Vào năm 1985, Nintendo Entertainment System (NES) đã định nghĩa lại khái niệm chơi game tại gia, nhưng những cải tiến của nó sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu thiếu một phương thức điều khiển hiệu quả. Kiến trúc đột phá của console, như đã được khám phá trong bài viết về cách console và băng game kết hợp, đã mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt chưa từng có, cho phép băng game mở rộng khả năng của hệ thống vượt xa phần cứng tích hợp. Tuy nhiên, tất cả những đổi mới đó sẽ trở nên vô nghĩa nếu không có một cách thức để người chơi tương tác với chúng.
Trước khi tay cầm NES ra đời, hầu hết các bộ điều khiển thường dựa vào joystick (cần điều khiển) hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo đã có một tầm nhìn khác biệt. Lấy cảm hứng từ dòng máy chơi game cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-pad (directional pad – phím điều hướng), cho phép điều khiển hướng nhạy bén 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 tay cầm chơi game lớn từ đó đến nay đều có một biến thể nào đó của nó.
Vậy, làm thế nào mà một tay cầm nhỏ bé bằng nhựa với chỉ vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền vững nhất trong lịch sử ngành game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng phân tích chi tiết thiết kế vật lý, công nghệ bên trong và cách thức nó giao tiếp với console NES, để khám phá lý do tại sao bộ điều khiển này lại để lại một dấu ấn sâu đậm đến vậy trong ngành công nghiệp game.
Bên trong Tay Cầm NES: Thiết Kế Thay Đổi Cuộc Chơi
Khác Biệt So Với Các Tay Cầm Thế Hệ Thứ 2
Vào năm 1983, khi Nintendo lần đầu tiên ra mắt Famicom (viết tắt của Family Computer) tại Nhật Bản, các tay cầm chơi game thế hệ thứ hai vẫn 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 bàn phím hình đĩa ở nửa dưới của tay cầm và một bàn phím số 4×3.
Tương tự, ColecoVision (1982) cũng có kiểu bàn phím số tương tự nhưng lại chọn một cần điều khiển ngắn. Atari lại đi theo một hướng khác với console VCS của họ, phát hành lần đầu vào năm 1977, sau đó được đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, chỉ có một cần điều khiển 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 thứ ba trên bàn gỗ
D-Pad: Biến Thể Joystick Đột Phá
Nintendo nhận thấy rằng cả Famicom và NES đều có khả năng được chơi khi người dùng ngồi dưới sàn. Các cần điều khiển kiểu arcade rất tốn kém 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 đã có một phím điều hướng (D-pad) nhỏ gọn, hình chữ thập, được thiết kế để hoạt động 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 gập máy 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
Vào 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 thứ gì đó tối tân. Gunpei Yokoi, nhà thiết kế của D-pad và tay cầm NES, đã theo đuổi triết lý thiết kế mà ông gọi là “Suy nghĩ ngang với công nghệ đã thành thục” (Lateral Thinking with Seasoned Technology) — một cách tiếp cận tập trung vào việc sử dụng công nghệ đã có, đã được chứng minh theo những cách sáng tạo. Thay vì cố gắng đi đầu, 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)
Ba Yếu Tố Cốt Lõi Tạo Nên Sức Mạnh 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 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 nhập liệu 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 khi cầm nắm cho tay cầm. Vỏ và các nút bấm được làm từ nhựa ABS ép phun, trong đó các nút START và SELECT chỉ sử dụng vật liệu cao su mềm với các miếng dẫn điện (conductive pucks) tương tự như dưới D-pad và các nút A, B.
- PCB (Printed Circuit Board) 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), 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 số. Mỗi lần nhấn nút đóng một mạch, cho phép thanh ghi dịch ghi lại và gửi các tín hiệu đầu vào một cách tuần tự. NES đảo ngược tín hiệu trước khi truyền đến băng game, giúp 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 được tối giản và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES trở thành một trong những bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho gần như mọi tay cầm sau này.
Giải Mã Kiến Trúc Tay Cầm NES
Chi Tiết Các Thành Phần Chính
Vỏ Bọc: Thiết Kế Đơn Giản Nhưng Biểu Tượng
Vỏ trên (mặt trước) và vỏ dưới (mặt sau) của tay cầm NES được làm từ nhựa ABS ép phun, có kích thước xấp xỉ 12.2 × 5.3 × 1.6 cm (4.8 × 2.1 × 0.63 inch) khi lắp ráp. D-pad cùng các nút A và B được làm từ cùng loại nhựa cứng và nằm gọn trong các lỗ tương ứng trên vỏ trên.
Bên dưới các nút là các màng cao su với miếng dẫn điện ở mặt dưới. Các nút SELECT và START được làm từ cùng vật liệu cao su nhưng không có nắp nhựa cứng như các nút khác.
D-pad có mặt dưới hơi lồi, 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 dẫn điện bên dưới. Nếu D-pad phẳng, đầu vào sẽ kém chính xác hơn do 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 sở hữu 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 những 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 màng cao su phía trên PCB. Mặc dù không có hình ảnh phạm vi công cộng, một bản phác thảo minh họa giúp hình dung thiết kế này.
