Năm 1985, Nintendo Entertainment System (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 điều khiển. Kiến trúc sáng tạo của console, như đã được khám phá trong bài viết về kiến trúc độc đáo của NES của chúng tôi, đã mang đến 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 đó sẽ không thành hiện thực nếu không có một cách để người chơi tương tác với chúng.
Trước khi NES ra đời, hầu hết các tay cầm điều khiển đều dựa vào joystick hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của họ, Nintendo đã giới thiệu D-pad – bàn phím định hướng, cho phép điều khiển hướng phản hồi nhanh chóng trong một thiết kế nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này đã có ảnh hưởng lớn đến mức gần như mọi tay cầm chơi game lớn kể từ đó đều bao gồm 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 ngành game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng phân tích thiết kế vật lý, công nghệ bên trong và cách thức nó giao tiếp với NES, khám phá lý do tại sao tay cầm này lại để lại dấu ấn sâu sắc như vậy trong ngành công nghiệp.
Bên trong tay cầm NES: Một thiết kế thay đổi cuộc chơi
Bước ngoặt từ các console thế hệ thứ 2
Năm 1983, khi Nintendo lần đầu ra mắt Famicom (hay còn gọi là Family Computer) tại Nhật Bản, các tay cầm chơi game console thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có joystick với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một bàn phím hình đĩa ở nửa dưới của tay cầm và một bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng có kiểu bàn phím số tương tự nhưng lại chọn một joystick ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, phát hành lần đầu năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một joystick cùng một nút bấm duy nhất. Ban đầu, Nintendo cũng dự định tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn reverse-engineer (nghiên cứu ngược) các tay cầm joystick của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
Mặt trước tay cầm NES cổ điển đặt trên bàn gỗ
D-pad: “Cần điều khiển” được làm phẳng
Nintendo biết rằng cả Famicom và NES có khả năng cao sẽ được chơi khi người dùng ngồi trên sàn nhà. Các joystick kiểu arcade đắt tiền để sản xuất và dễ 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 định hướng (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập, được thiết kế để hoạt động như một joystick được làm phẳng. Thiết bị cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên có D-pad, cho phép nó gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng của một thiết bị được thiết kế để di động.
Thiết bị cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch, nơi D-pad xuất hiện lần đầu
Năm 1982, khi bắt đầu phát triển nguyên mẫu Advanced Video System (AVS), Nintendo đã là một công ty 93 tuổi, nhưng chỉ mới gia nhập ngành công nghiệp trò chơi điện tử 9 năm trước đó – 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 “Lateral Thinking with Seasoned Technology” (Tư duy bên lề với công nghệ đã thành thạo) – một phương pháp 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 về công nghệ, họ đã điều chỉnh các thành phần chi phí thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào một tay cầm NES.
Hệ thống video tiên tiến Nintendo (AVS) nguyên mẫu, tiền thân của NES
Ba yếu tố cốt lõi của tay cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ (enclosure), bảng mạch in (PCB), và các thành phần giao tiếp. Cùng nhau, các nhóm này xử lý 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 sản xuất hàng loạt và giảm thiểu lỗi của con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác xúc giác của 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 cùng các miếng đệm dẫn điện được tìm thấy bên dưới D-pad và các nút A và B.
- Bảng mạch in (PCB) đóng vai trò xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các tiếp điểm nút bấm bằng carbon đen, và một thanh ghi dịch BU4021B (shift register), có chức năng 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 kỹ thuật số. Mỗi lần nhấn nút đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi các tín hiệu đầu vào theo trình 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 một thanh ghi dịch 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 tay cầm ra đời sau này.
Giải mã kiến trúc tay cầm NES
Vỏ: Thiết kế đơn giản nhưng mang tính 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 xấp xỉ 4.8 × 2.1 × 0.63 inch (12.2 × 5.3 × 1.6 cm) khi được lắp ráp. Nút D-pad và các nút A và 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 với các miếng 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 bất kỳ hướng nào. Tuy nhiên, chuyển động bị hạn chế bởi khe hình chữ thập ở vỏ trên, đảm bảo rằng việc nhấn theo bất kỳ hướng nào đều phân bổ áp lực đều lên màng cao su và miếng đệm bên dưới. Nếu D-pad phẳng, tín hiệu đầu vào sẽ kém chính xác hơn do sự phân bổ áp lực không đều.
Nintendo 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 các thiết kế D-pad của Sega là lõm thay vì lồi, xoay quanh một vỏ cong và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn các miếng đệm dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
Minh họa thiết kế D-pad của Sega, một biến thể so với D-pad của Nintendo
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 tuân theo một thiết kế 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 ốc vít Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 chi tiết của nó cực kỳ đơn giản: một vỏ trước và sau, một nhãn dán mặt trước được in mờ, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu ốc vít và một PCB – không bao gồm cáp ngoài và đầu nối 7 chân.
