Năm 1985, hệ thống Nintendo Entertainment System (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại nhà, nhưng những cải tiến của nó sẽ không có ý nghĩa gì nếu thiếu một phương tiện để điều khiển. Kiến trúc sáng tạo của console, như đã được khám phá trong bài viết về cách console kết hợp với cartridge, 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 đổi mới đó sẽ không có giá trị nếu không có cách để người dùng tương tác với chúng.
Trước khi NES ra đời, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần điều khiển (joystick) hoặc các nút điều hướng dạng đĩa cồng kềnh. Nhưng Nintendo đã 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), cho phép điều khiển hướng phản hồi nhanh trong một hình dạng nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này có ảnh hưởng lớn đến nỗi gần như mọi tay cầm chơi game lớn kể từ đó đều bao gồm một biến thể của nó.
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 bỉ nhất trong lịch sử chơi game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ 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 lâu dài như vậy trong ngành công nghiệp.
Bên trong Tay cầm NES: Một Thiết kế Thay Đổi Cuộc Chơi
Khác biệt so với các console thế hệ thứ 2
Tay cầm NES Classic bên thứ ba trên bàn gỗ
Khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (Family Computer) tại Nhật Bản vào năm 1983, các bộ điều khiển console thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần điều khiển với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một bàn phím dạng đĩa ở nửa dưới của bộ điều khiển và một bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng có cùng loại bàn phím số nhưng lại chọn một cần điều khiển ngắn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của mình, được phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một cần điều khiển 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 điều khiển của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
D-pad: “Cần điều khiển” được làm phẳng
Nintendo biết rằng cả Famicom và NES có khả năng sẽ được chơi trong tư thế ngồi trên sàn. Cần điều khiển 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 bàn điều hướng nhỏ gọn hình chữ thập (D-pad) được thiết kế để hoạt động giống như một cần điều khiển được làm phẳng. Thiết bị cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên có D-pad, cho phép thiết bị gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng cho một thiết bị được thiết kế để di động.
Máy chơi game cầm tay Nintendo Donkey Kong Game & Watch
Năm 1982, khi bắt đầu phát triển nguyên mẫu Advanced Video System (AVS), 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 ngang với Công nghệ Trưởng thành” (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 linh kiện chi phí thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào tay cầm NES.
Hệ thống video nâng cao Nintendo (AVS)
Ba yếu tố cốt lõi cung cấp sức mạnh cho 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 với nhau, các nhóm này đảm nhiệm độ bền cấu trúc, xử lý điện và truyền tín hiệu đầu vào hệ thống, tạo thành một thiết bị đầu vào 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 tay cầm. 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 bên dưới D-pad và các nút A và B.
- Bảng mạch PCB đóng vai trò là xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các điểm tiếp xúc nút bằng carbon đen, và một thanh ghi dịch BU4021B (shift register), chuyển đổi các lần nhấn nút thành dữ liệu nối tiếp. Một cáp 5 dây kết nối nó với NES, cung cấp nguồn, nối đất, và tín hiệu đầu vào.
- Giao tiếp giữa tay cầm 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 tuần 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 bỉ hơn so với các đối thủ cạnh tranh. Sự kết hợp của thanh ghi dịch kỹ thuật số, bố cục PCB tinh gọn và vị trí nút trực quan đã biến tay cầm NES thành một trong những tay cầm có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi tay cầm sau này.
Phân tích Sâu Kiến trúc Tay cầm NES
Thiết kế vỏ bọc: 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 4.8 × 2.1 × 0.63 inch (12.2 × 5.3 × 1.6 cm) khi 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 các 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 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 áp lực đều lên màng cao su và miếng đệm gắn liền bên dưới nó. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác hơn do sự phân bổ áp lực hướng không đồng 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.
Trong khi 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 dạng lõm thay vì lồi, xoay quanh một vỏ bọc cong, và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn vào các miếng đệm dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
Minh họa thiết kế D-pad của Sega với mặt lõm và các phần nhô ra ở mặt dưới
Các nút A và B trên tay cầm NES là những hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai mấu nhỏ khớp vào một khe trong các lỗ của vỏ bọc. Bộ giảm căng cáp theo thiết kế chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng làm bung cáp và gây áp lực lên các kết nối dây của PCB. Vỏ bọc được cố định bằng sáu ốc vít đầu 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.
