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 chúng. Kiến trúc sáng tạo của console, như đã được khám phá sâu hơn trong các phân tích về thiết kế độc đáo của NES, 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. Tuy nhiên, tất cả những cải tiến đó sẽ không có ý nghĩa gì nếu không có một phương tiện để tương tác.
Trước khi NES ra đời, hầu hết các bộ điều khiển đều dựa vào cần điều khiển (joystick) hoặc các thiết bị nhập liệu cồng kềnh dạng đĩa. Nhưng Nintendo lại có một tầm nhìn khác. Lấy cảm hứng từ các thiết bị cầm tay Game & Watch của mình, họ đã giới thiệu D-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 sâu rộng đến mức hầu hết mọi tay cầm chơi game lớn từ đó đến nay đều bao gồm một biến thể của nó.
Làm thế nào mà một tay cầm nhỏ gọn, làm bằng nhựa với chỉ vài nút bấm lại trở thành một trong những thiết kế bền bỉ nhất trong lịch sử ngành game? Trong bài viết này, chúng ta sẽ bóc tách thiết kế vật lý, công nghệ nội tại và cách nó giao tiếp với NES, từ đó khám phá lý do tại sao tay cầm này lại để lại dấu ấn lâu dài đến vậy trong ngành công nghiệp.
Bên trong tay cầm NES: Thiết kế làm thay đổi cuộc chơi
Sự khác biệt so với tay cầm thế hệ thứ hai
Trong năm 1983, khi Nintendo lần đầu ra mắt Famicom (hay còn gọi là Family Computer) tại Nhật Bản, các bộ điều khiển chơi game tại nhà 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. Các hệ thống khác, như Intellivision (1979), lại 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 đi theo một hướng khác với console VCS của họ, lần đầu ra mắt vào năm 1977, sau đó đổi tên thành Atari 2600 vào năm 1982, và chỉ có một cần điều khiển cùng một nút bấm duy nhất. Ban đầu, Nintendo cũng có ý định tuân theo tiêu chuẩn này, thậm chí còn giải mã ngược các bộ điều khiển joystick của Mỹ để nghiên cứu thiết kế của chúng.
Tay cầm NES cổ điển từ bên ngoài với các nút bấm đặc trưng
D-pad: “Tay cầm” phẳng hóa từ joystick
Nintendo biết rằng cả Famicom và NES đều có khả năng sẽ được chơi khi người dùng ngồi trên sàn nhà. Các cần điều khiển kiểu arcade rất đắt đỏ 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 phím định 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 có D-pad, cho phép nó gập lại và giảm nguy cơ hư hỏng của một thiết bị vốn được dùng để di động.
Máy chơi game cầm tay Nintendo Game & Watch Donkey Kong nơi D-pad xuất hiện lần đầu
Vào 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 một 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 “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 thành phần chi phí thấp, đáng tin cậy từ Game & Watch vào tay cầm NES.
Nguyên mẫu hệ thống giải trí cao cấp Nintendo AVS (Advanced Video System) từ những năm 1980
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 nhau, các nhóm này xử lý độ bền cấu trúc, xử lý điện tử và truyền tín hiệu đầu vào cho 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 của con người trong quá trình lắp ráp.
- Vỏ bọc cung cấp cấu trúc vật lý và cảm giác khi cầm tay cầm. Vỏ và các nút bấm được làm từ nhựa ABS ép phun, với các nút START và SELECT chỉ sử dụng cao su mềm với các miếng dẫn điện (conductive pucks) nằm 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 điểm tiếp xúc nút bấm bằng carbon đen, và một chip shift register 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 điện, nối đất (ground), 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 shift register ghi lại và gửi các tín hiệu đầu vào tuần tự. NES đảo ngược tín hiệu trước khi truyền nó 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 hơn so với các đối thủ cạnh tranh. Sự kết hợp giữa chip shift register kỹ thuật số, bố cục PCB được tinh gọn và vị trí nút bấm trực quan đã biến tay cầm NES trở thành một trong những gamepad có ảnh hưởng nhất trong lịch sử, đặt ra tiêu chuẩn cho hầu hết mọi bộ điều khiển ra đời sau này.
