Ở cốt lõi, Nintendo Entertainment System (NES) được cung cấp sức mạnh bởi một biến thể tùy chỉnh của bộ vi xử lý 6502. Tuy nhiên, điều thực sự làm nên sự khác biệt của nó là cách các thành phần hoạt động cùng nhau. Không giống như các máy console khác cùng thời, NES đã thúc đẩy một cách tiếp cận thiết kế mô-đun khác biệt. Các thành phần phần cứng của nó tương đối đơn giản, nhưng kiến trúc của nó cho phép các băng game (cartridge) trở thành một phần mở rộng của hệ thống, xử lý các tác vụ mà các máy console khác tích hợp cứng 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 sẽ duy trì vị thế quan trọng trên thị trường game trong gần một thập kỷ. Thậm chí đến nay, 40 năm sau, ai đó đã chạy được .NET trên phần cứng NES nguyên bản – một minh chứng rõ ràng cho sức mạnh của kiến trúc này.
Hãy cùng blogcongnghe.net tìm hiểu cách kiến trúc NES được thiết kế, kiểm tra các thành phần cốt lõi của nó, và khám phá cách mọi thứ phối hợp với nhau để mang lại trải nghiệm chơi game mang tính biểu tượng của máy NES.
Bảng điều khiển máy chơi game Nintendo Entertainment System
I. Tổng quan về NES: Ba nhóm cấu thành, một hệ thống thống nhất
1. Cách cartridge mở rộng khả năng của máy NES
Kiến trúc phần cứng 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 cụ thể của cartridge. Cùng nhau, các nhóm này xử lý logic, hình ảnh và các cải tiến dành riêng cho trò chơi, giao tiếp qua một hệ thống bus được phối hợp chặt chẽ. Bằng cách chuyển một số khả năng nhất định sang cartridge, Nintendo đã giữ cho máy console này có giá cả phải chăng, đồng thời trao quyền cho các nhà phát triển thúc đẩy phần cứng vượt xa hơn nữa 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 2KB (WRAM). 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 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) của nhân vật đến các ô nền (background tiles).
- Nhóm cartridge bao gồm ROM chương trình (PRG-ROM) và bộ nhớ ký tự (CHR-ROM hoặc CHR-RAM), và nhiều cartridge còn có thêm các thành phần bổ sung như bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (mappers/MMC) hoặc thậm chí cả chip VRAM 8KB riêng trên cartridge để xử lý các trò chơi phức tạp hơn.
Trong khi nhiều máy console cùng thời sử dụng cartridge chủ yếu 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, vào chính các cartridge. Sự tích hợp của khe cắm cartridge với PPU và CPU cho phép các cartridge sửa đổi trực tiếp các khía cạnh chính của đồ họa, âm thanh và bộ nhớ, mang lại cho các nhà phát triển sự linh hoạt 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.
II. Các khối xây dựng mô-đun của NES: Cái nhìn sâu hơn về thành phần cốt lõi
1. Các thành phần liên quan đến CPU: Bộ não của máy NES
Trái tim của máy NES là CPU của nó, một chip Ricoh tùy chỉnh (RP2A03 cho 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 hoạt động BCD (binary-coded decimal), 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 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.
Chip Ricoh 6502 CPU trong NES
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) 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, và đây cũng là lý do tại sao “circuit bending” (thay đổi mạch điện) của NES lại thú vị đến vậy.
Chip WRAM 2KB trong máy NES
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 thay đổi hoặc sửa đổi sau khi được tạo. Mặc dù dung lượng hạn chế, 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 trò chơi, 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 trò chơi.
2. 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 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 đối tượng (sprites), về cơ bản là các đối tượng có thể di chuyển như nhân vật, kẻ thù hoặc đạn.
Chip Ricoh PPU trong NES
Không giống như các GPU hiện đại, PPU không thể lập trình trực tiếp. Thay vào đó, CPU thao tác với 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 yêu cầu 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 đối tượng Mario theo chiều dọc trong khi vẽ lại các ô nền thích hợp khi anh ấy di chuyển.
