最近想着做一个FC的游戏机，重现一下儿时玩游戏的场景，既然游戏机都自己做了，顺便也做个手柄，做手柄之前需要先了解手柄的工作原理，本文详细解析了小霸王游戏机手柄的接口及电路原理，如何通过CD4021芯片实现数据的并行到串行转换，以及按键状态的读取。
小霸王游戏机可以说是陪伴了我们大半个童年，还记得小时候和朋友同学们一起玩小霸王游戏机时的兴奋。
原装FC手柄
小霸王游戏机的手柄接口从外形上类似我们常说的DB9母头接口，但是手柄接口引脚定义与引脚功能与DB9接口差别较大。
1、DB9接口如下：
其引脚定义为：
| 引脚序号 | 2 | 3 | 5 | 1、4、6 7、8 |
|---|---|---|---|---|
| 信号定义 | TXD | RXD | GND | 其他信号 |
小霸王游戏机的手柄接口与DB母头外形相似（我们仍使用DB9母头的引脚编号），只用到了2、3、4、6、8五个管脚，这五个管脚的定义为：
| 引脚序号 | 2 | 3 | 4 | 6 | 8 | 1、5、7、9 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 信号定义 | DATA | LATCH(LOAD) | CLOCK | ＋5V | GND | 没用到 |
| CD4021对应引脚 | 3(Q8) | 9(P/S) | 10(CLK) | 16(＋5V) | GND |
| 白 | 棕 | 蓝 | 黄 | 红 |
|---|---|---|---|---|
| DATA | CLK | LATCH(LOAD) | GND | +5V |
其手柄电路图为：
带连发功能电路图：
不带连发功能电路图：
电路中使用到的CD4021管脚图及其真值表如下：
内部逻辑图如下：
从手柄电路图可知，CD4021的9管脚（P/S，即Parallel/Serial Control）即为LOAD管脚，手柄上的10个按键使用P1~P8来输入，其中单跳（单发）和连跳（连发）的区别在于连跳（连发）使用了555定时器作为脉冲输入，产生连续动作效果。当给9管脚高电平时，即可将P1–P8的数据所存到Q1–Q8（移位寄存器，其中Q1-Q5在CD4021内部，没有通过管脚引出）中,然后给9管脚低电平，即可选择并行转串行功能，使用Q8作为串行输出接口，给10管脚时钟输入即可进行串行输出，数据在时钟上升沿进行移位发送，读取Q8的电平状态即可，按键的状态与数据对应的位相对应，有按键按下，则相应位为0，无按键按下则对应位为1（因为P1-P8默认上拉）。
时序图如下：
数据位图如下：
| D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A键 | B键 | 选择(SELECT) | 开始(START) | 上(U) | 下(D) | 左(L) | 右(R ) |
接下来就可以通过程序来接收手柄传来的数据了。
