Công nghệ vi điều khiển (MCU) đã phát triển rất xa kể từ khi ra đời vào những năm 1970. Trong những năm gần đây, một số xu hướng trên thị trường vi điều khiển đã ảnh hưởng đến thiết kế và chức năng của các thiết bị này. Ngày nay, vi điều khiển – cơ bản là máy tính được gói gọn trong một mạch tích hợp có thể được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể – là trái tim của một loạt các thiết bị điện tử, từ đồ gia dụng, ô tô đến hệ thống kiểm soát công nghiệp và thiết bị y tế. Trước khi tìm hiểu về xu hướng thị trường hiện nay của MCU, hãy cùng xem qua vi điều khiển nghĩa là gì.

Định nghĩa

Bộ vi điều khiển (thường được gọi tắt là MCU hoặc MC) là những máy vi tính cực nhỏ hoàn toàn độc lập trên một con chip.

Bạn có thể định nghĩa một bộ vi điều khiển là một máy tính được đơn giản hóa - loại máy tính được thiết kế để chạy lặp lại một chương trình cơ bản duy nhất. Theo định nghĩa, các bộ vi điều khiển thường nhằm thực hiện một tác vụ tự động duy nhất, như được lập trình trước bởi người dùng, trong một thiết bị. Chúng được thiết kế để thực hiện một công việc này lặp đi lặp lại (trên một vòng lặp định thời gian).

Đây được gọi là ứng dụng nhúng, trái ngược với những ứng dụng có mục đích chung, linh hoạt hơn và được xử lý bởi bộ vi xử lý và CPU đầy đủ.

Các bộ vi điều khiển có chứa một bộ vi xử lý như một trong những thành phần chính của chúng, nhưng nó thường là một dạng CPU đa  và phức tạp hơn nhiều so với hầu hết các MP độc lập. Điều này là do đơn vị vi điều khiển thường bị giới hạn trong việc chỉ thực hiện một công việc rất cụ thể. Nghĩa là nó không cần đầy đủ các chức năng mà một bộ vi xử lý phù hợp cung cấp.

Để đạt được điều này, những điều cơ bản của một bộ vi điều khiển quy định rằng nó thường hoạt động cùng với các loại linh kiện và mạch điện tử khác, được kết nối thông qua bảng mạch in (PCB). Sự kết hợp giữa bộ vi điều khiển và thiết bị dựa trên PCB này có thể được sử dụng để đóng vai trò chính trong việc kiểm soát, giám sát và tác động đến các loại hệ thống và hoạt động của thành phần khác nhau.

Khác biệt giữa MCU và CPU

Chúng ta thường bị nhầm giữa vi điều khiển và vi xử lý. Vậy rốt cuộc chúng giống và khác nhau gì

Điểm giống nhau

Vi điều khiển và vi xử lý đều xử lý thông tin điều khiển sự hoạt động của máy tính hoặc mạch điện.

Chúng có kịch thước và hình dáng khá giống nhau.

Vì vậy nên sẽ rất dễ nhầm lẫn 2 khái niệm này với nhau. Vậy chúng khác nhau như thế nào?

Điểm khác biệt

Nếu ví vi điều khiển như một con người thì vi xử lý chính là bộ não.

• Vi điều khiển có thể hoạt động độc lập, tương tác với thế giới bên ngoài bằng các ngoại vi như ADC, các chân IO, các chuẩn giao tiếp I2C, SPI,…. Còn vi xử lý chỉ có thể tiếp nhận thông tin, phân tích và điều khiển qua các bus dữ liệu.
• Vi điều khiển là sự tích hợp của vi xử lý và nhiều các thành phần khác nhau nữa như bộ nhớ, ngoại vi, bộ định thời,… Đối với vi xử lý, để hoạt động được chúng cần có các bộ nhớ ngoài như RAM, ổ cứng,…. các bộ định thời như RTC…
• Lập trình vi điều khiển thường được sử dụng để làm các thiết bị tự động, còn lập trình vi xử lý thường để làm các hệ điều hành dùng trong máy tính hoặc các sản phẩm tương tự máy tính. Tuy vậy vi xử lý cũng có thể sử dụng trong các thiết bị như máy tính nhúng, có thể kể đến như Ras PI, Jetson…
• Vi xử lý sẽ quan trọng phần hiệu năng làm việc, vi xử lý càng có hiệu năng tốt thì càng mạnh mẽ, còn vi điều khiển sẽ quan trọng phần tối ưu giữa công xuất và hiệu năng, bởi các ứng dụng nhúng đôi khi không cần tốc độ làm việc quá cao mà sẽ quan tâm tới việc tiết kiệm năng lượng và ổn định.

Quy mô thị trường

Quy mô thị trường vi điều khiển toàn cầu được định giá 18,5 tỷ USD vào năm 2021 và dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng hàng năm hợp nhất (CAGR) là 9,8% từ năm 2022 đến 2030, theo Grand View Research. Toàn cầu, hơn 29 tỷ đơn vị vi điều khiển đã được vận chuyển trong năm 2021. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về một số xu hướng hàng đầu trong công nghệ vi điều khiển đang hình thành cách những thiết bị này được thiết kế và sử dụng.

