Năm 1985, Hệ thống Giải trí Nintendo (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại gia, nhưng những đổi mới của nó sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu thiếu đi một phương thức điều khiển. Kiến trúc sáng tạo của console, như đã được khám phá chi tiết trong bài viết console meets cartridge, 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. Tuy nhiên, tất cả những đổi mới đó sẽ không thành hiện thực nếu không có cách để người dùng tương tác với chúng.
Trước khi NES ra đời, 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 có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ dòng máy chơi game cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-pad (bàn phím định hướng), cho phép điều khiển hướng nhạy bén trong một hình thức nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này đã có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến mức gần như mọi bộ điều khiển trò chơi lớn kể từ đó đều tích hợp một biến thể của nó.
Làm thế nào mà một bộ điều khiển bằng nhựa nhỏ gọn với vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền bỉ nhất trong lịch sử chơi game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào thiết kế vật lý, công nghệ bên trong và cách thức nó giao tiếp với NES, từ đó khám phá lý do tại sao bộ điều khiển này đã để lại dấu ấn sâu đậm trong ngành công nghiệp.
Bên trong tay cầm NES: Một thiết kế thay đổi cuộc chơi
Khác biệt so với console thế hệ thứ hai
Mặt trước của bộ điều khiển NES cổ điển đặt trên bàn gỗ
Năm 1983, khi Nintendo lần đầu ra mắt Famicom (hay còn gọi là Family Computer) tại Nhật Bản, các bộ điều khiển console trò chơi điện tử thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần điều khiển với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một bàn phím hình 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 điều khiển ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một cần điều khiển cùng một nút bấm duy nhất. Ban đầu, Nintendo cũng dự định tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn tiến hành nghiên cứu ngược các bộ điều khiển cần điều khiển của Mỹ để học hỏi thiết kế của chúng.
D-pad: “Tay cầm phẳng” đầy sáng tạo
Nintendo hiểu rằng cả Famicom và NES đều có khả năng được chơi khi người dùng ngồi trên sàn. Các cần điều khiển kiểu arcade rất tốn kém để sản xuất và dễ bị hỏng, đặc biệt nếu bị giẫm lên. Giải pháp đến từ các máy chơi game cầm tay Game & Watch của Nintendo, vốn đã có một bàn phím định hướng (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập, được thiết kế để hoạt động như một cần điều khiển được làm phẳng. Máy chơi game cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên sử dụng D-pad, cho phép thiết bị có thể gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng cho một thiết bị được thiết kế để di động.
Máy chơi game cầm tay Nintendo Game & Watch Donkey Kong với thiết kế D-pad
Năm 1982, khi bắt đầu phát triển mẫu thử nghiệm Hệ thống Video Nâng cao (AVS), Nintendo đã là một công ty 93 năm tuổi, nhưng mới chỉ gia nhập ngành công nghiệp trò chơi điện tử 9 năm trước đó — Nintendo không tìm cách tạo ra thứ gì đó tối tân. Gunpei Yokoi, nhà thiết kế của D-pad và bộ điều khiển NES, đã ủng hộ cái mà ông gọi là triết lý thiết kế “Tư duy Lệch hướng với Công nghệ đã Thành thạo” (Lateral Thinking with Seasoned Technology) — một cách tiếp cận tập trung vào việc sử dụng công nghệ hiện có, đã được chứng minh theo những cách sáng tạo. Thay vì cố gắng đi đầu về công nghệ, họ đã điều chỉnh các linh kiện giá thành thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào bộ điều khiển NES.
Hệ thống giải trí cao cấp Nintendo AVS (Advanced Video System) nguyên mẫu với tay cầm gắn liền
Ba yếu tố cốt lõi cung cấp năng lượng cho tay cầm NES
Bộ điều khiển NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ bọc, 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 và bền bỉ, dễ dàng sản xuất hàng loạt và giảm thiểu lỗi do con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ bọc cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác xúc giác của bộ điều khiển. Vỏ và các nút được làm từ nhựa ABS đúc phun, với các nút START và SELECT chỉ sử dụng cao su mềm có đệm dẫn điện tương tự như bên dưới D-pad và các nút A và B.
- PCB đóng vai trò là xương sống điện tử của bộ điều khiển. Nó có các đường mạch đồng, tiếp điểm nút bằng carbon đen và một thanh ghi dịch 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 bộ điều khiển và NES dựa vào tín hiệu kỹ thuật số. Mỗi lần nhấn nút sẽ đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi các đầu vào một cách 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 tinh giản và vị trí nút bấm trực quan đã biến bộ điều khiển NES trở thành một trong những bộ điều khiển có ảnh hưởng nhất trong lịch sử game, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi bộ điều khiển ra đời sau này.