Bảng mạch PCB: Công nghệ bên trong
Bên trong tay cầm NES, PCB đóng vai trò là trung tâm cho tất cả các kết nối điện. Nó là một bảng sợi thủy tinh một lớp với lớp phủ mặt nạ hàn màu xanh lá cây, có kích thước hơi nhỏ hơn vỏ bọc để vừa khít 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 điểm tiếp xúc nút 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 điểm tiếp xúc bao gồm các đường mạch đồng được phủ bởi một lớp phủ bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen 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 sẽ hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi nhận tín hiệu đầu vào.
Bên trong tay cầm NES – Mặt trước PCB
Tại 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 lấy trạng thái của cả tám nút chỉ bằng ba đường truyền (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 các 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” làm nhiễu 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 sắc khác nhau.
Bên trong tay cầm NES – Mặt sau PCB
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 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 cực kỳ bền bỉ qua hàng thập kỷ sử dụng. Các công ty như Sega đã học hỏi và áp dụng một thiết kế mạch rất tương tự trong các tay cầm 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cách thức Tay cầm NES và Console Giao tiếp
Trước NES, các tay cầm chơi game thường dựa vào hệ thống dây trực tiếp cho các 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 hiệu quả, chúng có những hạn chế — hệ thống 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 một thanh ghi dịch (shift register) để giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES thành một trong những thiết bị đầu tiên truyền dữ liệu nút tuần tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là thanh ghi dịch 8-bit song song vào, nối tiếp ra 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 đã 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.
Quá trình “polling”: Cách NES nhận tín hiệu đầu vào
NES liên tục “polling” (truy vấn) tay cầm để nhận tín hiệu đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường chính: Latch, Clock và Data. Tín hiệu Latch hướng dẫn thanh ghi dịch thu thập trạng thái nút hiện tại, lưu trữ chúng bên trong. Sau đó, tín hiệu Clock sẽ xung tám lần, dịch 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 vào RAM để trò chơi đọc.
Quá trình polling này xảy 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 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 đảm nhiệm 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
Kết nối dây bên trong tay cầm NES – Cận cảnh trên PCB
Một số tay cầm NES có thể có dây đỏ và vàng bị đảo ngược. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” — đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Lý do tín hiệu “0” nghĩa là “đã nhấn” và quá trình đảo ngược tín hiệu
Theo thiết kế, tay cầm NES ghi nhận một lần nhấn nút là “0” và một nút không được nhấn là “1”. Điều này là do mạch sử dụng các 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 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 (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 cung cấp một số hiệu quả ẩn giấu. Việc 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 polling 60 Hz của NES, đảm bảo xử lý 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 giúp đặt ra tiêu chuẩn về cách các tay cầm 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 đầu vào nhanh và đáng tin cậy.
Vượt thời đại: Tác động Lâu dài của Tay cầm NES
Sự tiến hóa của D-pad và các tay cầm hiện đại
Đồ họa tay cầm NES với các nút điều khiển và logo
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối thiểu của tay cầm NES đã định nghĩa cách người chơi tương tác với những 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 bàn phím 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 của 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 đã rời bỏ thiết kế của riêng mình — đáng chú ý nhất là với Joy-Cons của Switch gốc, 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.
Tay cầm được tạo ra để bền bỉ – và để tùy biến
Trong khi console NES và các băng game đại diện cho một kỷ nguyên đơn giản trong kỹ thuật mà ngày nay dường như ngày càng hiếm, bản thân tay cầm vẫn là một trong những phần cứng cổ điển dễ dàng 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 tay cầm 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 nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì tay cầm lại đưa ra một câu trả lời khác — nó đơn giản đến nỗi 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 mòn, điều chỉnh nó cho công nghệ mới, hay tìm hiểu cách hoạt động của mạch điện, tay cầm NES vẫn là một cánh cửa dẫn đến cả lịch sử chơi game và sự sáng tạo thực tế.
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.
