpei Yokoi, nhà thiết kế D-pad và tay cầm NES, đã theo đuổi triết lý thiết kế mà ông gọi là “Tư duy Lateral với Công nghệ Trưởng thành” (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 đầu, họ đã điều chỉnh các linh kiện giá thành thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào trong tay cầm NES.
Hệ thống video nâng cao Nintendo AVS, nguyên mẫu console trước NESNguồn: Reddit
3 Thành Phần Cốt Lõi Tạo Nên Tay Cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ ngoài (enclosure), bo mạch in (PCB), và các thành phần giao tiếp (communication components). 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 khi cầm tay cầm. Vỏ và các nút bấm được làm từ nhựa ABS đúc phun, với các nút START và SELECT chỉ sử dụng cao su mềm với miếng dẫn điện (conductive pucks) tương tự như 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 điểm tiếp xúc nút bấm bằng carbon đen, và một shift register BU4021B, chịu trách nhiệm 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 mạch điện, cho phép shift register ghi lại và gửi các đầu vào một cách tuần tự. NES sẽ 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 shift register kỹ thuật số, bố cục PCB tinh gọn và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES trở thành một trong những gamepad có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi bộ điều khiển tiếp theo.
Đi Sâu Vào Kiến Trúc Tay Cầm NES
Vỏ Ngoài: Thiết Kế Đơn Giản Nhưng Biểu Tượng
Vỏ ngoài của tay cầm NES bao gồm vỏ trên (mặt trước) và vỏ dưới (mặt sau) được làm từ nhựa ABS đúc phun, có kích thước xấp xỉ 12.2 x 5.3 x 1.6 cm khi lắp ráp. D-pad và các nút A và B được làm từ cùng loại nhựa cứng và nằm trong các khe tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút là màng cao su với miếng dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ vật liệu cao su tương tự nhưng thiếu các nắp nhựa cứng mà các nút khác sử dụng.
D-pad có mặt dưới hơi lồi, 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 đều áp lực lên màng cao su và miếng 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 nắm giữ 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 những thiết kế D-pad của Sega là lõm thay vì lồi, xoay dựa vào một vỏ cong, và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn các miếng dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB. Vì không tìm được hình ảnh thuộc phạm vi công cộng, tôi đã tạo một bản phác thảo nhanh để minh họa thiết kế này.
Minh họa thiết kế D-pad lõm độc đáo của Sega để tránh vi phạm bằng sáng chế NintendoNguồn: Benjamin Zeman
Các nút A và B trên tay cầm NES là các hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai tab nhỏ khớp vào một khe trong các lỗ của vỏ. Bộ giảm căng cáp theo thiết kế chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng làm lỏng cáp và gây áp lực lên các kết nối có dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu ốc vít Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 chi tiết của nó đơn giản đến ấn tượng: một vỏ trước và sau, một nhãn in mờ ở mặt trước, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu ốc vít và một PCB – không bao gồm cáp ngoài và đầu nối 7 chân.
PCB: Trái Tim Công Nghệ Bên Trong
Bên trong tay cầm NES, PCB đóng vai trò là trung tâm cho tất cả các kết nối điện. Đây là một bảng sợi thủy tinh một lớp với lớp chống hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn một chút so với vỏ để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ ngoài, với các nút bấm, màng cao su và kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các điểm tiếp xúc nút bấm được bố trí thành tám miếng đệm tròn riêng biệt, mỗi miếng cho một nút – Lên, Xuống, Trái, Phải, A, B, Start và Select. Mỗi điểm tiếp xúc bao gồm các đường mạch đồng được phủ một lớp phủ bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen phía trên để cải thiện độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn. Khi một nút được nhấn, miếng dẫn điện trên màng cao su sẽ đóng mạch, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Hình ảnh cận cảnh bo mạch PCB mặt trước bên trong tay cầm NES, hiển thị các điểm tiếp xúc nút bấmNguồn: Reddit
Ở trung tâm của PCB là shift register 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. Shift register này cho phép NES đọc tất cả tám nút chỉ bằng ba đường truyền (clock, latch và data), hợp lý 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 tín hiệu đầu vào nút bấm luôn ở mức điện áp cao ổn định khi không được nhấn, ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn hoặc điện áp “trôi nổi” làm nhiễu 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.
Bo mạch PCB mặt sau của tay cầm NES, cho thấy chip shift register BU4021BNguồn: Reddit
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 giúp giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện độ bền và độ tin cậy lâu dài, làm cho tay cầm NES vừa phải chăng để sản xuất vừa cực kỳ bền bỉ qua hàng thập kỷ sử dụng. Các công ty như Sega cũng đã đi theo xu hướng này với một thiết kế mạch rất tương tự trong các bộ điều khiển 3 nút của họ cho Sega Genesis (Mega Drive).
