Cốt lõi của hệ máy Nintendo Entertainment System (NES) là bộ vi xử lý biến thể tùy chỉnh của MOS Technology 6502. Tuy nhiên, điều thực sự tạo nên sự khác biệt cho NES chính là cách các thành phần của nó hoạt động cùng nhau. Không giống như các console khác cùng thời, NES áp dụng một phương pháp thiết kế mô-đun độc đáo. Các bộ phận phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc của hệ thống lại cho phép các cartridge trở thành một phần mở rộng của console, đảm nhiệm các tác vụ mà các console khác tích hợp trực tiếp vào bo mạch chủ của chúng.
Sự linh hoạt này đã mang đến cho các nhà phát triển không gian để phát hành một số trò chơi hay nhất thời bấy giờ, 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, người ta vẫn có thể chạy .NET trên phần cứng NES gốc.
Hãy cùng chiasethuthuat.com 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 phối hợp với nhau để mang đến trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng của hệ máy này.
Bên Trong NES: Ba Nhóm Thành Phần Hợp Nhất
Cartridge Đã Mở Rộng Khả Năng Của Console Như Thế Nào?
Đầu nối cartridge 72 chân của máy chơi game Nintendo NES, thể hiện khả năng mở rộng phần cứng độc đáo.
Kiến trúc 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 dành riêng cho 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 chuyển giao 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 đẩy mạnh 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 yếu tố này hoạt động cùng nhau để 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) đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm cartridge bao gồm bộ nhớ chương trình ROM (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM). Nhiều cartridge còn có thêm các thành phần bổ sung như bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (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 làm 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, ngay bên trong các cartridge. Việc tích hợp khe cắm cartridge với PPU và CPU cho phép các cartridge điều chỉnh trực tiếp các khía cạnh chính về 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 Kiến Trúc Mô-đun Của NES
Các Thành Phần Liên Quan Đến CPU: Bộ Não Của NES
Trung tâm của NES là CPU của nó, một chip Ricoh tùy chỉnh (RP2A03 cho các khu vực NTSC và RP2A07 cho các khu vực 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 phép toán thập phân mã hóa nhị phân (BCD), vốn hữu ích trong các ứng dụng như máy tính hoặc phần mềm kinh doanh nhưng phần lớn không liên quan trong trò chơi. 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 lẽ ra họ phải trả cho MOS Technology.
Chip xử lý trung tâm Ricoh RP2A03 (dựa trên MOS 6502) bên trong Nintendo NES thế hệ đầu.
Điều làm cho CPU của NES trở nên độc đáo là nó không chỉ là một bộ xử lý — nó còn chứa 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 channel) cho giai điệu, một kênh tam giác (triangle channel) cho âm trầm, một kênh nhiễu (noise channel) cho bộ gõ và một kênh DMC (Delta Modulation Channel) để phát âm thanh mẫu. APU đã mang lại cho NES âm thanh 8-bit đặc trưng của nó.
Chip WRAM 2KB (BR6216C-10LL) của Nintendo NES, dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong game.
Bộ nhớ RAM làm việc (WRAM) 2KB với 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 trong thời gian thực.
Nói một cách đơn giản, CPU là “bộ não” của NES, chạy mã trò chơi, xử lý các đầu vào và chỉ dẫn cho các thành phần khác 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: Xử Lý Hình Ảnh Của NES
Đồ họa của NES được xử lý bởi Bộ xử lý hình ảnh (PPU), một chip Ricoh tùy chỉnh có nhãn RP2C02H-O. Trong khi CPU thực hiện 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 đối tượng đồ họa (sprites), về cơ bản là các vật thể có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc các vật thể.
Chip xử lý hình ảnh Ricoh RP2C02H-O (PPU) của Nintendo NES, chuyên trách hiển thị đồ họa.
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), hoạt động như một cầu nối giữa hai thành phần. Các thanh ghi này cho phép CPU cho PPU biết nên 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 thích hợp khi anh ấy di chuyển.
Chip VRAM 2KB của Nintendo NES, lưu trữ dữ liệu đồ họa như bảng tên, bảng thuộc tính và bảng màu.
