Về cốt lõi, Nintendo Entertainment System (NES) được vận hành bởi một biến thể tùy chỉnh của bộ vi xử lý 6502. Tuy nhiên, điều thực sự làm nên sự khác biệt của NES chính là cách các thành phần của nó phối hợp với nhau. Khác với các console khác cùng thời, NES đã tiên phong một phương pháp thiết kế module độc đáo. Các thành phần phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc này cho phép các băng game (cartridge) trở thành một phần mở rộng của hệ thống, đảm nhiệm những tác vụ mà các console khác tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của chúng.
Sự linh hoạt này đã mang lại cho các nhà phát triển không gian để tạo ra một số tựa game hay nhất thời đại, đồng thời đảm bảo NES duy trì vị thế quan trọng trên thị trường game gần một thập kỷ. Ngay cả bây giờ, 40 năm sau, vẫn có người đã thành công chạy được .NET trên phần cứng gốc của NES.
Hãy cùng congnghetinhoc.com đi sâu phân tích cách kiến trúc NES được thiết kế, khám phá các thành phần cốt lõi của nó và tìm hiểu cách mọi thứ hoạt động cùng nhau để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng của hệ máy huyền thoại này.
Máy chơi game Nintendo Entertainment System
Giải mã kiến trúc NES: Ba nhóm thành phần, một hệ thống thống nhất
Cartridge đã mở rộng khả năng của console như thế nào?
Kiến trúc phần cứng 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 dành riêng cho băng game (cartridge). Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến cụ thể của trò chơi, giao tiếp thông qua một hệ thống bus được điều phối chặt chẽ. Bằng cách ủy thác một số khả năng cho cartridge, Nintendo đã giữ cho console có giá thành phải chăng, đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển để đẩy phần cứng đi xa hơn với mỗi trò chơi mới và tăng tuổi thọ của hệ thống.
Đầu nối băng game Nintendo NES 72 chân
- Nhóm liên quan đến CPU bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ xử lý âm thanh (APU) và chip RAM tĩnh 2KB (WRAM). Các 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 sprite của nhân vật cho đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm băng game (cartridge) bao gồm bộ nhớ ROM 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 mappers (MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên băng game để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời sử dụng cartridge chủ yếu làm phương tiện lưu trữ, NES đã tạo nên sự khác biệt bằng cách tận dụng khe cắm cartridge để giao tiếp trực tiếp với cả nhóm CPU và PPU. Thiết kế này cho phép tích hợp phần cứng tùy chỉnh, như MMCs và VRAM mở rộng, vào chính các cartridge. Sự tích hợp của khe cắm cartridge với PPU và CPU cho phép các băng game điều chỉnh trực tiếp các khía cạnh chính của đồ họa, âm thanh và bộ nhớ, mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt cao hơn để mở rộng khả năng của hệ thống. Đây là lý do tại sao chúng ta thấy sự tiến bộ ổn định về chất lượng trò chơi trong suốt vòng đời của NES.
Các khối xây dựng module của NES: Cái nhìn cận cảnh về thành phần cốt lõi
Thành phần liên quan đến CPU: Bộ não của NES
Trái tim của NES là CPU của nó, một chip Ricoh tùy chỉnh (RP2A03 cho NTSC và RP2A07 cho các khu vực PAL) dựa trên bộ xử lý MOS Technology 6502 được sử dụng trong Apple II. Khác với 6502 tiêu chuẩn, phiên bản NES không hỗ trợ các phép toán Binary-Coded Decimal (BCD), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm kinh doanh nhưng phần lớn 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 phí cấp phép mà họ lẽ ra phải trả cho MOS Technology.
Chip CPU Ricoh 6502 của Nintendo NES Mk1
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 để phát âm thanh mẫu. APU đã mang lại cho NES âm thanh 8-bit đặc trưng, và cũng là lý do tại sao việc “circuit bending” NES lại thú vị đến vậy.
Chip WRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES Mk1
2KB RAM làm việc (WRAM) được dán nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi — thông tin có thể được chỉnh sửa hoặc sửa đổi sau khi tạo. Mặc dù dung lượng hạn chế, lập trình thông minh đã cho phép các nhà phát triển tận dụng tối đa dung lượng thấp này. Ví dụ, thay vì giữ toàn bộ bản đồ trong bộ nhớ, các trò chơi như The Legend of Zelda đã sử dụng các thuật toán để tạo dữ liệu bản đồ động theo thời gian thực.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã trò chơi, xử lý các đầu vào và chỉ đạo các thành phần khác phải làm gì. Phần APU của CPU điều khiển âm thanh, và WRAM đóng vai trò là không gian làm việc để theo dõi mọi thứ đang diễn ra trong trò chơi.
