Năm 1985, hệ máy Nintendo Entertainment System (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại gia, mở ra kỷ nguyên vàng của ngành công nghiệp trò chơi điện tử. Tuy nhiên, mọi đổi mới kiến trúc của console, như việc băng game có thể mở rộng khả năng phần cứng tích hợp của hệ thống, sẽ trở nên vô nghĩa nếu không có một phương thức tương tác hiệu quả. Đây chính là lúc tay cầm điều khiển (controller) đóng vai trò then chốt, biến những ý tưởng phức tạp thành trải nghiệm trực quan cho người chơi.
Trước khi NES xuất hiện, hầu hết các tay cầm game đều dựa vào joystick hoặc các đĩa điều khiển cồng kềnh. Nintendo đã có một tầm nhìn khác. Kế thừa từ dòng máy cầm tay Game & Watch của mình, họ giới thiệu D-pad (directional pad) – một thiết kế nhỏ gọn nhưng cho phép điều khiển hướng phản hồi nhanh nhạy. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này đã tạo ra một ảnh hưởng sâu rộng đến mức gần như mọi tay cầm chơi game lớn ra đời sau đó đều tích hợp một biến thể của nó.
Vậy làm thế nào mà một tay cầm nhựa nhỏ bé, chỉ với vài nút bấm, lại trở thành một trong những thiết kế bền vững nhất trong lịch sử gaming? Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào thiết kế vật lý, công nghệ bên trong, và cách thức nó giao tiếp với console NES, từ đó khám phá lý do tại sao tay cầm này lại để lại dấu ấn lâu dài đến vậy trong ngành.
Bên Trong Tay Cầm NES: Một Thiết Kế Thay Đổi Cuộc Chơi
Sự Khác Biệt So Với Các Console Thế Hệ Thứ Hai
Vào năm 1983, khi Nintendo lần đầu ra mắt Famicom (Family Computer) tại Nhật Bản, các tay cầm điều khiển của thế hệ console thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy game thùng arcade, thường là joystick với một hoặc nhiều nút bấm. Một số hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một bàn phím hình đĩa ở nửa dưới tay cầm và bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng sở hữu loại bàn phím này nhưng lại sử dụng joystick ngắn. Atari lại đi theo hướng khác với console VCS của họ, phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, chỉ có một joystick và một nút bấm duy nhất. Ban đầu, Nintendo cũng dự định tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn đảo ngược kỹ thuật các tay cầm joystick của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
Tay cầm Classic NES bên cạnh một tấm gỗ
D-pad: Phiên Bản Phẳng Của Joystick
Nintendo nhận thức rõ rằng cả Famicom và NES nhiều khả năng sẽ được chơi trong tư thế ngồi trên sàn. Joystick kiểu arcade đắt tiền để sản xuất và dễ hỏng, đặc biệt nếu bị giẫm lên. Giải pháp đến từ dòng máy chơi game cầm tay Game & Watch của Nintendo, vốn có một bàn điều hướng hình chữ thập (D-pad) nhỏ gọn được thiết kế để hoạt động như một joystick phẳng. Máy chơi game cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên sử dụng D-pad, cho phép thiết bị được gập lại và giảm thiểu rủi ro hư hỏng của một thiết bị vốn 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 tuổi nhưng chỉ mới gia nhập ngành công nghiệp trò chơi điện tử 9 năm trước đó — Nintendo không tìm cách tạo ra một thứ gì đó tiên tiến nhất. Gunpei Yokoi, nhà thiết kế của D-pad và tay cầm NES, đã theo đuổi triết lý thiết kế mà ông gọi là “Tư duy ngang với Công nghệ đã có kinh nghiệm” (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 đầu, 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 Nintendo (AVS) nguyên mẫu
Ba Yếu Tố Cốt Lõi Tạo Nên Sức Mạnh Của 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 bảo độ bền cấu trúc, xử lý điện và truyền tín hiệu đầu vào hệ thống, tạo thành một thiết bị nhập liệu hiệu quả, chi phí thấp và bền bỉ, dễ 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 cho 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 dẫn điện được tìm thấy dưới D-pad và các nút A và B.
- PCB đóng vai trò là xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các tiếp điểm nút carbon màu đen và một thanh ghi dịch BU4021B (shift register), có nhiệm vụ 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 và tín hiệu đầu vào.
- Giao tiếp giữa tay cầm và NES dựa vào tín hiệu kỹ thuật 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 truyền tới 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 kỹ thuật số, bố cục PCB tinh gọn và vị trí nút bấm trực quan đã khiến tay cầm NES trở thành một trong những thiết bị điều khiển có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi tay cầm ra đời sau này.
Phân Tích Kiến Trúc Tay Cầm NES Chi Tiết
Vỏ Bọc: Thiết Kế Đơn Giản Nhưng Đầy 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 màng cao su với các miếng dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ cùng vật liệu cao su nhưng không có các nắp nhựa cứng mà các nút khác sử dụng.
D-pad hơi lồi ở mặt dưới, cho phép nó xoay theo mọi hướng. 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 đều phân bổ áp lực đều lên màng cao su và miếng dẫn điện bên dưới. Nếu D-pad phẳng, tín hiệu đầu vào sẽ kém chính xác hơn do sự phân bổ áp lực 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.