Phân tích kiến trúc tay cầm NES chi tiết
Vỏ bọc: Thiết kế đơn giản nhưng mang tính biểu tượng
Vỏ trên (phía trước) và vỏ dưới (phía sau) của bộ điều khiển NES được làm từ nhựa ABS đúc phun, có kích thước xấp xỉ 4.8 × 2.1 × 0.63 inch (12.2 × 5.3 × 1.6 cm) khi được lắp ráp. Các nút D-pad và A, B được làm từ cùng loại nhựa cứng và nằm trong các lỗ tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút là màng cao su có các đệm dẫn điện ở mặt dưới của chúng. Các nút SELECT và START được làm từ cùng loại vật liệu cao su nhưng không có các nắp nhựa cứng mà các nút khác sử dụng.
D-pad hơi lồi ở phía dưới, cho phép nó xoay theo bất kỳ hướng nào. Tuy nhiên, chuyển động bị hạn chế bởi rãnh hình chữ thập ở vỏ trên, đảm bảo rằng việc nhấn theo bất kỳ hướng nào cũng phân bổ đều áp lực 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 không đều của áp lực định hướng.
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 đã phải phát triển các thiết kế thay thế để tránh vi phạm. Ví dụ, một trong những thiết kế D-pad của Sega có dạng lõm thay vì lồi, xoay dựa vào một vỏ bọc cong, và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn các đệm dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
Các nút A và B trên bộ điều khiển NES là các hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai mấu nhỏ khớp vào một khe ở các lỗ mở của vỏ bọc. Bộ giảm căng cáp tuân theo thiết kế chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp lỏng lẻo và gây căng thẳng cho các kết nối dây trên PCB. Vỏ bọc được cố định bằng sáu ốc vít Phillips.
Xét về chức năng của bộ điều khiển, thiết kế 15 mảnh của nó đơn giản một cách ấn tượng: vỏ trước và sau, một nhãn dán mờ in 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.
Bảng mạch in (PCB): Công nghệ bên trong
Bên trong bộ điều khiển NES, PCB đóng vai trò là trung tâm cho tất cả các kết nối điện. Nó là một bảng mạch sợi thủy tinh một lớp với mặt nạ hàn xanh, có kích thước nhỏ hơn một chút so với vỏ bọc để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ bọc, với các nút, màng cao su và kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các tiếp điểm nút bấm 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 đường mạch đồng được phủ một lớp phủ bảo vệ màu xanh, với một lớp carbon đen ở trên 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 hoàn thành mạch điện, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Bảng mạch in (PCB) bên trong mặt trước của tay cầm NES, hiển thị các tiếp điểm nút bấm và chip BU4021B
Ở trung tâm của PCB là thanh ghi dịch BU4021B, một bộ chuyển đổi song song-sang-nối tiếp 8 bit chịu trách nhiệm mã hóa các lần nhấn nút thành định dạng mà NES có thể đọc. Thanh ghi dịch này cho phép NES thăm dò tất cả tám nút chỉ bằng ba đường dây (clock, latch và data), hợp lý hóa giao tiếp giữa bộ điều khiển và console.
Hai điện trở kéo lên (pull-up resistors) nhỏ cũng có mặt trên PCB. Chúng đảm bảo rằng tín hiệu đầu vào từ các nút vẫn 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 quá trình 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.
Mặt sau của bảng mạch in (PCB) tay cầm NES với các đường mạch đồng và điểm hàn
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 giản này đã giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện độ bền và độ tin cậy lâu dài, biến bộ điều khiển NES trở nên cả phải chăng để sản xuất và có khả năng phục hồi cao qua hàng thập kỷ sử dụng. Các công ty như Sega cũng đã làm theo với một thiết kế mạch rất tương tự trong các bộ điều khiển 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cách mọi thứ 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 được tìm thấy trên bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động, chúng vẫn 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 và có thể gây ra hiện tượng nhập liệu “ma” (ghost inputs).
Giải pháp của Nintendo là sử dụng thanh ghi dịch cho giao tiếp nối tiếp, biến bộ điều khiển NES trở thành một trong những bộ điều khiển đầu tiên truyền dữ liệu nút bấm 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 bấm được thu nhận 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, bộ điều khiển NES lưu trữ tất cả các trạng thái nút bấm trong một thanh ghi dịch và gửi chúng từng cái một đến console chỉ bằng ba đường dữ liệu.
