Bài 24. Khái quát về vi điều khiển

Vi điều khiển (Microcontroller — MCU) là một máy tính thu nhỏ được tích hợp trên một chip duy nhất, bao gồm bộ xử lý, bộ nhớ và các khối ngoại vi.

Đặc điểm:

• Tích hợp nhiều thành phần trên một chip (SoC — System on Chip)
• Tiêu thụ năng lượng thấp
• Giá thành rẻ
• Kích thước nhỏ gọn
• Phù hợp cho các ứng dụng nhúng

Ví dụ về vi điều khiển phổ biến: Arduino (ATmega328), ESP32, STM32, PIC, 8051.

Các khối chức năng chính:

• CPU (Central Processing Unit): Khối xử lý trung tâm, thực thi chương trình
• RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ tạm thời, lưu dữ liệu trong khi chạy
• ROM/Flash: Bộ nhớ chứa chương trình và dữ liệu cố định
• Cổng I/O (Input/Output): Giao tiếp với các thiết bị bên ngoài
• Các khối ngoại vi: Timer, ADC, PWM, UART, SPI, I²C...

Sơ đồ khối: CPU là trung tâm, kết nối với RAM, ROM qua bus dữ liệu và bus địa chỉ; các khối ngoại vi kết nối qua bus ngoại vi.

CPU (Central Processing Unit):

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Thực hiện tính toán số học và logic
• CU (Control Unit): Điều khiển và giải mã lệnh
• Thanh ghi (Register): Lưu dữ liệu tạm thời trong CPU
• Bộ đếm chương trình (PC): Chỉ đến lệnh tiếp theo

Bộ nhớ:

• ROM (Read Only Memory): Lưu chương trình cố định (bootloader, firmware)
• RAM (Random Access Memory): Lưu biến, stack, dữ liệu tạm thời — mất khi mất nguồn
• EEPROM/Flash: Lưu dữ liệu không mất khi mất nguồn, có thể ghi/xóa

Các khối ngoại vi phổ biến trong vi điều khiển:

• GPIO (General Purpose I/O): Các chân vào/ra đa năng, có thể đọc hoặc xuất tín hiệu số
• ADC (Analog-to-Digital Converter): Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
• Timer/Counter: Đếm thời gian và sự kiện
• PWM (Pulse Width Modulation): Tạo xung điều chế độ rộng để điều khiển tốc độ, độ sáng
• UART/USART: Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ
• SPI, I²C: Giao tiếp nối tiếp đồng bộ với cảm biến, màn hình, bộ nhớ ngoài

Vi xử lý (Microprocessor — MPU):

• Chỉ có CPU trên chip
• Cần thêm RAM, ROM, ngoại vi bên ngoài
• Công suất tính toán cao
• Phù hợp máy tính, server, laptop
• Ví dụ: Intel Core i5, AMD Ryzen

Vi điều khiển (Microcontroller — MCU):

• Tích hợp CPU + RAM + ROM + ngoại vi trên một chip
• Tiêu thụ điện thấp
• Giá thành thấp
• Phù hợp hệ thống nhúng, IoT, tự động hóa
• Ví dụ: ATmega328, STM32, ESP32

Các ứng dụng thực tế:

• Thiết bị gia dụng thông minh: Máy giặt, lò vi sóng, tủ lạnh, điều hòa
• Ô tô: ECU (Engine Control Unit), ABS, túi khí, điều khiển cửa
• IoT (Internet of Things): Cảm biến thông minh, nhà thông minh, đo đạc từ xa
• Robot và drone: Điều khiển động cơ, đọc cảm biến, xử lý ảnh
• Y tế: Máy đo huyết áp, máy đo đường huyết, máy tạo nhịp tim
• Giáo dục và Maker: Arduino, Micro:bit, Raspberry Pi Pico