Hỗ trợ PPU là 2KB VRAM (bộ nhớ video), 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 các 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 đã sử dụng kỹ thuật “phản chiếu” (mirroring) 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 giới hạn.
Nói một cách đơn giản, 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 về hình ảnh — vẽ nền, nhân vật và hoạt ảnh trên màn hình bằng dữ liệu được lưu trữ trong VRAM.
Các Thành Phần Liên Quan Đến Cartridge: Mở Rộng Khả Năng Của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành phần cốt lõi của NES, các cartridge đã thêm sự kỳ diệu làm cho mỗi trò chơi trở nên độc đáo. Cartridge không chỉ là một thiết bị lưu trữ — nó còn là một phần mở rộng của console, giao tiếp trực tiếp với cả CPU và PPU thông qua một đầu nối 72 chân.
Cận cảnh đầu nối cartridge 72 chân trên bo mạch chủ NES, giao tiếp trực tiếp với CPU và PPU.
Mỗi cartridge đều chứa một chip Program ROM (PRG-ROM), lưu trữ mã của trò chơi, và một Character ROM (CHR-ROM) hoặc 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 lưu. Các cartridge này thường bao gồm một pin CR2032 được hàn vào PCB, được sử dụng để bảo toàn tiến trình 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 in (PCB) bên trong một cartridge Nintendo NES, chứa các chip ROM, RAM và MMC.
Một trong những tính năng cải tiến 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 có thể định địa chỉ 64KB của console bằng cách kích hoạt chuyển đổi ngân hàng bộ nhớ (bank switching). Bằng cách hoán đổi các khối bộ nhớ ra vào phạm vi có thể 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 mượt mà (smooth scrolling) và bảng màu mở rộng (expanded palettes).
Một số cartridge tiên tiến thậm chí còn đi kèm với VRAM tích hợp riêng, 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 ranh giới của 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 thoát khỏi các giới hạn của console và đẩy ranh giới của những gì có thể thực hiện được vào thời điểm đó.
Cách Mọi Thứ Giao Tiếp: Hệ Thống Bus Của NES
Mặt dưới bo mạch chủ Nintendo NES thế hệ đầu tiên, cho thấy hệ thống bus và các thành phần mạch.
Các thành phần của NES hoạt động cùng nhau thông qua một hệ thống các bus dữ liệu và bus địa chỉ được phối hợp tốt. CPU luôn được kết nối với các bus này, điều khiển luồng dữ liệu giữa WRAM, PPU, APU và cartridge trò chơi.
- 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 nơi dữ liệu cụ thể được lưu trữ, cho dù trong WRAM, VRAM hay cartridge.
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 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 chính xác vị trí bộ nhớ 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. Thiết lập 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 giống như một mạng lưới các sứ giả, mỗi sứ giả 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.
Một Kiệt Tác Mô-đun Của Lịch Sử Gaming
Đảo Ngược Kỹ Thuật Quá Khứ
Máy chơi game Nintendo NES và khẩu súng quang Zapper, biểu tượng của kỷ nguyên gaming cổ điển.
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời của nó, và nó chắc chắn đã mang lại thành quả. Bằng cách chuyển giao 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 giữ được vị trí quan trọng trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển đẩy giới hạn của những gì có thể trong thiết kế trò chơi.
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 điện toán retro 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 với các dự án như OpenTendo.
Tại Sao Ngày Nay Không Còn Cảm Giác Đơn Giản Như Vậy?
Thật không may, với điện toán hiện đại, kiểu hiểu biết sâu sắc, thực tế đó dường như gần như không thể đạt được. Với các bộ xử lý chứa hàng tỷ bóng bán dẫn và phần mềm dựa vào các lớp trừu tượng, ý tưởng tháo rời 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 thể nằm trong túi. Liệu ai đó, nhiều thập kỷ sau, có đảo ngược kỹ thuật 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 đi?
Dù bằng cách nào, 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 ngày xưa. Vì vậy, đây có thể là dấu hiệu để bạn cuối cùng cũng bắt đầu dự án Arduino đó, tự xây dựng máy tính để bàn của riêng mình, hoặc biến chiếc laptop cũ thành một thiết bị lưu trữ mạng (NAS). Rốt cuộc, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự mình trải nghiệm nó.
