Năm 1985, hệ thống giải trí Nintendo (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại nhà, nhưng những đổi mới của nó sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu không có cách để điều khiển. Kiến trúc sáng tạo của console, như đã được khám phá trong bài viết về cách console kết nối với cartridge, đã mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt vô song, 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 công nếu thiếu một phương tiện tương tác hiệu quả.
Trước khi NES ra đời, hầu hết các tay cầm chơi game đều dựa vào cần điều khiển (joystick) hoặc các bộ phận điều khiển dạng đĩa cồng kềnh. Nhưng Nintendo đã có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ dòng máy chơi game cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu phím điều hướng D-pad, cho phép điều khiển hướng nhạy bén trong một hình thức nhỏ gọn. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả này có sức ảnh hưởng lớn đến nỗi gần như mọi tay cầm chơi game quan trọng kể từ đó đều tích hợp một biến thể của nó.
Làm thế nào mà một chiếc tay cầm nhỏ bé 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 đi sâu vào cấu tạo vật lý, công nghệ bên trong và cách nó giao tiếp với console NES, từ đó khám phá lý do tại sao chiếc tay cầm này lại để lại dấu ấn lâu dài như vậy trong ngành công nghiệp game. Chúng ta sẽ phân tích chi tiết từng khía cạnh của tay cầm NES để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và tầm quan trọng của nó.
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 tiên ra mắt Famicom (hay còn gọi là Family Computer) tại Nhật Bản, các tay cầm chơi game console thế hệ thứ hai vẫn còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ các máy arcade, thường có cần điều khiển (joystick) với một hoặc nhiều nút bấm. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), có một miếng đệm hình đĩa ở nửa dưới của tay cầm và một bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng có cùng loại bàn phím nhưng lại chọn một cần điều khiển ngắn hơn. Atari đi theo một hướng khác với console VCS của họ, ra mắt lần đầu vào năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một cần điều khiển cùng một nút bấm duy nhất. Nintendo ban đầu cũng có kế hoạch tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn thực hiện kỹ thuật đảo ngược (reverse-engineering) các tay cầm joystick của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
Tay cầm NES cổ điển của bên thứ ba đặt trên bàn gỗ, minh họa thiết kế cơ bản và các nút bấm quen thuộc của tay cầm NES.
D-pad: Cần điều khiển “được làm phẳng”
Nintendo nhận ra rằng cả Famicom và NES đều có khả năng được chơi khi người dùng ngồi trên sàn nhà. Các cần điều khiển kiểu arcade rất đắt tiền để sản xuất và dễ 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 (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập, được thiết kế hoạt động như một cần điều khiển “được làm phẳng”. Thiết bị cầm tay Donkey Kong của họ là trò chơi đầu tiên sử dụng D-pad, cho phép thiết bị có thể gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng của một thiết bị vốn được thiết kế để di động.
Thiết bị chơi game cầm tay Nintendo Game & Watch Donkey Kong, tiên phong với phím điều hướng D-pad.
Vào năm 1982, khi bắt đầu phát triển nguyên mẫu Hệ thống Video Nâng cao (AVS) của mình, Nintendo đã là một công ty 93 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 theo đuổi cái mà ông gọi là triết lý thiết kế “Tư duy sáng tạo 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 linh kiện giá thành thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào tay cầm NES.
Hệ thống video nâng cao Nintendo (AVS) – nguyên mẫu cho máy chơi game Famicom và NES.
Ba yếu tố cốt lõi của tay cầm NES
Tay cầm NES có thể được chia thành ba nhóm chính: vỏ bọc (enclosure), bo mạch in (PCB), và các thành phần giao tiếp. Cùng nhau, các nhóm này đảm nhiệm độ bền cấu trúc, xử lý điện tử và truyền tín hiệu đầu vào đến hệ thống, tạo thành một thiết bị đầu vào hiệu quả, chi phí thấp, bền bỉ, dễ sản xuất hàng loạt và giảm thiểu lỗi do con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ bọc cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác cầm nắm của 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 với các miếng đệm dẫn điện nằm dưới D-pad và các nút A và B.
