Nintendo Entertainment System (NES) không chỉ là một chiếc máy chơi game mà còn là một biểu tượng, đặt nền móng cho ngành công nghiệp game hiện đại. Sức mạnh cốt lõi của NES nằm ở bộ vi xử lý tùy chỉnh dựa trên kiến trúc 6502, nhưng điều thực sự khiến nó khác biệt chính là cách các thành phần hoạt động hài hòa. Không giống như các console khác cùng thời, NES tiên phong với một phương pháp thiết kế module độc đáo. Các bộ phận phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc này cho phép các băng game (cartridge) trở thành một phần mở rộng của hệ thống, đảm nhiệm những tác vụ mà các console khác tích hợp cứng vào bo mạch chủ của chúng.
Chính sự linh hoạt này đã mang lại cho các nhà phát triển không gian để phát hành một số trò chơi hay nhất thời đại, đồng thời đảm bảo NES vẫn giữ được vị thế quan trọng trên thị trường game trong gần một thập kỷ. Ngay cả 40 năm sau, vẫn có người tìm cách chạy các ứng dụng hiện đại trên phần cứng gốc này.
Hãy cùng dancongnghe.net đi sâu vào cách kiến trúc NES được thiết kế, khám phá các thành phần cốt lõi của nó, và tìm hiểu cách mọi thứ hoạt động cùng nhau để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng của nó.
Máy chơi game Nintendo Entertainment System (NES) cổ điển, biểu tượng của kỷ nguyên 8-bit, minh họa thiết kế module độc đáo
Ba Nhóm Thành Phần Chủ Lực: Linh Hồn Của Hệ Thống NES
Cách Cartridge Mở Rộng Sức Mạnh Của Console
Kiến trúc của NES có thể được chia thành ba nhóm chính: các thành phần liên quan đến CPU, các thành phần liên quan đến PPU, và các thành phần đặc trưng của cartridge. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến cụ thể của trò chơi, giao tiếp thông qua một hệ thống bus phối hợp tốt. Bằng cách ủy thác một số khả năng nhất định cho cartridge, Nintendo đã giữ cho console có giá thành phải chăng đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển để nâng cấp phần cứng với mỗi trò chơi mới và tăng tuổi thọ của hệ thống.
Cận cảnh khe cắm cartridge 72 chân của Nintendo NES, minh họa giao diện kết nối giữa console và cartridge game, chìa khóa cho kiến trúc module
- Nhóm thành phần 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 yếu tố này hoạt động cùng nhau để thực thi logic của trò chơi, xử lý âm thanh và quản lý dữ liệu tạm thời.
- Nhóm thành phần 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 sprite nhân vật đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm thành phần trên cartridge bao gồm ROM chương trình (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM). Nhiều cartridge cũng có thêm các thành phần bổ sung như mappers (MMC) hoặc thậm chí là chip VRAM 8KB riêng trên cartridge để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều console cùng thời chủ yếu sử dụng cartridge như một phương tiện lưu trữ, NES đã tạo sự khác biệt bằng cách tận dụng khe cắm cartridge để giao tiếp trực tiếp với cả nhóm CPU và PPU. Thiết kế này cho phép tích hợp phần cứng tùy chỉnh, như các MMC và VRAM mở rộng, vào chính các cartridge. Việc tích hợp khe cắm cartridge với PPU và CPU cho phép các cartridge 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 cao 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.
Giải Mã Các Khối Xây Dựng Module Của NES
Các Thành Phần Liên Quan Đến CPU: Bộ Não Điều Khiển Của NES
Trái tim của NES là CPU, 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 Apple II. Không giống như 6502 tiêu chuẩn, phiên bản NES thiếu hỗ trợ cho các hoạt động mã hóa thập phân nhị phân (BCD), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm kinh doanh nhưng phần lớn không liên quan đến game. Chế độ BCD được cấp bằng sáng chế bởi MOS Technology và bằng cách vô hiệu hóa mạch BCD, Nintendo và Ricoh có thể tránh phí cấp phép mà họ phải trả cho MOS Technology.
Cận cảnh chip CPU Ricoh RP2A03/RP2A07, bộ xử lý chính dựa trên MOS Technology 6502, trung tâm điều khiển logic của Nintendo NES
Điều làm nên sự độc đáo của CPU NES là nó không chỉ là một bộ xử lý – nó còn chứa cả bộ xử lý âm thanh (APU). Bộ xử lý đồng thời 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.
