Tại thời điểm ra mắt, Nintendo Entertainment System (NES) hoạt động dựa trên một biến thể tùy chỉnh của bộ vi xử lý 6502. Tuy nhiên, điều thực sự khiến NES trở nên khác biệt và tạo nên di sản vĩ đại của nó chính là cách các thành phần cốt lõi phối hợp nhịp nhàng. Thay vì tích hợp mọi chức năng vào bo mạch chủ như nhiều console cùng thời, NES áp dụng một phương pháp thiết kế mô-đun độc đáo. Các bộ phận phần cứng của máy tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc của nó cho phép các băng game trở thành một phần mở rộng của hệ thống, gánh vác những nhiệm vụ mà các console khác phải cố định vào phần cứng.
Sự linh hoạt này đã mang lại cho các nhà phát triển không gian sáng tạo rộng lớn, giúp họ tạo ra nhiều tựa game xuất sắc nhất thời đại và đảm bảo NES giữ vững vị thế trên thị trường game gần một thập kỷ. Thậm chí đến tận bây giờ, 40 năm sau, cộng đồng vẫn không ngừng khám phá, điển hình là việc có người đã thành công chạy được .NET trên phần cứng NES gốc.
Hãy cùng huongdanthuthuat.com đi sâu vào cách kiến trúc NES được thiết kế, khám phá các thành phần cốt lõi và tìm hiểu cơ chế hoạt động của chúng để mang đến trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng.
Giải Mã Kiến Trúc NES: Ba Nhóm Thành Phần Đồng Bộ
Băng Game Mở Rộng Khả Năng Console Như Thế Nào?
Bộ kết nối băng game 72 chân của Nintendo NES, cho phép mở rộng tính năng hệ thống.
Kiến trúc phần cứng của NES có thể được chia thành ba nhóm thành phần chính: nhóm liên quan đến CPU, nhóm liên quan đến PPU và nhóm thành phần cụ thể trên băng game. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic game, hiển thị hình ảnh và cung cấp các cải tiến đặc trưng cho từng trò chơi, tất cả đều giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp tốt. Bằng cách chuyển giao một số khả năng nhất định cho băng game, Nintendo đã giữ cho giá thành console phải chăng trong khi vẫn trao quyền cho các nhà phát triển để đẩy giới hạn phần cứng 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 một chip RAM tĩnh (WRAM) 2KB. Các thành phần này cùng nhau thực thi logic 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 đối tượng đồ họa (sprite) cho đến các ô nền (background tile).
- Nhóm băng game bao gồm ROM chương trình (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều băng còn có các thành phần bổ sung như bộ điều khiển bộ nhớ (Mappers – MMC) hoặc thậm chí cả chip VRAM 8KB riêng trên băng để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời chủ yếu sử dụng băng game như một phương tiện lưu trữ, NES đã tạo sự khác biệt bằng cách tận dụng khe cắm băng để giao tiếp trực tiếp với cả nhóm CPU và PPU. Thiết kế này cho phép tích hợp phần cứng tùy chỉnh, như MMC và VRAM mở rộng, ngay bên trong băng game. Việc tích hợp khe cắm băng với PPU và CPU cho phép băng game sửa đổi trực tiếp các khía cạnh quan trọng 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
Cái Nhìn Sâu Hơn Về Các Thành Phần Cốt Lõi
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 máy tính Apple II. Khác với 6502 tiêu chuẩn, phiên bản của NES không hỗ trợ các phép toán thập phân mã hóa nhị phân (BCD), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm doanh nghiệp nhưng phần lớn không liên quan đến game. 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.
Hình ảnh cận cảnh chip CPU Ricoh 6502 tùy biến trên bo mạch Nintendo NES đời đầu.
Điều làm nên sự độc đáo của CPU NES là nó không chỉ là một bộ xử lý—mà còn tích hợp cả 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 trầm, 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 (BR6216C-10LL) trên bo mạch Nintendo NES đời đầu, nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời.
2KB RAM làm việc (WRAM) được dán nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi—thông tin có thể được chỉnh sửa hoặc sửa đổi sau khi tạo. Mặc dù dung lượng hạn chế, nhưng việc lập trình thông minh cho phép các nhà phát triển tận dụng tối đa dung lượng thấp này. 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 trong quá trình chơi.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã game, xử lý đầu vào và ra lệnh cho các thành phần khác. 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 game.
Thành Phần Liên Quan Đến PPU: Bộ Xử Lý Đồ Họa Của NES
Đồ họa của NES được xử lý bởi Picture Processing Unit (PPU), một chip Ricoh tùy chỉnh có nhãn RP2C02H-O. Trong khi CPU thực thi logic game, 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 đối tượng (sprites), về cơ bản là các vật thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Hình ảnh cận cảnh chip xử lý đồ họa PPU Ricoh RP2C02H-O của Nintendo NES.
Không giống như các GPU hiện đại, PPU không thể lập trình trực tiếp. Thay vào đó, CPU điều khiển PPU thông qua các thanh ghi I/O được 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 ra lệnh cho PPU 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 phù hợp khi anh ta di chuyển.
Chip VRAM 2KB trên bo mạch Nintendo NES đời đầu, lưu trữ dữ liệu hình ảnh cho PPU.
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 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 dù phần cứng của NES còn hạn chế.