Minh họa D-Pad của Sega với thiết kế lõm và bốn điểm tiếp xúc
Các nút A và B trên tay cầm NES là các hình trụ lõm đơn giản, được giữ cố định bằng hai tab nhỏ vừa khít vào một khe trong các lỗ của vỏ. Bộ giảm căng cáp tuân theo một thiết kế chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp ra và làm căng các mối nối có dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu vít 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 dán mặt trước được in mờ, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu vít và một PCB — chưa kể cáp ngoài và đầu nối 7 chân.
Bảng Mạch In (PCB): Trái Tim Công Nghệ
Bên trong tay cầm NES, PCB đóng vai trò là trung tâm cho tất cả các kết nối điện. Nó là một bảng mạch sợi thủy tinh một lớp với lớp chống hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn một chút so với vỏ bọc để vừa vặn an toàn 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, một cho mỗi 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 xanh bảo vệ, 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 màng cao su hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi lại đầu vào.
Bên trong tay cầm NES – Mặt trước bảng mạch in (PCB)
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 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 các tín hiệu đầu vào nút vẫn ở điện áp cao ổn định khi không được nhấn, ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn hoặc điện áp “trôi nổi” gây nhiễu quá trình 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 màu sắc khác nhau.
Bên trong tay cầm NES – Mặt sau bảng mạch in (PCB)
Thiết kế PCB ấn tượng với sự tối giản, chỉ chứa các thành phần 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, biến tay cầm NES vừa có giá thành phải chăng để sản xuất vừa cực kỳ bền bỉ qua nhiều 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 của họ cho Sega Genesis (Mega Drive).
Cơ Chế Giao Tiếp Giữa Tay Cầm NES và Console
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, như những gì 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 sử dụng 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 tuần tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là thanh ghi dịch 8-bit parallel-in, serial-out 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 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 Thăm Dò (Polling): NES Nhận Tín Hiệu Như Thế Nào?
NES liên tục thăm dò (poll) tay cầm để nhận đầu vào bằng cách gửi tín hiệu qua ba đường dây 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 tạo xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút đã lưu trữ từng cái một đến đường dây Data, nơi chúng được truyền 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 trống dọc của PPU (Vertical Blanking Interval – VBlank). Điều này có nghĩa là NES kiểm tra các lần nhấn nút mới chính xác 60 lần mỗi giây, đảm bảo mọi đầu vào được ghi lại đồng bộ với tốc độ khung hình của console.
Cáp 5 dây của tay cầm kết nối trực tiếp với PCB, với mỗi dây đảm nhiệm một chức năng cụ thể:
- Dây trắng – Nguồn +5V
- Dây nâu – Nối đất (GND)
- Dây đỏ – Tín hiệu Clock (xung nhịp)
- Dây cam – Tín hiệu Latch (chốt)
- Dây vàng – Đầu ra dữ liệu (Data)
Bên trong tay cầm NES – Cận cảnh các kết nối dây trên bảng mạch in (PCB)
Lưu ý: Một số tay cầm NES có thể bị đổi chỗ dây đỏ và dây vàng. 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 “0” Là Nút Đã Bấm và Cơ Chế Đảo Ngược Tín Hiệu
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 một logic thông thường hơn — 1 là bật (đã nhấn) và 0 là tắt (không nhấn) — mà không cần phải sửa đổi mã game của họ.
Hiệu Quả Ẩn 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 tiềm ẩn. 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 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 thiết lập tiêu chuẩn về cách các tay cầm chơi game hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các tay cầm trong tương lai, bao gồm cả cho 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 đảm bảo đầu vào nhanh chóng và đáng tin cậy.
Tầm Ảnh Hưởng Lâu Dài Của Tay Cầm NES
Sự Phát Triển Của D-Pad và Tay Cầm Hiện Đại
Phím 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 tựa game 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 phím tròn hoặc phím 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 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 sử dụng lại cho việc điều hướng menu, chọn vật phẩm trong kho và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo cũng đã có lúc rời bỏ thiết kế của riêng mình — đáng chú ý nhất là với 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 bên thứ ba khác vẫn giữ lại một D-pad truyền thống để chơi game chính xác.
Đồ họa tay cầm NES với thiết kế đơn giản nhưng mang tính biểu tượng
Tay Cầm Bền Bỉ – Nền Tảng Cho Sự Sáng Tạo
Trong khi console NES và các băng game của nó 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 dàng nhất để sửa đổi, sửa chữa hoặc thậm chí tự chế tạo từ đầu. Những người đam mê đã tìm ra vô số cách để tùy chỉnh tay cầm NES của họ, từ 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 nó không còn đơn giản như vậy nữa?”, thì tay cầm lại đưa ra một câu trả lời khác — nó quá 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 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 hành.
Cách tiếp cận đổi mới của Gunpei Yokoi đối với thiết kế sản phẩm vẫn tiếp tục truyền cảm hứng cho các kỹ sư và người đam mê ngày nay, chứng minh rằng đôi khi, những ý tưởng đơn giản nhất lại có tác động bền vững nhất. Hãy chia sẻ cảm nhận và kinh nghiệm của bạn với tay cầm NES trong phần bình luận bên dưới!