Chip WRAM 2KB (BR6216C-10LL) trên bo mạch NES, nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời cần thiết cho hoạt động của game
RAM làm việc (WRAM) 2KB được dán nhãn BR6216C-10LL được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thể thay đổi – thông tin có thể được thay đổi hoặc sửa đổi sau khi được tạo. Mặc dù bị giới hạn, việc lập trình thông minh đã 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 theo thời gian thực.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã game, xử lý đầu vào và chỉ dẫn các thành phần khác phải làm gì. 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 trò chơi.
Các Thành Phần Liên Quan Đến PPU: Kiến Tạo Thế Giới Hình Ảnh Của NES
Đồ họa của NES được xử lý bởi Đơn vị Xử lý Hình ảnh (PPU), một chip Ricoh tùy chỉnh được dán nhãn RP2C02H-O. Trong khi CPU thực thi logic của trò chơi, 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 sprite, về cơ bản là các đối tượng di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Cận cảnh chip PPU Ricoh RP2C02H-O, đơn vị xử lý hình ảnh chuyên biệt chịu trách nhiệm tạo ra đồ họa 8-bit đặc trưng của NES
Không giống như các GPU hiện đại, PPU không thể lập trình trực tiếp. Thay vào đó, CPU điều khiển nó thông qua các thanh ghi I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O registers), đóng vai trò 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 NES, lưu trữ dữ liệu đồ họa như name tables và attribute tables 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 việc 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 bất chấp phần cứng hạn chế của NES.
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” (phản chiếu) để tái sử dụng các phần của màn hình khi cuộn ngang hoặc dọc. Các nhà phát triển có thể kiểm soát việc phản chiếu này bằng cách sử dụng các thanh ghi ánh xạ bộ nhớ, đảm bảo trải nghiệm chơi game mượt mà ngay cả với phần cứng hạn chế.
Tóm lại, nhóm PPU hoạt động tương tự như nhóm CPU nhưng được dành hoàn toàn cho đồ họa. Trong khi CPU xử lý logic của trò chơi, PPU xử lý mọi thứ liên quan đến hình ảnh – vẽ nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng cách sử dụng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Các Thành Phần Liên Quan Đến Cartridge: Mở Rộng Giới Hạn Của NES
Trong khi PPU và CPU hình thành nên phần cốt lõi của NES, các cartridge đã thêm vào sự “phép thuật” khiến mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Cartridge 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 một cổng kết nối 72 chân.
Cận cảnh bộ kết nối 72 chân (72-pin connector) của Nintendo NES, giao diện chính giữa console và các thành phần trên cartridge
Mỗi cartridge đều chứa một chip ROM chương trình (PRG-ROM), lưu trữ mã của trò chơi, và một ROM ký tự (CHR-ROM) hoặc RAM ký tự (CHR-RAM), lưu trữ dữ liệu ô (tile data) cho đồ họa. Đối với các trò chơi có CHR-ROM, đồ họa được tải sẵn vào cartridge, trong khi các trò chơi có CHR-RAM cho phép CPU sửa đổi đồ họa một cách linh hoạt trong quá trình chơi game.
Một số cartridge bao gồm RAM đa năng bổ sung (lên đến 8KB) để mở rộng bộ nhớ của NES và lưu trữ dữ liệu game. Các cartridge này thường có pin CR2032 được hàn vào PCB, được sử dụng 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.
Bảng mạch in (PCB) bên trong một cartridge game NES, cho thấy các chip PRG-ROM, CHR-ROM/RAM và chip MMC, minh chứng cho khả năng mở rộng của cartridge
Một trong những tính năng sáng tạo nhất của NES là khả năng tích hợp Bộ Điều Khiển Quản Lý Bộ Nhớ (MMC) vào các cartridge. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt quá giới hạn bộ nhớ địa chỉ 64KB của console bằng cách kích hoạt bank switching (chuyển đổi ngân hàng). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ vào và ra khỏi phạm vi truy cập của CPU, các nhà phát triển có thể tích hợp các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn vào một cartridge duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn màn hình mượt mà và bảng màu mở rộng.
Một số cartridge tiên tiến 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, cartridge 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 phần cứng bổ sung trực tiếp vào cartridge, các nhà phát triển có thể vượt qua các giới hạn của console và đẩy ranh giới của những gì có thể làm được vào thời điểm đó.