Phân tích kiến trúc tay cầm NES chuyên sâu
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 4.8 × 2.1 × 0.63 inch (12.2 × 5.3 × 1.6 cm) khi lắp ráp. D-pad cùng các nút A và 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 của chúng. Các nút SELECT và START được làm từ vật liệu cao su tương tự nhưng không có các nắp nhựa cứng như các nút khác.
D-pad hơi lồi ở phía 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, đầu vào sẽ kém chính xác hơn do phân bổ áp lực định hướng 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 có dạng lõm thay vì lồi, xoay trên một vỏ cong, và sử dụng bốn phần nhô ra ở mặt dưới để nhấn các miếng dẫn điện trên màng cao su phía trên PCB.
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 trên các lỗ của vỏ. Bộ giảm căng cáp theo một thiết kế chữ S phổ biến, ngăn chặn lực căng kéo cáp lỏng lẻo và gây áp lực lên các mối hàn dây của PCB. Vỏ được cố định bằng sáu vít đầu Phillips.
Xét về chức năng của tay cầm, thiết kế 15 chi tiết của nó đơn giản đến ấn tượng: một vỏ trước và một vỏ sau, một nhãn dán mặt trước được in mờ, ba nút nhựa, ba màng cao su, sáu vít và một PCB – không bao gồm cáp ngoài và đầu nối 7 chân.
Bảng mạch in (PCB): Trái tim 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 mặt nạ hàn màu xanh lá cây, có kích thước nhỏ hơn một chút so với vỏ để vừa khít bên trong. PCB được giữ cố định bởi chính vỏ bọc, với các nút bấm, màng cao su và kết nối cáp được đặt phía trên nó.
Các điểm tiếp xúc nút bấm được bố trí thành tám miếng 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 một lớp 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 màng cao su hoàn thành mạch, cho phép PCB ghi nhận đầu vào.
Bảng mạch in (PCB) bên trong tay cầm NES nhìn từ mặt trước, cho thấy chip và các điểm tiếp xúc
Ở trung tâm PCB là BU4021B shift register, 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 được. Shift register này cho phép NES thăm dò tất cả tám nút chỉ bằng ba đường dây (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 đầu vào nút bấm luôn ở mức điện áp cao ổn định khi không được nhấn, ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn hoặc điện áp “nổi” gây nhiễu quá trình nhận diện 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.
Mặt sau của bảng mạch in (PCB) tay cầm NES với các đường mạch điện và linh kiện hàn
Thiết kế PCB ấn tượng với sự tối giản, 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, khiến 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 thiết kế mạch rất tương tự trong các tay cầm 3 nút cho Sega Genesis (Mega Drive) của họ.
Cơ chế giao tiếp: Tay cầm NES và console
Trước NES, các bộ điều khiển chơi game thường dựa vào việc đi 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 trên bàn phím của Intellivision và ColecoVision. Mặc dù các phương pháp này hoạt động được, chúng có những hạn chế – đi 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 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 tuần tự thay vì song song. Cốt lõi của hệ thống này là CD4021 8-bit parallel-in, serial-out shift register, cho phép tất cả tám trạng thái nút bấm được thu nhận 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 đã lưu trữ tất cả trạng thái nút bấm trong một shift register và gửi chúng từng cái một đến console chỉ bằng ba đường dữ liệu.
Quá trình Polling: Cách NES nhận dữ liệu đầu vào
NES liên tục thăm dò 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 shift register ghi lại trạng thái nút bấm hiện tại, lưu trữ chúng bên trong. Sau đó, tín hiệu Clock phát xung tám lần, dịch chuyển các trạng thái nút bấm 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 trong RAM để trò chơi đọc.