- Bo mạch PCB đóng vai trò là xương sống điện tử của tay cầm. Nó có các đường mạch đồng, các tiếp điểm nút bấm 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 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 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 biến tay cầm NES thành một trong những tay cầm game có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi tay cầm ra đời sau này.
Phân tích sâu kiến trúc tay cầm NES
Vỏ bọc: Thiết kế đơn giản nhưng mang tính 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 cùng A và B được làm từ cùng loại nhựa cứng và nằm trong các lỗ tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút bấm là các miếng đệm cao su với các miếng 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 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 sẽ phân phối áp lực đều lên miếng đệm cao su và miếng dẫn điện bên dưới. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác do sự phân phối 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 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 trên một vỏ bọc cong, và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn các miếng dẫn điện trên miếng đệm cao su phía trên PCB.
Bản vẽ minh họa thiết kế D-pad lõm của Sega, một biến thể khác biệt so với D-pad của Nintendo.
Các nút A và B trên tay cầm NES là những trụ hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bởi hai tab nhỏ khớp vào một khe trong các lỗ của vỏ bọc. Bộ giảm căng cáp (cable strain relief) theo một thiết kế S-pattern phổ biến, ngăn chặn lực căng làm bung cáp và làm căng các kết nối dây của PCB. Vỏ bọc được cố định bằng sáu ốc vít Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 mảnh của nó đơn giản đến ấn tượng: một vỏ trước và vỏ sau, một nhãn mặt trước in mờ, ba nút nhựa, ba miếng đệm 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. Đó là một bo mạch sợi thủy tinh một lớp với lớp chống hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn vỏ bọc một chút để vừa vặn an toàn bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ bọc, với các nút bấm, miếng đệm cao su và kết nối cáp được định vị phía trên nó.
Các tiếp điểm nút bấm 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 tiếp điểm bao gồm các đường mạch đồng được phủ một lớp phủ bảo vệ màu xanh lá cây, với một lớp carbon đen ở trên cùng để cải thiện độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn. Khi một nút được nhấn, miếng dẫn điện trên miếng đệm cao su sẽ đóng mạch, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Mặt trước của bo mạch PCB tay cầm NES, hiển thị các tiếp điểm nút bấm và thanh ghi dịch.
Ở 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 một định dạng mà NES có thể đọc. Thanh ghi dịch này cho phép NES thăm dò tất cả tám nút chỉ sử dụng ba đường tín hiệu (clock, latch và data), hợp lý 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 bấm duy trì ở điện áp cao ổn định khi không được nhấn, ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn hoặc điện áp “lơ lửng” gây nhiễu cho 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 mã màu.
Mặt sau của bo mạch PCB tay cầm NES, với các đường mạch đồng và điểm hàn cáp.
Thiết kế PCB tối giản đáng kinh ngạc, chỉ chứa các thành phần thiết yếu cần thiết cho hoạt động. Cách tiếp cận tinh gọn này giúp giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện độ bền và độ tin cậy lâu dài, khiến tay cầm NES vừa 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 tay cầm 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cách thức giao tiếp: Tay cầm NES và console
Trước khi NES ra đời, các tay cầm chơi game thường dựa vào việc đấu 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 tìm thấy trên bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động, chúng có những hạn chế—đấu 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 “ma” (ghost inputs).
Giải pháp của Nintendo là sử dụng một thanh ghi dịch (shift register) cho giao tiếp nối tiếp, biến tay cầm NES thành một trong những tay cầm đầu tiên truyền dữ liệu nút bấm tuần 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 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 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 polling: NES nhận đầu vào như thế nào
NES liên tục thăm dò (poll) 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. Sau đó, tín hiệu Clock sẽ xung 8 lần, dịch chuyển các trạng thái nút đã lưu trữ từng cái một đến đường Data, 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 đầu vào được ghi nhận 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:
- 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 bo mạch PCB của tay cầm NES, bao gồm dây nguồn, đất, Clock, Latch và Data.