Cơ Chế Giao Tiếp: Hệ Thống Bus Mạnh Mẽ Của NES
Mặt dưới của bo mạch chủ Nintendo NES Mk1, hiển thị các đường mạch phức tạp của hệ thống bus dữ liệu và bus địa chỉ
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống bus dữ liệu và bus địa chỉ được phối hợp tốt. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều chỉnh luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và cartridge game.
- Bus dữ liệu: Bus song song 8-bit này mang thông tin thực tế, như hướng dẫn trò chơi hoặc dữ liệu đồ họa, giữa các thành phần.
- Bus địa chỉ: Bus 16-bit này xác định vị trí dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù trong WRAM, VRAM hay cartridge.
Mỗi thành phần có một tín hiệu chọn chip (chip-select signal), được điều khiển bởi một chip logic rời rạc được dán nhãn 74LS139, đảm bảo rằng chỉ thành phần chính xác phản hồi khi dữ liệu được truy cập. Ví dụ, khi CPU cần cập nhật vị trí của Mario, bus địa chỉ xác định vị trí bộ nhớ chính xác trong WRAM, trong khi bus dữ liệu gửi các tọa độ mới.
Để duy trì hiệu quả, NES đã 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. Cài đặt này cho phép CPU tương tác liền mạch với tất cả phần cứng, coi PPU, APU và cartridge 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 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 là điều phối viên trung tâm, đảm bảo rằng logic trò chơi, đồ họa và dữ liệu âm thanh đều đến đúng nơi vào đúng thời điểm.
Kiệt Tác Kiến Trúc Module: Di Sản Của NES Trong Lịch Sử Gaming
“Giải Mã Ngược” Quá Khứ: Hiểu Sâu Hơn Về NES
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó, và nó đã mang lại những thành quả xứng đáng. Bằng cách ủy thác một số phần cứng của console cho cartridge, 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 tồn tại trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn của những gì có thể làm được trong thiết kế trò chơi.
Máy chơi game Nintendo NES cùng khẩu súng ánh sáng Zapper huyền thoại, biểu tượng của một kỷ nguyên gaming kinh điển
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 dễ tiếp cận đó là một phần của điều khiến máy tính retro (retro computing) 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 tái tạo phần cứng bằng các dự án như OpenTendo.
Vì Sao Cảm Giác “Đơn Giản” Này Ngày Càng Xa Vời Trong Công Nghệ Hiện Đại?
Thật không may, với máy tính hiện đại, loại hiểu biết sâu sắc, thực hành đó dường như gần như không thể đạt được. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ transistor và phần mềm dựa trên 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 mẽ nhất chúng ta sở hữu có lẽ nằm trong túi của mình. Liệu ai đó, vài thập kỷ sau, có “giải mã ngược” công nghệ ngày nay theo cùng một cách không? Hay kỷ nguyên thực sự biết cách một thứ hoạt động, xuống đến từng mạch cuối cùng, đã qua đi?
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 làm việc trên các dự án của riêng bạn ngày nay. Nếu bạn đã đọc đến đây, rất có thể bạn cũng chia sẻ sự tò mò giống như đã truyền cảm hứng cho rất nhiều người thử nghiệm với NES ngày xưa. Vậy thì đây có thể là dấu hiệu để bạn cuối cùng cũng bắt đầu một dự án Arduino, tự xây dựng một chiếc máy tính để bàn của riêng mình, hoặc biến chiếc laptop cũ đó thành một NAS. Sau cùng, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự tay khám phá nó.
Kiến trúc độc đáo, đặc biệt là triết lý thiết kế module và việc tận dụng tối đa băng game, đã giúp Nintendo NES không chỉ phục hồi thị trường game Mỹ mà còn định hình một kỷ nguyên giải trí số. Với sự cân bằng hoàn hảo giữa sức mạnh và tính linh hoạt, NES đã chứng minh rằng sự đổi mới không nhất thiết phải đến từ phần cứng đắt tiền, mà từ cách các thành phần hoạt động thông minh cùng nhau. Những bài học từ thiết kế của NES vẫn còn nguyên giá trị, khuyến khích chúng ta tìm hiểu sâu hơn về công nghệ, dù là cổ điển hay hiện đại. Hãy cùng chia sẻ những khám phá công nghệ của bạn và theo dõi dancongnghe.net để không bỏ lỡ những bài viết chuyên sâu khác nhé!
