Cốt lõi của hệ máy Nintendo Entertainment System (NES) nằm ở bộ vi xử lý tùy biến dựa trên kiến trúc 6502, nhưng điều thực sự làm nên sự khác biệt của nó chính là cách các thành phần hoạt động phối hợp với nhau. Không giống các hệ máy console cùng thời, NES áp dụng một phương pháp thiết kế mô-đun độc đáo. Các bộ phận phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc lại cho phép các băng game (cartridge) trở thành một phần mở rộng của hệ thống, xử lý nhiều tác vụ mà ở các console khác thường được tích hợp trực tiếp trên bo mạch chủ.
Sự linh hoạt này đã mang lại cho các nhà phát triển không gian sáng tạo rộng lớn, giúp họ cho ra đời những tựa game kinh điển nhất thời đại, đồng thời đảm bảo NES duy trì vị thế dẫn đầu trong thị trường game gần một thập kỷ. Ngay cả 40 năm sau, cộng đồng vẫn không ngừng khám phá, điển hình là việc đã có người thành công chạy được .NET trên phần cứng NES gốc.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng congnghe360.net phân tích sâu cách kiến trúc NES được thiết kế, khám phá các thành phần cốt lõi của nó và tìm hiểu cách mọi thứ phối hợp để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng. Từ những chi tiết nhỏ nhất đến tổng thể vận hành, hãy cùng “giải mã” sức mạnh ẩn chứa bên trong chiếc máy chơi game huyền thoại này.
Bên Trong NES: Ba Nhóm Thành Phần, Một Hệ Thống Hoàn Hảo
Kiến trúc của 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 chuyên biệt của băng game. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến dành riêng cho từng trò chơi, giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp nhịp nhàng. Bằng cách “san sẻ” một số khả năng nhất định sang băng game, Nintendo đã giữ cho chiếc console có giá thành phải chăng, đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển để đẩy giới hạn phần cứng xa hơn với mỗi trò chơi mới, tăng cường 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 (WRAM) 2KB. Những 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 bộ nhớ video (VRAM) liên quan, quản lý mọi thứ từ các đối tượng đồ họa (sprite) đến các khối nền (background tile).
- Nhóm băng game bao gồm bộ nhớ chương trình (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều băng game còn có thêm các thành phần bổ sung như bộ điều khiển ánh xạ bộ nhớ (mappers – MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên băng để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều hệ máy console cùng thời chủ yếu sử dụng băng game như một phương tiện lưu trữ, NES lại tạo sự khác biệt bằng cách tận dụng khe cắm băng game để giao tiếp trực tiếp với cả nhóm CPU và nhóm PPU. Thiết kế này cho phép tích hợp phần cứng tùy chỉnh, như các chip MMC và VRAM mở rộng, ngay bên trong băng game. Việc tích hợp khe cắm băng game với PPU và CPU cho phép các băng game thay đổi trực tiếp các khía cạnh quan trọng của đồ họa, âm thanh và bộ nhớ, mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt lớn 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 có chất lượng tốt hơn trong suốt vòng đời của NES.
Cổng kết nối băng game 72 chân của Nintendo NES
Các Khối Xây Dựng Mô-đun Của NES: Khám Phá Sâu 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 biến (RP2A03 cho các khu vực NTSC và RP2A07 cho các khu vực PAL) dựa trên bộ xử lý MOS Technology 6502, vốn được sử dụng trong máy tính Apple II. Khác với chip 6502 tiêu chuẩn, phiên bản của NES không hỗ trợ các phép toán BCD (Binary-Coded Decimal), một tính năng hữu ích trong các ứng dụng như máy tính bỏ túi hoặc phần mềm kinh doanh nhưng lại gần như không liên quan trong game. Chế độ BCD đã được cấp bằng sáng chế bởi MOS Technology, và bằng cách vô hiệu hóa mạch BCD, Nintendo và Ricoh có thể tránh phải trả phí cấp phép cho MOS Technology.
Chip xử lý trung tâm Ricoh 6502 tùy biến trên bo mạch chủ NES
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) cho giai điệu, một kênh tam giác (triangle) cho âm trầm, một kênh nhiễu (noise) cho bộ gõ và một kênh DMC (Delta Modulation Channel) để phát âm thanh mẫu. APU đã mang lại cho NES âm thanh 8-bit đặc trưng, trở thành một phần không thể thiếu trong trải nghiệm chơi game.
Chip WRAM 2KB (BR6216C-10LL) trên Nintendo NES, dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời
Với 2KB bộ nhớ RAM làm việc (WRAM) có nhãn BR6216C-10LL, nó được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi – thông tin có thể được chỉnh sửa hoặc thay đổi sau khi tạo. Mặc dù dung lượng hạn chế, các lập trình viên đã tận dụng tối đa khả năng này thông qua những thuật toán thông minh. Ví dụ, thay vì lưu trữ toàn bộ bản đồ trong bộ nhớ, các trò chơi như The Legend of Zelda đã sử dụng thuật toán để tạo dữ liệu bản đồ động trong thời gian thực, tiết kiệm đáng kể tài nguyên.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã game, 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.