PCB: 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, có kích thước nhỏ hơn vỏ một chút để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ, với các nút, màng cao su và các kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các tiếp điểm 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 tiếp điểm bao gồm các đường mạch đồng được phủ bởi một lớp phủ bảo vệ màu xanh, 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 đệm dẫn điện trên màng cao su sẽ hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi nhận tín hiệu đầu vào.
Cận cảnh mặt trước bảng mạch PCB bên trong tay cầm NES
Ở trung tâm của PCB là thanh ghi dịch BU4021B (shift register), một bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp 8-bit chịu trách nhiệm mã hóa các lần nhấn nút thành một 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), tinh giản việc 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 tín hiệu đầu vào của nút luôn 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 tay cầm được hàn trực tiếp vào năm điểm tiếp xúc, mỗi điểm tương ứng với một trong năm dây có mã màu.
Cận cảnh mặt sau bảng mạch PCB với các đường nối dây bên trong tay cầm NES
Thiết kế của PCB cực kỳ tối giản, chỉ chứa các thành phần 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, làm cho tay cầm NES vừa phải chăng để sản xuất vừa có khả năng phục hồi cao qua hàng thập kỷ sử dụng. Các công ty như Sega đã học theo với một thiết kế mạch rất tương tự trong các tay cầm 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cách thức giao tiếp: Tay cầm NES và console
Phương pháp giao tiếp mang tính cách mạng
Trước NES, các tay cầm chơi game thường dựa vào việc đi dây trực tiếp cho các tín hiệu đầu vào đơn giản hoặc mã hóa ma trận cho các bố cục nút phức tạp hơn, chẳng hạn như những gì có 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 và có thể gây ra tín hiệu “ma” (ghost inputs).
Giải pháp của Nintendo là sử dụng thanh ghi dịch (shift register) cho giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES trở thành một trong những thiết bị 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 được ghi nhận 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 trạng thái nút trong một thanh ghi dịch và gửi chúng từng cái một đến console chỉ bằng ba đường dữ liệu.
Quy trình Polling: Cách NES nhận tín hiệu
NES liên tục thăm dò tay cầm để nhận 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. Sau đó, tín hiệu Clock sẽ tạo ra tám xung, dịch chuyển các trạng thái nút đã lưu trữ từng cái một sang đường dây 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 thăm dò (polling) này diễn 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 tín hiệu 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 trên bảng mạch PCB của tay cầm NES
Một số tay cầm NES có thể dây đỏ và dây vàng bị đảo chỗ cho nhau. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” – đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Đảo tín hiệu và tại 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 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 logic thông thường hơn – 1 là bật (đã nhấn) và 0 là tắt (không nhấn) – 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, nhưng nó lại mang đến một số hiệu quả tiềm ẩn. Truyền dữ liệu nối tiếp đã giảm số lượng dây, đường mạch và linh kiện điện tử cần thiết, giúp tay cầm nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp.
Thanh ghi dịch cho phép tay cầm hoạt động liền mạch với chu kỳ thăm dò 60 Hz của NES, đảm bảo xử lý tín hiệu đầu vào không bị 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 đặt ra tiêu chuẩn cho cách các tay cầm chơi game hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các tay cầm 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 trong khi vẫn đảm bảo tín hiệu đầu vào nhanh và đáng tin cậy.
Vượt thời đại: Tầm ảnh hưởng lâu dài của tay cầm NES
Sự phát triển của D-pad và các tay cầm hiện đại
Đồ họa tay cầm NES với bố cục nút bấm kinh điển
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối giản của tay cầm NES đã định hình cách người chơi tương tác với các trò chơi yêu thích của họ, đặt ra một tiêu chuẩn kéo dài hàng thập kỷ. Kể từ khi Nintendo cấp bằng sáng chế cho D-pad, các đối thủ cạnh tranh đã thiết kế các phương pháp nhập liệu thay thế, như bàn phím hình 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 dạng chữ thập kinh điển, củng cố nó như một tiêu chuẩn của ngành.
Tuy nhiên, khi các trò chơi chuyển sang môi trường 3D, vai trò của D-pad đã thay đổi. Các cần analog (analog sticks) trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho việc điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm trong kho và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo đôi khi cũng đã rời xa thiết kế của riêng mình – đáng chú ý nhất là với Joy-Cons của Switch đời đầu, đã thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các tay cầm bên thứ ba khác cho Switch vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Tay cầm được tạo ra để bền bỉ—và để tùy biến
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên đơn giản trong kỹ thuật mà ngày nay dường như ngày càng hiếm hoi, bản thân tay cầm lại 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 giờ đây nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì tay cầm lại đưa ra 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 chiếc nguyên bản đã cũ, thích nghi nó với công nghệ mới, hay tìm hiểu cách mạch điện của nó hoạt động, tay cầm NES vẫn là một cánh cửa dẫn đến cả lịch sử chơi game và sự sáng tạo thực hành.
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.
Khám phá thêm: Bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc của chính console NES? Đừng bỏ lỡ bài viết Console gặp gỡ băng game: Giải mã kiến trúc độc đáo của NES để hiểu rõ hơn về cách các thành phần CPU, PPU và băng game hoạt động cùng nhau.