Trong khi Nintendo nắm giữ bằng sáng chế cho D-pad hình chữ thập của mình, các công ty khác phải phát triển các thiết kế thay thế để tránh vi phạm. Ví dụ, một trong các thiết kế D-pad của Sega là lõm thay vì lồi, xoay quanh một vỏ cong và sử dụng bốn chốt ở mặt dưới để nhấn các miếng dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
Sơ đồ minh họa thiết kế D-pad của Sega
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. Giảm căng cáp theo thiết kế mẫu chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp lỏng lẻo và gây áp lực lên các kết nối dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu ốc vít đầu Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 mảnh của nó ấn tượng đến mức đơn giản: một vỏ trước và sau, một nhãn mặt trước in mờ, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu ốc vít và một PCB — chưa 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. Nó là một bảng sợi thủy tinh đơn lớp với lớp mặt nạ hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn vỏ một chút để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ, với các nút bấm, màng cao su và các 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 phủ bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon màu đen ở trên để cải thiện độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn. Khi một nút được nhấn, miếng dẫn điện trên màng cao su sẽ hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi nhận tín hiệu đầu vào.
Bảng mạch PCB mặt trước bên trong tay cầm NES với các tiếp điểm nút
Ở trung tâm của PCB là thanh ghi dịch BU4021B, một bộ chuyển đổi song song-nối tiếp 8 bit có 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 (xung nhịp – clock, chốt – latch và dữ liệu – data), tối ưu 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 cho việc phát hiện đầu vào. Gần cạnh dưới của PCB, cáp tay cầm được hàn trực tiếp vào năm điểm tiếp xúc, mỗi điểm tương ứng với một trong năm dây có mã màu.
Mặt sau của bảng mạch PCB tay cầm NES
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 cũng đã đi theo xu hướng này với một thiết kế mạch rất tương tự trong các tay cầm 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cơ Chế Giao Tiếp Giữa Tay Cầm NES Và Console
Trước NES, các tay cầm chơi game thường dựa vào việc nối dây trực tiếp cho các tín hiệu đầu vào đơn giản hoặc mã hóa ma trận cho các bố cục nút phức tạp hơn, như trên các bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động, chúng có những hạn chế — nối dây trực tiếp đòi hỏi 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 tín hiệu “ma”.
Giải pháp của Nintendo là một thanh ghi dịch (shift register) cho giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES trở thành một trong những thiết bị đầu tiên truyền dữ liệu nút bấm theo trình tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là thanh ghi dịch CD4021 8-bit parallel-in, serial-out, cho phép tất cả tám trạng thái nút được thu nhận đồng thời và gửi đến NES từng bit một. Thay vì yêu cầu một dây dẫn riêng cho mỗi đầu vào hoặc một mạch ma trận để quét nhiều nút, tay cầm NES 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.
Quy Trình Polling: Cách NES Nhận Tín Hiệu Đầu Vào
NES liên tục thăm dò tay cầm để lấy 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 nhận 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 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 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 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 xử lý một chức năng cụ thể:
- Trắng – Nguồn +5V
- Nâu – Nối đất (GND)
- Đỏ – Tín hiệu Clock
- Cam – Tín hiệu Latch
- Vàng – Dữ liệu đầu ra
Cận cảnh các kết nối dây cáp trên bảng mạch PCB tay cầm NES
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 dữ liệu đầu ra chính xác.
Nguyên Lý Nghịch Đảo Tín Hiệu: Tại Sao “0” Có 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 mức 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 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.
Hơn Cả Sự Đơn Giản: 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 nhiều hiệu quả ẩn giấu. 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 tín hiệu 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 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 trò chơi 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 đồng thời đảm bảo đầu vào nhanh chóng và đáng tin cậy.
Vượt Thời Đại: Tác Động Lâu Dài Của Tay Cầm NES
Sự Phát Triển Của D-pad Và Các Tay Cầm Hiện Đại
Đồ họa tay cầm NES với D-pad và các nút điều khiển
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối giản 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 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 của ngành.
Tuy nhiên, khi các trò chơi chuyển sang môi trường 3D, vai trò của D-pad đã thay đổi. Cần điều khiển analog trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho việc điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm trong kho đồ và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo cũng đã rời xa thiết kế của riêng mình đôi khi — đáng chú ý nhất là với Joy-Cons của Switch nguyên bản, vốn thay thế D-pad bằng các nút riêng biệt, trong khi Switch Pro Controller và các tay cầm Switch bên thứ ba khác vẫn giữ một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Tay Cầm Được Chế Tạo Để Bền Bỉ – Và Để Tùy Biến
Trong khi console NES và băng game đại diện cho một kỷ nguyên kỹ thuật đơn giản mà ngày nay dường như ngày càng hiếm, 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 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 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. Dù là khôi phục một bản gốc đã cũ, điều chỉnh nó cho công nghệ mới hay tìm hiểu cách mạch điện của nó hoạt động, 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 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.
Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này trên congnghehot.net! Bạn nghĩ sao về tay cầm NES huyền thoại và những đóng góp của nó cho ngành game? Bạn có kỷ niệm nào với chiếc tay cầm này không? Hãy để lại bình luận và chia sẻ ý kiến của bạn bên dưới nhé!