Một xu hướng đã nhận được nhiều sự chú ý là việc sử dụng ngày càng tăng các vi điều khiển tiêu thụ điện năng thấp cho ứng dụng IoT, nhà thông minh, tòa nhà thông minh và thiết bị đeo. Các vi điều khiển này được thiết kế để tiêu thụ rất ít năng lượng, làm cho chúng lý tưởng cho việc sử dụng trong các thiết bị di động và các thiết bị khác cần hoạt động trong thời gian dài mà không cần nguồn điện.

Vi điều khiển là một thành phần thiết yếu của thiết bị IoT và nhà thông minh, cung cấp sức mạnh xử lý và khả năng kết nối cần thiết để thu thập, phân tích và truyền dữ liệu. Một phát triển liên quan đến MCUs cho ứng dụng IoT và nhà thông minh là việc sử dụng ngày càng tăng các lựa chọn kết nối không dây, bao gồm Bluetooth, Wi-Fi và Zigbee. Các công nghệ không dây này làm cho việc tích hợp MCUs vào sản phẩm trở nên dễ dàng hơn.

Các dòng phổ biến

1. 8051 – Dòng vi điều khiển cổ điển, nền tảng học lập trình vững chắc

Dòng 8051 là một trong những dòng vi điều khiển có tuổi đời lâu nhất, được phát triển từ những năm 1980 nhưng đến nay vẫn được giảng dạy rộng rãi trong các trường kỹ thuật điện – điện tử. Thiết kế đơn giản, dễ hiểu giúp người học nhanh chóng tiếp cận với khái niệm thanh ghi, giao tiếp I/O, ngắt và timer.

Ưu điểm:

• Cấu trúc đơn giản, dễ lập trình bằng Assembly hoặc ngôn ngữ C.
• Rất nhiều tài liệu học tập, ví dụ, đồ án mẫu sẵn có.
• Giá thành rẻ, dễ mua tại thị trường Việt Nam.

Nhược điểm:

• Bộ nhớ và tốc độ xử lý hạn chế.
• Thiếu các chức năng hiện đại như DMA, USB, hoặc xử lý tín hiệu số.

Ứng dụng phù hợp:

• Dự án sinh viên, mô hình học tập, hệ thống điều khiển đơn giản như bật/tắt LED, mô phỏng cảm biến, đếm sản phẩm.

2. AVR – Dòng vi điều khiển phổ biến trong Arduino

AVR, đặc biệt là dòng ATmega như ATmega328P, là lựa chọn quen thuộc trong cộng đồng Arduino và DIY. Với việc được hỗ trợ bởi Arduino IDE, các thư viện lập trình phong phú và hàng ngàn dự án mẫu, AVR là điểm khởi đầu lý tưởng cho người mới làm quen với lập trình nhúng.

Ưu điểm:

• Hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng Arduino toàn cầu.
• Giao diện lập trình thân thiện, thư viện đơn giản.
• Nhiều module tích hợp: UART, SPI, PWM, ADC.

Nhược điểm:

• Hiệu năng xử lý không cao so với các dòng ARM Cortex-M.
• Bộ nhớ RAM và Flash giới hạn cho các ứng dụng lớn.

Ứng dụng phù hợp:

• Robot mini, cảm biến môi trường, điều khiển thiết bị từ xa, sản phẩm IoT đơn giản.

3. PIC – Lựa chọn linh hoạt và bền bỉ cho công nghiệp

PIC là dòng vi điều khiển được phát triển bởi Microchip, có lịch sử phát triển lâu đời và phổ biến trong nhiều ứng dụng thực tế. Dòng này rất mạnh về độ ổn định, khả năng tích hợp nhiều ngoại vi và có dải sản phẩm từ 8-bit đến 32-bit.

Ưu điểm:

• Có sẵn nhiều loại chip phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
• Có thể hoạt động ổn định trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt.
• Công cụ hỗ trợ lập trình chuyên sâu như MPLAB X IDE, bộ lập trình PICkit.

Nhược điểm:

• Hệ sinh thái và IDE không thân thiện với người mới.
• Thư viện lập trình không phổ biến bằng Arduino.

Ứng dụng phù hợp:

• Tủ điện điều khiển, đồng hồ điện tử, hệ thống đo lường trong nhà máy, thiết bị y tế dân dụng.

4. ARM Cortex-M – Hiệu năng cao cho hệ thống nhúng hiện đại

ARM Cortex-M là kiến trúc vi điều khiển 32-bit được các hãng lớn như STMicroelectronics (STM32), NXP, TI sử dụng cho các sản phẩm của họ. Với khả năng xử lý nhanh, tiết kiệm năng lượng và bộ công cụ lập trình mạnh mẽ, Cortex-M là lựa chọn số một cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và hiệu suất cao.

Ưu điểm:

• Tốc độ xử lý cao (từ 48MHz đến hàng trăm MHz).
• Hỗ trợ nhiều giao thức như USB, CAN, Ethernet.
• Dễ mở rộng quy mô dự án, hỗ trợ cả RTOS.

Nhược điểm:

• IDE lập trình phức tạp hơn như STM32CubeIDE, Keil C.
• Người mới cần thời gian để làm quen với cấu trúc chip.

Ứng dụng phù hợp:

• Thiết bị đo thông minh, thiết bị IoT, robot di động, màn hình cảm ứng, thiết bị công nghiệp điều khiển thời gian thực.

‍