Các Thành Phần Liên Quan Đến PPU: 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 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 khối nền (background tiles) và các đối tượng (sprites), về cơ bản là các vật thể di chuyển được như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Chip xử lý đồ họa PPU Ricoh RP2C02H-O trên bo mạch Nintendo NES
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 “ra lệnh” cho PPU những khối nào cần vẽ, vị trí của chúng và màu sắc của chúng. Chẳng hạn, khi Mario nhảy trong Super Mario Bros., CPU sẽ cập nhật các thanh ghi PPU để di chuyển sprite của Mario theo chiều dọc, đồng thời vẽ lại các khối nền phù hợp khi anh ta di chuyển.
Chip VRAM 2KB trên Nintendo NES, dùng để lưu trữ dữ liệu hình ảnh
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 khối xuất hiện trên màn hình), các bảng thuộc tính (attribute tables – xử lý gán màu cho các nhóm khối), và các bảng màu (palettes – các màu cụ thể mà mỗi khối có thể sử dụng). Các bảng này cho phép các nhà phát triển tạo ra hình ảnh phức tạp bất chấp phần cứng hạn chế của NES.
Để tiết kiệm tài nguyên, NES chỉ có đủ VRAM để hỗ trợ hai màn hình bảng tên. Đây 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 trải nghiệm chơi game mượt mà ngay cả với phần cứng giới hạn.
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 của trò chơi, PPU xử lý mọi thứ liên quan đến hình ảnh – vẽ các nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Các Thành Phần Liên Quan Đến Cartridge: Mở Rộng Khả Năng Của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành phần cốt lõi của NES, thì các băng game lại bổ sung “phép thuật” làm cho mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Băng game 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 băng game đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM) lưu trữ mã chương trình của trò chơi và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc CHR-RAM, lưu trữ dữ liệu khối hình ảnh (tile data) cho đồ họa. Đối với các trò chơi sử dụng CHR-ROM, đồ họa được tải sẵn vào băng game, trong khi các trò chơi có CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa động trong quá trình chơi.
Một số băng game còn bao gồm RAM đa năng bổ sung (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu lưu trữ. Những băng game này thường có một viên pin CR2032 được hàn vào PCB, dùng để giữ lại 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 PCB của băng game Nintendo NES với các chip ROM và MMC
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp các Bộ điều khiển Quản lý Bộ nhớ (MMC) vào băng game. Những chip này cho phép các nhà phát triển vượt qua giới hạn bộ nhớ 64KB của console bằng cách kích hoạt bank switching (chuyển đổi ngân hàng bộ nhớ). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ vào và ra khỏi phạm vi truy cập của CPU, các nhà phát triển có thể bao gồm các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn trên một băng game duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn màn hình mượt mà và bảng màu mở rộng.
Một số băng game nâng cao thậm chí còn có 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 đẩy giới hạn về những gì NES có thể hiển thị.
Nói tóm lại, băng game không chỉ là một phương tiện lưu trữ – nó thực sự là một phần không thể thiếu trong kiến trúc của NES. Bằng cách nhúng phần cứng bổ sung trực tiếp vào băng game, 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.
Cách Mọi Thứ Giao Tiếp: Hệ Thống Bus Của NES
Mặt dưới bo mạch chủ Nintendo NES Mk1 với hệ thống đường truyền dữ liệu (bus)
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống phối hợp nhịp nhàng gồm các bus dữ liệu và bus địa chỉ. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều khiển luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và băng game.
- Bus dữ liệu (Data Bus): Bus song song 8-bit này mang thông tin thực tế, như hướng dẫn game hoặc dữ liệu đồ họa, giữa các thành phần.
- Bus địa chỉ (Address Bus): Bus 16-bit này xác định vị trí dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù là trong WRAM, VRAM hay băng game.
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 có 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 sẽ xác định chính xác vị trí bộ nhớ trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi các tọa độ mới.
Để mọi thứ hoạt động 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 liền mạch với tất cả phần cứng, coi PPU, APU và băng game 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 điều phối 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 Mô-đun Của Lịch Sử Gaming
Đảo Ngược Kỹ Thuật Quá Khứ
Máy chơi game Nintendo NES và súng Zapper biểu tượng của thập niên 80
Thiết kế phần cứng của NES là độc nhất vào thời điểm đó, và nó chắc chắn đã mang lại thành công vang dội. Bằng cách “san sẻ” một phần phần cứng của console sang băng game, 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 vị thế dẫn đầu 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 dễ tiếp cận 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 ăn khớp với nhau như thế nào, và thậm chí tự mình tái tạo lại phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Tại Sao Cảm Giác Này Không Còn Đơn Giản Nữa?
Thật không may, với điện toán hiện đại, loại hiểu biết sâu sắc, thực tế đó gần như nằm ngoài tầm với. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa trên 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 mẽ nhất mà chúng ta sở hữu có thể nằm gọn trong túi. Liệu ai đó, vài thập kỷ sau, có 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 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 hệ máy console cổ điển hay làm việc trên 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 thử nghiệm với NES thời xưa. Vậy thì có lẽ đây là dấu hiệu để bạn cuối cùng cũng bắt đầu dự án Arduino đó, tự lắp ráp máy tính để bàn của riêng mình, hoặc biến chiếc laptop cũ đó thành một NAS. Sau cùng, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự mình trải nghiệm nó.