Năm 1985, Hệ thống giải trí Nintendo (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại nhà, nhưng sự đổi mới của nó sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu không có một phương tiện để tương tác. Kiến trúc đột phá của console, như đã được khám phá trong các bài viết về thiết kế độc đáo của NES, mang lại cho 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 thiếu một cách để người chơi tương tác với thế giới ảo.
Trước NES, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần gạt (joystick) hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo đã có một tầm nhìn khác. Kế thừa từ dòng máy cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-pad (directional pad) – một phím điều hướng giúp kiểm soát hướng di chuyển phản hồi nhanh chóng trong một hình dạng nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này đã có sức ảnh hưởng lớn đến mức gần như mọi bộ điều khiển game quan trọng kể từ đó đều bao gồm một biến thể của nó.
Làm thế nào mà một bộ điều khiển nhỏ gọn, bằng nhựa chỉ với vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền bỉ nhất trong lịch sử chơi game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích chi tiết thiết kế vật lý, công nghệ bên trong và cách nó giao tiếp với NES, từ đó khám phá lý do tại sao bộ tay cầm này lại để lại dấu ấn lâu dài trong ngành công nghiệp.
Bên trong tay cầm NES: Một thiết kế thay đổi cuộc chơi
Sự khác biệt so với các console thế hệ thứ 2
Khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (Family Computer) tại Nhật Bản vào năm 1983, các bộ điều khiển máy chơi game gia đình thế hệ thứ hai vẫn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần gạt 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 kiểu bàn phím số tương tự nhưng lại chọn một cần gạt ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, được phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, chỉ có một cần gạt và một nút bấm duy nhất. Nintendo ban đầu cũng có kế hoạch tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn đảo ngược kỹ thuật các bộ điều khiển cần gạt của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
D-pad: Cần gạt “phẳng”
Nintendo nhận ra rằng cả Famicom và NES có khả năng cao sẽ được chơi khi người dùng ngồi trên sàn nhà. Các cần gạt kiểu arcade đắt tiền để sản xuất và dễ bị hỏng, đặc biệt nếu bị giẫm lên. Giải pháp đến từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của Nintendo, vốn có một phím điều hướng hình chữ thập (D-pad) nhỏ gọn được thiết kế để hoạt động như một cần gạt đã được làm phẳng. Thiết bị cầm tay Donkey Kong là trò chơi đầu tiên sử dụng D-pad, cho phép nó được gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng của một thiết bị được thiết kế để di động.
Thiết bị chơi game cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch, tiền thân của D-pad trên tay cầm NES.
Năm 1982, khi quá trình phát triển nguyên mẫu Hệ thống video tiên tiến (AVS) của họ 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 ủng hộ cái mà ông gọi là triết lý thiết kế “Tư duy phi truyền thống với công nghệ đã thành thục” (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.
Nguyên mẫu Nintendo Advanced Video System (AVS), tiền thân của NES, nơi D-pad được tích hợp.
3 yếu tố cốt lõi cung cấp sức mạnh cho tay cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ ngoài, bảng mạch in (PCB) và các thành phần giao tiếp. Cùng với nhau, các nhóm này xử lý độ bền cấu trúc, xử lý điện tử và truyền tín hiệu đầu vào hệ thống, tạo thành một thiết bị nhập liệu hiệu quả, chi phí thấp, bền bỉ, dễ sản xuất hàng loạt và giảm thiểu lỗi của con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ ngoài cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác xúc giác cho 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 có đĩa dẫn điện được tìm thấy bên dưới D-pad và các nút A và B.
- PCB đóng vai trò xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các tiếp điểm nút bằng carbon đen, và một thanh ghi dịch BU4021B, chịu trách nhiệm chuyển đổi các lần nhấn nút thành dữ liệu nối tiếp. Một cáp 5 dây kết nối nó với NES, cung cấp nguồn, đất và tín hiệu đầu vào.
- Giao tiếp giữa tay cầm và NES dựa vào tín hiệu số. Mỗi lần nhấn nút sẽ đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi các đầu vào một cách tuần tự. NES sẽ 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 bỉ hơn so với các đối thủ cạnh tranh. Sự kết hợp giữa thanh ghi dịch số, bố cục PCB được tối giản và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES trở thành một trong những bộ điều khiển game có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi bộ điều khiển theo sau.
Phân tích kiến trúc tay cầm NES
Vỏ ngoài: Thiết kế đơn giản nhưng mang tính biểu tượng
Vỏ trên (phía trước) và vỏ dưới (phía sau) của tay cầm NES được làm từ nhựa ABS đúc phun, có kích thước xấp xỉ 12.2 × 5.3 × 1.6 cm khi lắp ráp. 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 có đĩa dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ vật liệu cao su tương tự nhưng không có 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 rãnh hình chữ thập trên vỏ trên, đảm bảo rằng việc nhấn theo bất kỳ hướng nào đều phân bổ áp lực đều lên màng cao su và đĩa dẫn điện bên dưới. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác hơn do sự phân bổ không đều của áp lực định hướng.
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.
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 lỗ của vỏ. Bộ giảm căng cáp tuân theo một thiết kế S-pattern phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp lỏng và làm hỏng các kết nối dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu ốc vít Phillips.