Để tiết kiệm tài nguyên, NES chỉ có đủ VRAM để hỗ trợ hai màn hình bảng tên, đó là lý do tại sao các trò chơi như Metroid sử dụng kỹ thuật “mirroring” để tái sử dụng các phần của màn hình khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể điều khiển việc mirroring này bằng cách sử dụng các thanh ghi được ánh xạ bộ nhớ, đảm bảo trải nghiệm chơi mượt mà ngay cả với phần cứng hạn chế.
Tóm lại, nhóm PPU hoạt động tương tự nhóm CPU nhưng chuyên biệt hoàn toàn cho đồ họa. Trong khi CPU xử lý logic game, PPU xử lý mọi thứ liên quan đến hình ảnh—vẽ nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Thành Phần Liên Quan Đến Băng Game: Mở Rộng Sức Mạnh Của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành phần cốt lõi của NES, thì các băng game đã thêm vào “phép thuật” khiến mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Băng game 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 bộ kết nối 72 chân.
Hình ảnh cận cảnh bộ kết nối 72 chân trên bo mạch Nintendo NES, điểm giao tiếp với băng game.
Mỗi băng game đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), nơi lưu trữ mã game và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc CHR-RAM, nơi lưu trữ dữ liệu ô cho đồ họa. Đối với các trò chơi sử dụng CHR-ROM, đồ họa được tải sẵn vào băng, trong khi các trò chơi có CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa một cách động trong quá trình chơi.
Một số băng game còn bao gồm RAM đa năng bổ sung (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu game. Các băng này thường đi kèm một viên pin CR2032 được hàn vào PCB, dùng 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.
Bo mạch PCB của băng game Nintendo NES, chứa các chip ROM và MMC.
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp các Bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (Memory Management Controllers – MMC) vào băng game. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt qua giới hạn bộ nhớ địa chỉ 64KB của console bằng cách kích hoạt cơ chế chuyển đổi ngân hàng bộ nhớ (bank switching). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ vào và ra khỏi phạm vi truy cập của CPU, các nhà phát triển có thể đưa các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn vào một băng game duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn màn hình mượt mà và bảng màu mở rộng.
Một số băng game cao cấp thậm chí còn đi kèm với 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, băng game 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 băng game, các nhà phát triển có thể thoát khỏi những hạn chế của console và đẩy giới hạn của những gì có thể thực hiện được vào thời điểm đó.
Giao Tiếp Giữa Các Thành Phần: Hệ Thống Bus Của NES
Bo mạch chủ Nintendo NES đời đầu nhìn từ phía dưới, thể hiện hệ thống bus và các kết nối.
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống bus dữ liệu và bus địa chỉ được điều phối tốt. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều khiển luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và băng game.
- Bus dữ liệu: Bus song song 8-bit này mang thông tin thực tế, như hướng dẫn game hoặc dữ liệu đồ họa, giữa các thành phần.
- Bus địa chỉ: Bus 16-bit này xác định nơi lưu trữ dữ liệu cụ thể, cho dù trong WRAM, VRAM hay băng game.
Mỗi thành phần đều có tín hiệu chọn chip (chip-select signal), được điều khiển bởi một chip logic rời rạc có nhãn 74LS139, đảm bảo rằng chỉ thành phần chính xác mới phản hồi khi dữ liệu được truy cập. Ví dụ, khi CPU cần cập nhật vị trí của Mario, bus địa chỉ sẽ xác định chính xác vị trí bộ nhớ trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi các tọa độ mới.
Để duy trì hiệu quả, NES 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. Cấu hình này cho phép CPU tương tác liền mạch với tất cả phần cứng, coi PPU, APU và băng game 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 giống 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 điều phối trung tâm, đảm bảo rằng logic game, đồ họa và dữ liệu âm thanh đều đến đúng nơi vào đúng thời điểm.
Một Kiệt Tác Mô-đun Trong Lịch Sử Gaming
Giải Mã Quá Khứ: Hiểu Sâu Về NES
Máy chơi game Nintendo NES và khẩu súng Zapper, biểu tượng của kỷ nguyên gaming cổ điển.
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó và nó chắc chắn đã thành công rực rỡ. Bằng cách chuyển giao một phần phần cứng của console sang băng game, 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 duy trì vị thế trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn của những gì có thể trong thiết kế game.
Ngày nay, chúng ta có thể tháo rời những cỗ máy này, phân tích từng đường mạch trên bo mạch và hiểu đầy đủ cách chúng hoạt động. Mức độ khả năng tiếp cận đó là một phần của điều khiến máy tính cổ điển 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 tạo lại phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Liệu Công Nghệ Hiện Đại Có Còn Đơn Giản Như Vậy?
Thật không may, với máy tính hiện đại, kiểu hiểu biết sâu sắc và thực tế đó dường như gần như không thể đạt được. Với bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa vào nhiều lớp trừu tượng, ý tưởng tháo dỡ hoàn toàn một hệ thống hiện đại theo cách chúng ta làm với NES dường như là bất khả thi. Đối với nhiều người trong chúng ta, chiếc máy tính mạnh nhất mà chúng ta sở hữu có lẽ nằm trong túi quần. Liệu nhiều thập kỷ sau, có ai sẽ giải mã ngược công nghệ ngày nay theo cùng một cách không? Hay kỷ nguyên thực sự hiểu cách một thứ hoạt động, đến từng mạch cuối cùng, đã qua rồi?
Dù sao đi nữa, có một điều gì đó thỏa mãn khi đi 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 thời xưa. Vì vậy, đây có thể là dấu hiệu để bạn cuối cùng bắt đầu dự án Arduino đó, tự 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.
