Nintendo Entertainment System (NES) không chỉ là một cỗ máy chơi game huyền thoại mà còn là một minh chứng xuất sắc cho sự đổi mới trong thiết kế phần cứng. Mặc dù được cung cấp năng lượng bởi một biến thể tùy chỉnh của bộ vi xử lý 6502, điều thực sự làm nên sự khác biệt của NES nằm ở cách các thành phần của nó hoạt động cùng nhau. Không giống như các console khác cùng thời, NES đã áp dụng một cách tiếp cận thiết kế mô-đun độc đáo. Các linh kiện phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc của nó cho phép các cartridge trở thành một phần mở rộng của hệ thống, xử lý các tác vụ mà các console khác phải “đóng cứng” vào bo mạch chủ của chúng.
Chính sự linh hoạt này đã tạo không gian cho các nhà phát triển phát hành một số trò chơi hay nhất thời đại, đồng thời đảm bảo NES vẫn giữ được vị thế quan trọng trên thị trường game trong gần một thập kỷ. Ngay cả 40 năm sau, cộng đồng công nghệ vẫn bất ngờ khi ai đó có thể chạy .NET trên phần cứng gốc của NES.
Hãy cùng thichthuthuat.com phân tích chi tiết cách kiến trúc NES được thiết kế, kiểm tra các thành phần cốt lõi của nó và khám phá cách mọi thứ hoạt động cùng nhau để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng mà chúng ta vẫn yêu mến.
Bên Trong NES: Ba Nhóm Thành Phần Hợp Lực
Cartridge Đã Mở Rộng Khả Năng Của Console Như Thế Nào?
Bộ kết nối Cartridge NES 72-pin
Kiến trúc 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 cartridge. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến dành riêng cho trò chơi, giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp tốt. Bằng cách “tải bớt” một số khả năng nhất định lên cartridge, Nintendo đã giữ cho console có giá cả phải chăng, đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển đẩy phần cứng đi xa hơn với mỗi trò chơi mới và tăng 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 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 sprite nhân vật đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm cartridge bao gồm bộ nhớ chương trình ROM (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều cartridge cũng có thêm các thành phần như bộ điều khiển ánh xạ bộ nhớ (MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên cartridge để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời chủ yếu sử dụng cartridge như một 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 các MMC và VRAM mở rộng, vào chính các cartridge. Sự tích hợp của khe cắm cartridge với PPU và CPU cho phép các cartridge sửa đổi trực tiếp các khía cạnh chính 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 chất lượng tốt hơn trong suốt vòng đời của NES.
Các Khối Xây Dựng Mô-đun Của NES
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 các vùng NTSC và RP2A07 cho các vùng PAL) dựa trên bộ xử lý MOS Technology 6502 được sử dụng trong Apple II. Không giống như 6502 tiêu chuẩn, phiên bản NES thiếu hỗ trợ cho các hoạt động BCD (Binary-Coded Decimal), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm kinh doanh nhưng phần lớn không liên quan trong trò chơi. Chế độ BCD đã được MOS Technology cấp bằng sáng chế và bằng cách vô hiệu hóa mạch BCD, Nintendo và Ricoh có thể tránh phí cấp phép mà họ phải trả cho MOS Technology.
Cận cảnh 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 bass, 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 của nó, và đó là lý do tại sao việc circuit bending NES lại thú vị đến vậy.
Chip WRAM 2KB trên Nintendo NES Mk1
2KB RAM hoạt động (WRAM) có nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi – thông tin có thể được thay đổi hoặc sửa đổi sau khi được tạo. Mặc dù bị hạn chế, việc lập trình thông minh cho phép các nhà phát triển tận dụng tối đa dung lượng thấp. 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 đầu vào và ra lệnh cho 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: Hiển Thị 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 ô nền (background tiles) và các sprite, về cơ bản là các đối tượng có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Cận cảnh 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 cho PPU biết phải vẽ những ô nào, đặt chúng ở đâu và tô màu chúng 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 thích hợp khi anh ấy di chuyển.