Xem xét chức năng của tay cầm, thiết kế 15 mảnh của nó đơn giản đến 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: 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 một lớp với lớp chống hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn một chút so với vỏ để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ, với các nút bấm, màng cao su và kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các tiếp điểm nút được bố trí thành tám miếng 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 một lớp bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen ở trên để cải thiện độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn. Khi một nút được nhấn, đĩa dẫn điện trên màng cao su sẽ hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Cận cảnh bảng mạch in (PCB) mặt trước bên trong tay cầm NES, hiển thị các đường mạch và tiếp điểm nút.
Ở trung tâm của PCB là thanh ghi dịch BU4021B, một bộ chuyển đổi song song-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), đơn giản hóa 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 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 đến việc 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 có màu.
Bảng mạch in (PCB) mặt sau của tay cầm NES với thiết kế tối giản, tập trung vào độ bền và chi phí.
Thiết kế PCB tối giản đến ấn tượng, 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, giúp tay cầm NES vừa có giá thành 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 bộ điều khiển 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cách mọi thứ giao tiếp: Tay cầm NES và Console
Trước NES, các bộ điều khiển trò chơi điện tử thường dựa vào việc đi dây trực tiếp cho các đầu vào đơn giản hoặc mã hóa ma trận cho các bố cục nút phức tạp hơn, như những gì được tìm thấy trên bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động, nhưng 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 hiện tượng nhập liệu ảo (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 tay cầm đầu tiên truyền dữ liệu nút tuần tự thay vì 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 ghi lại 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 đã 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 thăm dò (Polling): Cách NES nhận tín hiệu đầu vào
NES liên tục thăm dò tay cầm để nhận đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường chính: Latch, Clock và Data. Tín hiệu Latch hướng dẫn thanh ghi dịch ghi lại các trạng thái nút hiện tại, lưu trữ chúng bên trong. Tín hiệu Clock sau đó phát xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút đã lưu trữ từng cái một đến đường Data, đường này sẽ 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 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 đầu vào đều được đăng ký đồng bộ với tốc độ khung hình của console.
Cáp 5 dây của tay cầm được kết nối trực tiếp với PCB, với mỗi dây xử lý một chức năng cụ thể:
- Màu trắng – nguồn +5V
- Màu nâu – Đất (GND)
- Màu đỏ – Tín hiệu Clock
- Màu cam – Tín hiệu Latch
- Màu vàng – Đầu ra dữ liệu
Chi tiết các điểm kết nối dây cáp màu trên bảng mạch PCB của tay cầm NES, minh họa cách giao tiếp với console.
Một số tay cầm NES có thể có dây màu đỏ và vàng bị đổi chỗ. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” – đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Đảo ngược tín hiệu và lý do “0” nghĩa là “đã nhấn”
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), nghĩa là trạng thái mặc định của mỗi nút là cao (+5V) khi không được nhấn. Nhấn một nút sẽ kết nối nó với 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 bật (đã nhấn) và 0 tắt (ở trạng thái nghỉ) — mà không cần sửa đổi mã trò chơi của họ.
Hiệu quả ẩn 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. Truyền dữ liệu nối tiếp đã giảm số lượng dây, đường mạch và linh kiện điện tử cần thiết, giữ cho tay cầm nhỏ gọn và không tốn kém để sản xuất.
Thanh ghi dịch cho phép tay cầm 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 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 về cách các bộ điều khiển game hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các bộ điều khiển trong tương lai, bao gồm cả 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 đầu vào nhanh chóng và đáng tin cậy.
Vượt thời gian: Tác động lâu dài của tay cầm NES
Sự tiến hóa của D-pad và các tay cầm hiện đại
Hình ảnh cận cảnh một tay cầm NES Classic của bên thứ ba đặt trên mặt bàn gỗ.
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối thiểu 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 tồn tại trong nhiều 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 các phím bấm 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 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. Các cần analog trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được sử dụng lại cho điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo cũng đã có lúc rời xa thiết kế của riêng mình – đáng chú ý nhất là với các Joy-Cons ban đầu của Switch, đã thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các tay cầm Switch của bên thứ ba khác vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Một tay cầm bền bỉ – và dễ tùy chỉnh
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên kỹ thuật đơn giản ngày càng hiếm hoi, thì bản thân tay cầm vẫn là một trong những phần cứng cổ điển dễ sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí tự chế tạo nhất. Những người đam mê đã tìm thấy nhiều 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.
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. Cho dù là khôi phục một bản gốc 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 tế.
Cách tiếp cận đổi mới của Gunpei Yokoi trong 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.
Tay cầm NES, với thiết kế D-pad mang tính cách mạng và kiến trúc nội bộ thông minh, đã không chỉ định hình cách chúng ta chơi game mà còn đặt nền móng cho sự phát triển của các bộ điều khiển hiện đại. Từ việc tối ưu hóa chi phí sản xuất cho đến việc đảm bảo độ bền bỉ vượt thời gian, mỗi chi tiết nhỏ của tay cầm NES đều phản ánh triết lý “Tư duy phi truyền thống với công nghệ đã thành thục” của Gunpei Yokoi. Đây không chỉ là một thiết bị điều khiển đơn thuần; nó là một biểu tượng của sự đổi mới, một ví dụ điển hình về cách công nghệ đơn giản có thể tạo ra tác động sâu rộng và lâu dài trong ngành công nghiệp game. Hãy chia sẻ cảm nhận của bạn về biểu tượng gaming này và khám phá thêm các bài viết khác về lịch sử công nghệ tại thichthuthuat.com!