Chip VRAM 2KB trong NES
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 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 mặc dù phần cứng của NES bị 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” (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 lối chơi mượt mà ngay cả với phần cứng hạn chế.
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.
3. Các thành phần liên quan đến Cartridge: Mở rộng khả năng của NES
Trong khi PPU và CPU tạo thành 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 máy console, giao tiếp trực tiếp với cả CPU và PPU thông qua một đầu nối 72 chân.
Đầu nối 72 chân của cartridge NES
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 đã lưu. Các cartridge này thường bao gồm một viên pin CR2032 được hàn vào PCB, được sử dụng để bảo toàn tiến độ đã lưu ngay cả khi máy console đã tắt—một tính năng được sử dụng trong các trò chơi như The Legend of Zelda.
Bo mạch chủ của cartridge NES
Một trong những tính năng cải tiến nhất của NES là khả năng bao gồm các Bộ điều khiển quản lý bộ nhớ (MMC – Memory Management Controllers) trong các cartridge. Các chip này cho phép các nhà phát triển vượt quá giới hạn bộ nhớ địa chỉ 64KB của máy console bằng cách bật chuyển đổi ngân hàng (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 đưa các trò chơi lớn hơn và phức tạp hơn vào một cartridge duy nhất. MMC cũng giới thiệu các tính năng như cuộn mượt và bảng màu mở rộng.
Một số cartridge nâng cao 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 máy console. Ví dụ, các trò chơi như Kirby’s Adventure đã sử dụng các cải tiến này để đẩy ranh giới 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 thêm phần cứng trực tiếp vào cartridge, các nhà phát triển có thể vượt qua các giới hạn của máy console và đẩy xa ranh giới những gì có thể thực hiện được vào thời điểm đó.
III. Cách mọi thứ giao tiếp: Hệ thống bus của NES
Bo mạch chủ dưới của NES
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 chặt chẽ. 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 các lệnh 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 được dán 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 giữ mọi thứ hiệu quả, NES đã sử dụng I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O), chia 64KB bộ nhớ của CPU thành các vùng được gán cho các thành phần cụ thể. Thiết lập này cho phép CPU tương tác với tất cả phần cứng một cách liền mạch, 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.
IV. Một kiệt tác mô-đun trong lịch sử chơi game
1. Kỹ thuật đảo ngược quá khứ
Thiết kế phần cứng của NES là độc đáo vào thời điểm đó, và nó chắc chắn đã mang lại hiệu quả. Bằng cách chuyển một phần phần cứng của máy console sang 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 giữ cho nó tồn tại trong gần một thập kỷ và cho phép các nhà phát triển vượt qua 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 truy cập này là một phần của những gì làm cho điện toán retro trở nên hấp dẫn—bạn có thể theo dõi mọi kết nối, xem mọi thứ phù hợp với nhau như thế nào, và thậm chí tự tạo lại phần cứng với các dự án như OpenTendo.
Hình ảnh tay cầm NES được mô phỏng cho Nintendo Switch trên nền các poster game Mario
2. Tại sao ngày nay mọi thứ không còn đơn giản như vậy?
Thật không may, với điện toán hiện đại, sự hiểu biết sâu sắc, 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 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 mẽ nhất mà chúng ta sở hữu có lẽ nằm trong túi quần. Liệu ai đó, nhiều thập kỷ sau, có đảo ngược công nghệ ngày nay theo cùng một cách không? Hay kỷ nguyên thực sự biết cách một thứ hoạt động, đến từng mạch điện cuối cùng, đã qua đi rồi?
Dù bằng cách nào, có điều gì đó thật thỏa mãn khi đào sâu vào phần cứng, cho dù đó là phân tích kiến trúc của một máy 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 vào thời đó. Vì vậy, có lẽ đây 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 thiết bị NAS. Rốt cuộc, cách tốt nhất để hiểu một hệ thống là tự tay trải nghiệm nó.