Trái tim của Super Nintendo: Bí mật đằng sau những bộ tạo xung nhịp

Khi bắt đầu nghiên cứu một hệ máy retro, điều đầu tiên tôi thường làm là tìm hiểu cách các linh kiện hoạt động cùng nhau ở cấp độ phần cứng. Mọi máy tính đều có ít nhất một "trái tim" đóng vai trò điều phối nhịp điệu cho tất cả các chip khác. Đó là tín hiệu xung nhịp (Clock), được truyền từ chân CLK output qua các đường dẫn đồng đến chân CLK input của hầu hết các linh kiện.

Nếu bạn là một người làm phần mềm thuần túy giống như tôi, có thể bạn chưa bao giờ để ý điều này, nhưng mọi loại bộ vi xử lý đều có chân CLK input. Từ các CPU như Motorola 68000, Intel Pentium, MOS 6502, đến các chip đồ họa tùy chỉnh như DMA2 của Midway, CPS-A/B của Capcom, VDP của Sega Genesis, hay các chip âm thanh như Yamaha 2151 và OKI msm6295 — tất cả đều cần một nhịp tim để hoạt động.

Bo mạch chủ của Super Nintendo

Tín hiệu CLK có thể được tạo ra bởi hai loại linh kiện chính. Một loại là dao động thạch anh (crystal oscillator), thường có hình dạng giống một viên nang dẹt. Loại còn lại gọi là dao động gốm (ceramic resonator). Đây là các tụ điện đặt thẳng đứng, trông có vẻ ít "cao công" hơn thạch anh và chúng cũng có xu hướng bị trôi tần số theo thời gian.

Với kiến thức này, hãy cùng "mổ xẻ" bên trong một chiếc Super Nintendo. Bạn có thể tìm thấy các bộ tạo CLK trên bo mạch chủ SNES không? Gợi ý: Có hai chiếc.

Ổ cắm X2 chứa vật thể màu xanh là một dao động gốm 24,576 MHz. Nó nằm ở phía bên cạnh các chip âm thanh, do đó nó đóng vai trò thiết lập nhịp điệu cho Đơn vị Xử lý Âm thanh (APU).

Ổ cắm X1 chứa vật thể màu vàng được dán nhãn D21L3. Đây là một dao động 21,300 MHz. Nó nằm gần (và thiết lập nhịp cho) CPU và Đơn vị Xử lý Hình ảnh (PPU).

Tuy nhiên, khi tra cứu hướng dẫn phát triển của Super Nintendo, chúng ta nhận thấy sự không khớp với những gì quan sát được.

Sơ đồ trong tài liệu hiển thị không phải hai mà là ba bộ dao động (có một bộ cấp tín hiệu cho chip CIC chịu trách nhiệm chống sao chép). Chúng ta đang "thiếu" một chiếc!

Hơn nữa, tần số cho CPU/PPU được tài liệu hóa là 21,47727 MHz, nhưng chúng ta lại tìm thấy một bộ dao động 21,300 MHz (đây thực chất là bo mạch chủ phiên bản PAL, phiên bản NTSC sẽ sử dụng dao động 21,500 MHz).

Nếu nhìn kỹ bo mạch chủ một lần nữa, chúng ta sẽ nhận thấy một linh kiện màu đỏ ở góc dưới bên trái, ngay cạnh bộ dao động. Vật thể màu đỏ này là một tụ biến (variable capacitor), hay còn gọi là tụ chỉnh (trimmer capacitor), có nhiệm vụ biến đổi tần số 21,500 MHz thành 21,47727 MHz chính xác.

Tại sao các nhà thiết kế lại làm cho nó có thể điều chỉnh được? Câu trả lời có khả năng cao là Nintendo lo ngại rằng bộ dao động sẽ bị hao mòn theo thời gian, và các kỹ thuật viên sẽ cần căn chỉnh lại. Họ có lẽ đã không sai, vì một lỗi phổ biến của máy SNES là mất màu, chỉ hiển thị đen trắng. Giải pháp thường là điều chỉnh tụ biến này (hoặc thay thế bộ dao động).

Dao động thạch anh

Trong máy console thực tế chỉ có hai "đồng hồ chủ" (master clock), nhưng không có bộ vi xử lý nào sử dụng trực tiếp chúng. Những xung nhịp chủ này sẽ đi vào các bộ chia tần (dividers) để tạo ra các xung nhịp mới. Ví dụ, CPU Ricoh 5A22 chạy ở tốc độ 1/6 của xung nhịp chủ, kết quả là 3,579545 MHz. May mắn thay, cộng đồng SNES (đặc biệt là nocash) đã tài liệu hóa tất cả các bộ chia này.

Tổng cộng có mười lăm xung nhịp trong Super Nintendo. Hy vọng điều này giải quyết được bí ẩn về bộ dao động "bị thiếu" trong tài liệu.

Đường dẫn SYS-CLK (21,47727 MHz) được đưa vào cổng băng game (cartridge port). Thông thường, tín hiệu này không cần thiết cho các linh kiện bên trong băng game, vốn chủ yếu là ROM chứa mã lệnh và tài nguyên game không cần tín hiệu clock. Vậy tại sao lại phải định tuyến nó đến đó?

Câu trả lời là nó cho phép các băng game nhúng các bộ vi xử lý riêng của chúng, gọi là chip tăng cường (enhancement chips). Tựa game nổi tiếng nhất sử dụng công nghệ này là StarFox với bộ vi xử lý "SuperFX" (mã tên MARIO). Phiên bản MARIO có bộ chia nội bộ giảm một nửa xung nhịp xuống 10,738635 MHz. Các phiên bản sau này như GSU-1 chạy ở tốc độ xung nhịp chủ đầy đủ 21,47727 MHz.

Có một đường dẫn CLK thứ hai được đưa vào băng game, đó là CIC-CLK (3,072 MHz) cấp cho chip CIC nằm bên trong băng game.

Tuy nhiên, SYS-CLK (21,47727 MHz) không phải lúc nào cũng phù hợp. Một số game như Megaman X2 sử dụng chip tăng cường CX4 để tạo hiệu ứng đồ họa. Nếu mở bo mạch của Megaman X2, chúng ta sẽ tìm thấy một bộ dao động 20 MHz (ổ cắm X1) cấp trực tiếp cho chân CLK của chip CX4.

Dao động gốm