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 được dán 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 ô nền (background tiles) và các đối tượng sprite, về cơ bản là các vật thể có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Chip PPU Ricoh của Nintendo NES Mk1
Không giống như các GPU hiện đại, PPU không thể lập trình trực tiếp. Thay vào đó, CPU thao tác với 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 yêu cầu PPU vẽ những ô nào, đặt chúng ở đâu và tô màu như thế nào. Chẳng hạn, khi Mario nhảy trong Super Mario Bros., CPU cập nhật các thanh ghi PPU để di chuyển sprite của Mario theo chiều dọc trong khi vẽ lại các ô nền phù hợp khi anh ta di chuyển.
Chip VRAM 2KB của Nintendo NES Mk1
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 ô xuất hiện trên màn hình), các bảng thuộc tính (attribute tables) (xử lý việc gán màu cho các nhóm ô) và các bảng màu (palettes) (các màu cụ thể mà mỗi ô có thể sử dụng). Các bảng này cho phép các nhà phát triển tạo ra hình ảnh phức tạp dù phần cứng của NES bị hạn chế.
Để tiết kiệm tài nguyên, NES chỉ có đủ VRAM để hỗ trợ hai màn hình chứa bảng tên, đó là lý do tại sao các trò chơi như Metroid đã sử dụng “mirroring” (phản chiếu) để tái sử dụng các phần của màn hình khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể điều khiển 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 hạn chế.
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 về mặt hình ảnh — vẽ nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng cách sử dụng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Thành phần liên quan đến Cartridge: Mở rộng khả năng của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành cốt lõi của NES, các băng game đã thêm vào sự “phép thuật” khiến 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.
Đầu nối 72 chân của Nintendo NES Mk1
Mỗi băng game đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), lưu trữ mã của trò chơi, và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc CHR-RAM, lưu trữ dữ liệu ô (tile data) cho đồ họa. Đối với các trò chơi có 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 một cách linh hoạt trong quá trình chơi.
Một số băng game bao gồm RAM đa năng bổ sung (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu đã lưu. 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
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp Bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (MMC) vào các băng game. Những chip này cho phép các nhà phát triển vượt quá giới hạn bộ nhớ địa chỉ 64KB của console bằng cách kích hoạt bank switching (chuyển đổi ngân hàng bộ nhớ). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ ra vào phạm vi truy cập của CPU, các nhà phát triển có thể đưa các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn vào một băng game duy nhất. MMCs cũng giới thiệu các tính năng như cuộn mượt (smooth scrolling) và bảng màu mở rộng.
Một số băng game nâng cao thậm chí còn đi kèm với VRAM tích hợp riêng, cho phép chúng xử lý dữ liệu đồ họa độc lập với VRAM tích hợp sẵn 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 một cách đơn giản, 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 thêm phần cứng 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 thực hiện được vào thời điểm đó.
Cách mọi thứ giao tiếp: Hệ thống Bus của NES
Bo mạch chủ Nintendo NES Mk1 mặt dưới
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống bus dữ liệu và bus địa chỉ được điều phối chặt chẽ. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều chỉnh 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 trò chơi hoặc dữ liệu đồ họa, giữa các thành phần.
- Bus địa chỉ (Address bus): Bus 16-bit này xác định nơi dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù 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 mang tên 74LS139, đảm bảo chỉ có thành phần chính xác phản hồi khi dữ liệu đang 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 duy trì 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 cartridge 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 như một mạng lưới người đưa tin, mỗi người chịu trách nhiệm mang thông tin cụ thể giữa các thành phần. CPU đóng vai trò là bộ 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 module trong lịch sử game
Đảo ngược kỹ thuật quá khứ
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó, và nó chắc chắn đã mang lại hiệu quả. Bằng cách ủy thác một số phần cứng của console cho 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 quan trọng gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn của những gì có thể trong thiết kế trò chơi.
Máy chơi game NES và súng light gun
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 truy cập đó là một phần của điều khiến việc điện toán retro trở nên hấp dẫn — bạn có thể theo dõi mọi kết nối, xem mọi thứ khớp với nhau như thế nào và thậm chí tự tái tạo phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Tại sao cảm giác không còn đơn giản như vậy nữa?
Thật không may, với điện toán hiện đại, loại hiểu biết sâu sắc, thực hành đó gần như ngoài tầm với. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ transistor và phần mềm dựa trên các lớp trừu tượng, ý tưởng phân tích 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, sẽ đảo ngược kỹ thuật công nghệ ngày nay theo cùng một cách? Hay kỷ nguyên thực sự biết cách một thứ gì đó hoạt động, đến từng mạch cuối cùng, đã qua đi?
Dù sao đi nữa, có một điều gì đó thỏa mãn khi đào sâu vào phần cứng, cho dù đó là phân tích kiến trúc của một 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 tương tự đã truyền cảm hứng cho rất nhiều người thử nghiệm với NES vào thời đó. Vì vậy, có lẽ đây là dấu hiệu để bạn cuối cùng bắt đầu dự án Arduino, tự xây dựng máy tính để bàn của riêng mình hoặc biến chiếc laptop cũ thành một NAS. Rốt cuộc, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự tay trải nghiệm nó.