Chip VRAM 2KB trên 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 bất chấp phần cứng hạn chế của NES.
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 sử dụng kỹ thuật “mirroring” (phản chiếu) để tái sử dụng các phần hiển thị khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể điều khiển việc mirroring 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 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 phần lõi của NES, các cartridge đã thêm vào sự kỳ diệu làm cho mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Cartridge 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 bộ kết nối 72 chân.
Cận cảnh bộ kết nối 72-pin của Nintendo NES Mk1
Mỗi cartridge đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), nơi lưu trữ mã trò chơi, và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc CHR-RAM, nơi lưu trữ dữ liệu ô (tile data) cho đồ họa. Đối với các trò chơi sử dụng CHR-ROM, đồ họa được tải sẵn vào cartridge, trong khi các trò chơi sử dụng CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa một cách động trong quá trình chơi.
Một số cartridge bao gồm thêm RAM đa năng (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu game. Các cartridge này thường bao gồm một pin CR2032 được hàn vào PCB, được sử dụng để duy trì tiến độ đã lưu ngay cả khi console đã tắt – một tính năng được sử dụng trong các trò chơi như The Legend of Zelda.
Bảng mạch PCB của Cartridge Nintendo NES
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng bao gồm các Bộ Điều Khiển Quản Lý Bộ Nhớ (MMC) trong các cartridge. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt quá giới hạn bộ nhớ 64KB có thể định địa chỉ của console bằng cách kích hoạt bank switching (chuyển đổi ngân hàng). 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 cartridge duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn màn hình mượt mà (smooth scrolling) và bảng màu mở rộng.
Một số cartridge cao cấp 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 một cách đơn giản, cartridge 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 cartridge, 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
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống được điều phối tốt gồm các bus dữ liệu (data buses) và bus địa chỉ (address buses). CPU luôn được kết nối với các bus này, điều khiển luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và cartridge trò chơi.
- Bus dữ liệu: 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: Bus 16-bit này xác định nơi dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù trong WRAM, VRAM hay cartridge.
Mỗi thành phần đều có một tín hiệu chọn chip (chip-select signal), được điều khiển bởi một chip logic rời rạc có nhãn 74LS139, đảm bảo chỉ 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 xác định vị trí bộ nhớ chính xác trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi 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. Cài đặt 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 các “người đưa tin”, mỗi người chịu trách nhiệm mang thông tin cụ thể giữa các thành phần. CPU đóng vai trò là điều phối viên 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 Trong Lịch Sử Chơi Game
Nghiên Cứu Ngược Quá Khứ
Máy chơi game NES và súng Zapper
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó, và nó chắc chắn đã mang lại hiệu quả. Bằng cách “tải bớt” một số phần cứng của console lên cartridge, 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 tồn tại gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn về 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 bảng mạch và hiểu đầy đủ cách chúng hoạt động. Mức độ truy cập đó là một phần của điều khiến máy tính 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 mình tạo lại phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Tại Sao Cảm Giác Không Còn Đơn Giản Như Trước?
Đáng tiếc, với máy tính hiện đại, kiểu hiểu sâu sắc, thực tế đó dường như gần như nằm ngoài tầm với. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa trên các lớp trừu tượng, ý tưởng tháo rời hoàn toàn một hệ thống hiện đại theo cách chúng ta làm với NES dường như là không thể. Đối với nhiều người trong chúng ta, máy tính mạnh nhất chúng ta sở hữu có lẽ nằm trong túi của chúng ta. Liệu có ai, hàng thập kỷ sau, sẽ nghiên cứu ngược công nghệ ngày nay theo cùng một cách? Hay kỷ nguyên thực sự hiểu cách một thứ hoạt động, xuống đến mạch cuối cùng, đã qua rồi?
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 thực hiện 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 vào thời đó. Vì vậy, có lẽ đây là dấu hiệu để bạn cuối cùng cũng bắt đầu dự án Arduino, 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.
