Vào 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 tiện để tương tác. Kiến trúc đột phá của console này, như đã được khám phá trong bài viết về kiến trúc 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 cải tiến đó sẽ không có giá trị nếu không có một cách để người dùng tương tác với chúng.
Trước khi NES ra đời, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần joystick hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo lại có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-pad (directional pad) – bàn phím định hướng, cho phép điều khiển hướng phản hồi nhanh chóng trong một hình thức nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này có ảnh hưởng sâu rộng đến mức hầu hết các bộ điều khiển chơi game lớn sau này đều có một biến thể của nó.
Vậy làm thế nào mà một bộ điều khiển nhỏ bằng nhựa với chỉ vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền vững nhất trong lịch sử chơi game? Bài viết này sẽ đi sâu vào thiết kế vật lý, công nghệ nội bộ và cách nó giao tiếp với NES, từ đó khám phá lý do tại sao bộ điều khiển huyền thoại này lại để lại dấu ấn lâu dài trong ngành công nghiệp game.
Bên trong Tay cầm NES: Thiết kế Thay đổi Cuộc chơi
Sự Khác Biệt so với Console Thế hệ thứ 2
Vào năm 1983, khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (Family Computer) tại Nhật Bản, các bộ điều khiển chơi game tại nhà thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần joystick 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 loại bàn phím số tương tự nhưng lại chọn một cần joystick ngắn hơn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, lần đầu tiên ra mắt vào năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, chỉ có một cần joystick và một nút bấm duy nhất. Nintendo ban đầu cũng có kế hoạch tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn nghiên cứu ngược các bộ điều khiển joystick của Mỹ để tìm hiểu thiết kế của chúng.
Tay cầm NES cổ điển màu xám trên bàn gỗ, minh họa thiết kế khác biệt so với các bộ điều khiển thế hệ thứ hai.
D-pad: “Tay cầm” Phẳng Hóa
Nintendo nhận ra rằng cả Famicom và NES có khả năng cao sẽ được sử dụng khi người chơi ngồi dưới sàn. Các cần 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 hình chữ thập nhỏ gọn (D-pad) được thiết kế để hoạt động như một cần joystick phẳng. Thiết bị cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên có D-pad, cho phép thiết bị được gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng cho một thiết bị được thiết kế để di động.
Thiết bị cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch, là thiết bị đầu tiên tích hợp D-pad hình chữ thập cải tiến.
Vào năm 1982, khi việc phát triển nguyên mẫu Advanced Video System (AVS) bắt đầu, Nintendo đã là một công ty 93 năm tuổi, nhưng mới chỉ tham gia vào 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 tay cầm NES, đã theo đuổi triết lý thiết kế mà ông gọi là “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 tiên phong, họ đã điều chỉnh các thành phần chi phí thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào tay cầm NES.
Hệ thống Video Nâng cao (AVS) của Nintendo, một nguyên mẫu console cho thấy hướng thiết kế ban đầu của công ty.
Ba Yếu tố Cốt lõi Sức mạnh Tay cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ bọc (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 của 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 của 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 với các miếng đệm dẫn điện được tìm thấy 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 dẫn đồng, các контакты nút bấm bằng carbon đen và một thanh ghi dịch BU4021B, 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 (ground) và tín hiệu đầu vào.
- Giao tiếp giữa bộ điều khiển và NES dựa vào tín hiệu số. Mỗi lần nhấn nút đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi tín hiệu đầu vào theo trình tự. NES đảo ngược tín hiệu trước khi chuyển 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 số, bố cục PCB được sắp xếp hợp lý và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES trở thành một trong những bộ điều khiển có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho hầu hết mọi bộ điều khiển sau này.
Mổ xẻ Kiến trúc Tay cầm NES
Vỏ Bọc: Thiết kế Đơn giản nhưng 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 lắp ráp. Các nút D-pad và A, B được làm từ cùng loại nhựa cứng và nằm trong các khe hở tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút là các màng cao su với miếng đệm dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ cùng vật liệu cao su nhưng thiếu các nắp nhựa cứng mà các nút khác sử dụng.
D-pad hơi lồi ở mặt dưới, cho phép nó xoay theo bất kỳ hướng nào. 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 cũng phân bổ đều áp lực lên màng cao su và miếng đệm gắn liền bên dưới. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác do phân bổ áp lực định hướng 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.
Mặc dù Nintendo giữ 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 có hình 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.