Lưu ý: Một số tay cầm NES có thể có dây màu đỏ và vàng bị hoán đổi. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT”—đây là dây dữ liệu đầu ra chính xác.
Đảo ngược tín hiệu và lý do “0” nghĩa là “đã bấm”
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 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, lật các bit 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 game của họ.
Hơn cả vẻ ngoài: Hiệu quả ẩn giấu trong thiết kế
Mặc dù hệ thống giao tiếp của tay cầm NES có vẻ đơn giản, nó đã mang lại một số hiệu quả ẩn giấu. Việc truyền dữ liệu nối tiếp giúp giảm số lượng dây, đường mạch và linh kiện điện tử cần thiết, giữ cho tay cầm nhỏ gọn và không đắt tiền 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 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: Tầm ảnh hưởng lâu dài của tay cầm NES
Sự tiến hóa của D-pad và tay cầm hiện đại
Đồ họa tay cầm NES biểu tượng, thể hiện thiết kế D-pad hình chữ thập và bố cục nút bấm.
D-pad hình chữ thập và bố cục nút bấm tối giản 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 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 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 analog (analog stick) trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho việc điều hướng menu, chọn vật phẩm trong kho đồ và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo cũng đôi khi đã từ 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 lại một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Một tay cầm được chế tạo để bền bỉ – và để tùy chỉnh
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 hoi, bản thân tay cầm vẫn là một trong những phần cứng cổ điển dễ sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí chế tạo từ đầu nhất. Những người đam mê đã tìm thấy vô số 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 cartridge của NES khiến chúng ta tự hỏi, “Tại sao giờ nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì tay cầm lại mang đến một câu trả lời khác—nó đơn giản đến nỗi chúng ta không thể không thử nghiệm với nó, sửa đổi nó và biến nó thành của riêng mình. Dù là phục hồi một bản gốc đã cũ, điều chỉnh nó cho công nghệ mới, hay học 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.
Kết luận
Tay cầm NES không chỉ là một phụ kiện chơi game đơn thuần; nó là một biểu tượng của sự đổi mới và tư duy thiết kế đột phá. Từ sự ra đời của D-pad hình chữ thập trên Game & Watch cho đến việc tích hợp thanh ghi dịch hiệu quả vào bo mạch PCB, mỗi yếu tố của cấu tạo tay cầm NES đều phản ánh triết lý “Tư duy sáng tạo với công nghệ đã thành thục” của Gunpei Yokoi. Nguyên lý hoạt động thông minh của nó, từ việc truyền dữ liệu nối tiếp đến quy trình polling chính xác 60 Hz, đã thiết lập một tiêu chuẩn mới cho ngành công nghiệp.
Thiết kế tối giản, độ bền vượt trội và khả năng tùy chỉnh linh hoạt đã giúp tay cầm Nintendo NES không chỉ tồn tại qua thử thách của thời gian mà còn tiếp tục truyền cảm hứng cho các nhà thiết kế và người hâm mộ công nghệ. Nó chứng minh rằng, với sự sáng tạo và khéo léo, những giải pháp đơn giản nhất có thể tạo ra tác động sâu rộng và lâu dài nhất. Tay cầm NES mãi mãi là một phần quan trọng trong lịch sử phát triển công nghệ game, định hình cách chúng ta tương tác với thế giới ảo.
Bạn nghĩ sao về tay cầm NES và những sáng tạo phần cứng game kinh điển khác? Bạn có kỷ niệm nào đặc biệt với chiếc tay cầm huyền thoại này không? Hãy chia sẻ ý kiến của bạn trong phần bình luận bên dưới!