Cơ Chế Giao Tiếp: Tay Cầm NES Và Console
Trước NES, các bộ điều khiển trò chơi điện tử thường dựa vào việc đi 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 – đi 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 điện và có thể gây ra các lỗi đầu vào không mong muốn.
Giải pháp của Nintendo là một shift register để giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES thành một trong những tay cầm đầu tiên truyền dữ liệu nút bấm theo tuần tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là shift register CD4021 8-bit parallel-in, serial-out, cho phép tất cả tám trạng thái nút bấm được chụp đồng thời và gửi đến NES từng bit một. Thay vì yêu cầu một dây riêng cho mỗi đầu vào hoặc một mạch ma trận để quét nhiều nút, tay cầm NES lưu trữ tất cả các trạng thái nút bấm trong một shift register và gửi chúng từng cái một đến console chỉ bằng ba đường dữ liệu.
Thiết bị gian lận Game Wizard SNES mặt trước
Quá Trình Polling: Cách NES Nhận Tín Hiệu
NES liên tục đọc (poll) tay cầm để nhận đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường chính: Latch, Clock và Data. Tín hiệu Latch hướng dẫn shift register ghi lại các trạng thái nút bấm hiện tại, lưu trữ chúng bên trong. Sau đó, tín hiệu Clock phát xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút bấm 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 game đọc.
Quá trình polling này xảy ra một lần mỗi khung hình ở tần số 60 Hz, được điều khiển bởi khoảng 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 xử lý 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
Cận cảnh các điểm kết nối dây cáp trên PCB của tay cầm NESNguồn: Reddit
Một số tay cầm NES có thể có dây đỏ và vàng bị đảo ngược. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” – đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Đảo Ngược Tín Hiệu: Vì Sao “0” Là Đã Bấm
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 điện sử dụng điện trở kéo lên (pull-up resistors), có nghĩa là trạng thái mặc định của mỗi nút là cao (+5V) khi không được nhấn. Nhấn một nút sẽ kết nối nó với nối đất (0V), kéo tín hiệu xuống thấp.
Tuy nhiên, bản thân NES đã đảo ngược tín hiệu trong phần cứng của console, chuyển 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 một logic thông thường hơn – 1 là bật (đã nhấn) và 0 là tắt (ở trạng thái nghỉ) – mà không cần sửa đổi mã game của họ.
Hiệu Quả Ẩn 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. Truyền dữ liệu nối tiếp làm giảm số lượng dây, vết mạch và các thành phần điện tử cần thiết, giữ cho tay cầm nhỏ gọn và rẻ tiền để sản xuất.
Shift register cho phép tay cầm hoạt động liền mạch với chu kỳ polling 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 giúp đặt ra tiêu chuẩn về cách các bộ điều khiển trò chơi hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các bộ điều khiển trong tương lai, 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 và đáng tin cậy.
Vượt Thời Đại: Tầm Ảnh Hưởng Lâu Dài Của Tay Cầm NES
Sự Tiến Hóa Của D-pad Và Các Tay Cầm Hiện Đại
Hình ảnh đồ họa minh họa tay cầm NES cổ điển, biểu tượng của kỷ nguyên gamingNguồn: Wikipedia
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối thiểu của tay cầm NES đã định hình cách người chơi tương tác với những trò chơi yêu thích của họ, đặt ra một tiêu chuẩn kéo dài hàng thập kỷ. Kể từ khi Nintendo được cấp bằng sáng chế cho D-pad, các đối thủ cạnh tranh đã thiết kế các phương thức nhập liệu thay thế, như các phím 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 ngành.
Tuy nhiên, khi các trò chơi chuyển sang môi trường 3D, vai trò của D-pad đã thay đổi. Cần analog trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho việc điều hướng menu, chọn vật phẩm trong kho đồ và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo đôi khi cũng đã rời bỏ thiết kế của riêng mình – đáng chú ý nhất là với Joy-Cons của Switch đời đầu, chúng đã thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các tay cầm Switch của bên thứ ba khác vẫn giữ lại một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Tay Cầm Được Xây Dựng Để Bền Vững – Và Để Chế
Trong khi console NES và các băng game đại diện cho một kỷ nguyên đơn giản trong kỹ thuật mà ngày nay dường như ngày càng hiếm hoi, bản thân tay cầm NES vẫn là một trong những phần cứng cổ điển dễ sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí tự chế tạo 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 giờ đây nó không còn cảm giác 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. Dù là khôi phục một bản gốc đã cũ, điều chỉnh nó cho công nghệ mới hay tìm hiểu cách mạch điện của nó hoạt động, tay cầm NES vẫn là một cánh cổng dẫn đến cả lịch sử chơi game và sự sáng tạo thực tế.
Cách tiếp cận đổi mới trong thiết kế sản phẩm của Gunpei Yokoi 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.