Quá trình polling 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 mọi đầu vào được ghi nhận đồng bộ với tốc độ khung hình của console.
Cáp năm dây của tay cầm được hàn trực tiếp vào PCB, với mỗi dây xử lý một chức năng cụ thể:
- Trắng – +5V nguồn điện
- Nâu – Nối đất (GND)
- Đỏ – Tín hiệu Clock
- Cam – Tín hiệu Latch
- Vàng – Đầu ra dữ liệu
Cận cảnh các điểm kết nối dây cáp màu trên bảng mạch in (PCB) của tay cầm NES
Một số tay cầm NES có thể có dây màu đỏ và vàng bị đổi vị trí cho nhau. Để xác minh, hãy lật PCB và kiểm tra chân được dán nhãn “OUT” – đây là dây đầu ra dữ liệu chính xác.
Đảo ngược tín hiệu và lý do “0” là “đã nhấn”
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, 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 (ở trạng thái nghỉ) – mà không cần sửa đổi mã game của họ.
Hiệu quả ẩn giấu trong thiết kế
Mặc dù hệ thống giao tiếp của tay cầm NES có vẻ đơn giản, nó lại mang lại một số hiệu quả ẩn giấu đáng kể. 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 chi phí sản xuất thấp.
Shift register 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 đặt ra tiêu chuẩn cho cách các bộ điều khiển chơi game hiện đại giao tiếp với console của chúng. Các bộ điều khiển sau này, 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 chóng và đáng tin cậy.
Vượt thời đại: Tác động lâu dài của tay cầm NES
Sự tiến hóa của D-pad và tay cầm hiện đại
D-pad hình chữ thập và bố cục nút tối giản của tay cầm NES đã định nghĩa 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 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 dạng chữ thập cổ điển, củng cố nó như một tiêu chuẩn công nghiệp.
Tuy nhiên, khi trò chơi chuyển sang môi trường 3D, vai trò của D-pad đã thay đổi. Các cần analog (analog sticks) trở thành phương pháp di chuyển chính, và D-pad được tái sử dụng cho việc điều hướng menu, lựa chọn vật phẩm và các lệnh nhanh.
Ngay cả Nintendo đôi khi cũng đã rời xa thiết kế của riêng mình – đáng chú ý nhất là với Joy-Con của Switch đời đầu, 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.
Tay cầm được thiết kế để bền bỉ – và để tùy biến
Trong khi console và băng game NES đại diện cho một kỷ nguyên của sự đơn giản trong kỹ thuật mà ngày nay dường như ngày càng hiếm hoi, thì bản thân tay cầm lại là một trong những phần cứng cổ điển dễ dàng tùy chỉnh, sửa chữa hoặc thậm chí tự 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 gamepad 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 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 cổng dẫn đến cả lịch sử trò chơi 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.
Kết luận
Tay cầm NES, với vẻ ngoài khiêm tốn, đã vươn lên trở thành một biểu tượng công nghệ, một minh chứng sống động cho triết lý thiết kế tài tình của Gunpei Yokoi. Sự kết hợp giữa khả năng điều khiển trực quan với D-pad đột phá, kiến trúc phần cứng tối giản nhưng hiệu quả, và cơ chế giao tiếp thông minh dựa trên shift register đã tạo nên một sản phẩm vừa bền bỉ, chi phí thấp, vừa đặt nền móng vững chắc cho sự phát triển của các bộ điều khiển chơi game hiện đại. Di sản của tay cầm NES không chỉ nằm ở những giờ phút giải trí bất tận mà nó mang lại, mà còn ở cách nó định hình tư duy về thiết kế công nghệ và khả năng tùy biến, sửa chữa của người dùng.
Bạn nghĩ sao về di sản của tay cầm NES? Hãy chia sẻ ý kiến của bạn bên dưới!