Bản phác thảo minh họa thiết kế D-pad lõm của Sega với bốn điểm nhấn, khác biệt với thiết kế D-pad lồi của Nintendo.
Các nút A và B trên tay cầm NES là những hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai tab nhỏ khớp vào một khe trong các khe hở của vỏ bọc. Bộ chống căng dây cáp theo thiết kế hình chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp ra và làm căng các kết nối dây của 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: 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: 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. Đó là một bảng sợi thủy tinh đơn lớp với mặt nạ hàn màu xanh lá cây, 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, mỗi miếng cho một nút — Lên, Xuống, Trái, Phải, A, B, Start và Select. Mỗi tiếp điểm bao gồm các đường dẫn đồng được phủ một lớp phủ bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen ở trên cùng 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 hoàn thành mạch, cho phép PCB đăng ký tín hiệu đầu vào.
Bảng mạch in (PCB) mặt trước bên trong tay cầm NES, hiển thị các контакты nút bấm và chip BU4021B shift register.
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 của 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” gây 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 được mã hóa màu.
Bảng mạch in (PCB) mặt sau của tay cầm NES, cho thấy thiết kế tối giản, các đường dẫn 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 hợp lý này đã giảm chi phí sản xuất trong khi cải thiện độ bền và độ tin cậy lâu dài, giúp 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 cũng đi theo với một thiết kế mạch rất giống trong các bộ điều khiển 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cơ chế Giao tiếp giữa Tay cầm NES và Console
Trước khi NES ra đời, các bộ điều khiển trò chơi điện tử thường dựa vào 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 được 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 và có thể gây ra các tín hiệu đầu vào “ma”.
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 bộ điều khiển đầu tiên truyền dữ liệu nút bấm theo trình tự chứ không phải song song. Cốt lõi của hệ thống này là thanh ghi dịch song song vào, nối tiếp ra 8 bit CD4021, cho phép tất cả tám trạng thái nút được thu thập 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, tay cầm NES lưu trữ tất cả các 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 Đầu vào
NES liên tục thăm dò bộ điều khiển 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 thu nhận các trạng thái nút hiện tại, lưu trữ chúng bên trong. Tín hiệu Clock sau đó xung tám lần, chuyển các trạng thái nút 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 trong 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 thời gian 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 đăng ký đồng bộ với tốc độ khung hình của console.
Cáp năm dây của bộ điều khiển 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 (Data output)
Cận cảnh các điểm kết nối dây cáp màu sắc trên bảng mạch PCB của tay cầm NES, hiển thị 5 dây tín hiệu và nguồn.
Một số tay cầm NES có thể có dây đỏ và vàng bị hoán đổi vị trí. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” — đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Cơ chế Đảo tín hiệu: Tại sao “0” là “Đã bấm”
Theo thiết kế, tay cầm NES đăng ký 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, lật các số 0 thành số 1 và số 1 thành số 0 trước khi chuyển 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 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 đã mang lại một số hiệu quả ẩn giấu. Việc truyền dữ liệu nối tiếp đã giảm số lượng dây, đường dẫn và các thành phần điện cần thiết, giữ cho bộ điều khiển nhỏ gọn và không tốn kém 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 đăng ký 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 thiết lập 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 những bộ điều khiển cho 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 chóng và đáng tin cậy.
Vượt thời đại: Tác động lâu dài của Tay cầm NES
Sự tiến hóa của D-pad và Bộ điều khiển hiện đại
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối giản của tay cầm NES đã định nghĩa 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 thức nhập liệu thay thế, như các miếng đệm 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 điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm trong kho và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo đôi khi cũng rời bỏ thiết kế của riêng mình — đáng chú ý nhất là với Joy-Cons gốc của Switch, vốn thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các bộ điều khiển Switch của bên thứ ba khác vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Hình ảnh đồ họa của tay cầm NES màu xám, biểu tượng của sự đổi mới trong thiết kế bộ điều khiển chơi game.
Một Tay cầm Được xây dựng để Bền bỉ—và để Sửa đổi
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên đơn giản trong kỹ thuật mà ngày càng hiếm thấy, bản thân bộ điều khiển vẫn 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 ra nhiều cách để tùy chỉnh tay cầm NES của họ, từ việc 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 chóng.
Nếu thiết kế console và băng game NES khiến chúng ta tự hỏi, “Tại sao giờ 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. Cho dù là khôi phục một chiếc nguyên bản đã cũ, điều chỉnh nó cho công nghệ mới hay tìm hiểu cách hoạt động của mạch điện, tay cầm NES vẫn là một cánh cổng 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.