Quá trình thăm dò (Polling): Cách NES nhận đầu vào
NES liên tục thăm dò bộ điều khiển để nhận đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường chính: Latch, Clock và Data. Tín hiệu Latch chỉ thị cho thanh ghi dịch thu nhận các trạng thái nút bấm hiện tại, lưu trữ chúng nội bộ. Tín hiệu Clock sau đó xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút bấm đã lưu trữ từng cái một đến đường Data, đường này truyền chúng đến NES. NES xử lý luồng dữ liệu đến này, lưu trữ kết quả vào RAM để trò chơi đọc.
Quá trình thăm dò này diễn ra một lần mỗi khung hình ở tần số 60 Hz, được điều khiển bởi khoảng trống quét 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 bộ điều khiển 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
Cận cảnh các điểm kết nối dây cáp màu sắc trên bảng mạch in (PCB) của tay cầm NES
Một số bộ điều khiển NES có thể có dây đỏ và vàng bị đổi chỗ. 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 và lý do “0” là “đã nhấn”
Theo thiết kế, bộ điều khiển NES ghi nhận một lần nhấn nút là “0” và một nút không được 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 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 (trạng thái nghỉ) — mà không cần sửa đổi mã game của họ.
Hơn cả những gì nhìn thấy: Hiệu quả ẩn giấu trong thiết kế
Mặc dù hệ thống giao tiếp của bộ điều khiển NES có vẻ đơn giản, nó lại 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 cần thiết, giúp bộ điều khiển nhỏ gọn và rẻ tiền để sản xuất.
Thanh ghi dịch cho phép bộ điều khiển 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 và đáng tin cậy hơn.
Kết quả là một hệ thống đầu vào hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đã giúp đặt ra tiêu chuẩn cho cách các bộ điều khiển game 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 gian: Tác động bền vững của tay cầm NES
Sự phát triển của D-pad và các tay cầm hiện đại
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối thiểu của bộ điều khiển NES 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 bàn 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 (analog sticks) trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm trong kho và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo đôi khi cũng rời xa thiết kế của chính mình — đáng chú ý nhất là với Joy-Cons Switch ban đầu, vốn đã thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các bộ điều khiển Switch bên thứ ba khác vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game đòi hỏi độ chính xác.
Một bộ điều khiển được chế tạo để tồn tại—và để tùy biến
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên kỹ thuật đơn giản mà ngày càng trở nên hiếm hoi, bản thân bộ điều khiển vẫn là một trong những thiết bị phần cứng cổ điển dễ sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí tự chế tạo nhất. Những người đam mê đã tìm ra nhiều cách để tùy biến bộ điều khiển NES của họ, từ chuyển đổi chúng thành tay cầm USB, thêm Bluetooth để hỗ trợ không dây, hoặc mod chúng để có chức năng turbo cho phép nhập liệu nhanh.
Nếu thiết kế console và băng game NES khiến chúng ta tự hỏi, “Tại sao giờ đây nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì bộ điều khiển lại mang đến một câu trả lời khác — nó 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, bộ điều khiển NES vẫn là một cánh cổng dẫn đến cả lịch sử gaming 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 cho đến ngày nay, chứng tỏ rằng đôi khi, những ý tưởng đơn giản nhất lại có tác động bền vững nhất.
Kết luận:
Bộ điều khiển NES, với thiết kế D-pad mang tính cách mạng và kiến trúc nội bộ tinh gọn, không chỉ là một phụ kiện chơi game mà còn là một biểu tượng của sự đổi mới và hiệu quả trong ngành công nghệ. Sự đơn giản, chi phí thấp, và độ bền vượt trội đã giúp nó vượt qua thời gian, trở thành chuẩn mực cho hàng loạt bộ điều khiển hiện đại. Từ triết lý “Tư duy Lệch hướng với Công nghệ đã Thành thạo” của Gunpei Yokoi đến từng đường mạch trên PCB, mọi yếu tố của tay cầm NES đều chứng minh rằng đôi khi, sự đơn giản chính là chìa khóa tạo nên tầm ảnh hưởng bền vững nhất.
Hãy chia sẻ những kỷ niệm của bạn với tay cầm NES hoặc ý kiến của bạn về thiết kế huyền thoại này trong phần bình luận bên dưới! Để khám phá thêm các bài viết chuyên sâu về công nghệ và lịch sử gaming, đừng quên truy cập camnangcongnghe.net!