Bộ vi điều khiển là một chip mạch tích hợp tích hợp lõi bộ vi xử lý, bộ nhớ, thiết bị đầu vào/đầu ra và đồng hồ cùng với các chức năng khác. Nó sở hữu khả năng tính toán và điều khiển mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau, chẳng hạn như thiết bị gia dụng, điện tử ô tô, thiết bị liên lạc và tự động hóa công nghiệp.
Cấu trúc cơ bản của một bộ vi điều khiển bao gồm các thành phần chính sau:
1. Lõi vi xử lý (CPU): Lõi của bộ vi điều khiển là bộ vi xử lý, chịu trách nhiệm thực hiện các lệnh, thực hiện tính toán, kiểm soát luồng dữ liệu và quản lý các thiết bị ngoại vi. Các lõi vi điều khiển phổ biến bao gồm các biến thể 8{6}}bit, 16 bit và 32 bit, chẳng hạn như dòng Intel 8051 và dòng ARM Cortex-M.
2. Bộ nhớ: Bộ vi điều khiển chứa nhiều loại bộ nhớ khác nhau dùng để lưu trữ các lệnh chương trình, dữ liệu và các biến. Chúng chủ yếu bao gồm bộ nhớ chương trình (ROM, Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM) và bộ nhớ không thay đổi (EEPROM). Bộ nhớ chương trình được sử dụng để lưu trữ mã chương trình và dữ liệu không đổi, trong khi bộ nhớ dữ liệu được sử dụng để lưu trữ các biến và dữ liệu trong quá trình thực hiện chương trình.
3. Thiết bị đầu vào/đầu ra (I/O): Bộ vi điều khiển tương tác với môi trường bên ngoài thông qua các thiết bị đầu vào và đầu ra. Các thiết bị đầu vào phổ biến bao gồm nút bấm, công tắc và cảm biến, trong khi các thiết bị đầu ra bao gồm đèn LED, còi và màn hình tinh thể lỏng (LCD). Bộ vi điều khiển thường có nhiều chân-đầu vào/đầu ra (GPIO) có mục đích chung có thể được lập trình để hoạt động như đầu vào hoặc đầu ra.
4. Mạch đồng hồ: Một bộ vi điều khiển cần có tín hiệu đồng hồ ổn định để đồng bộ hóa các hoạt động bên trong của nó. Mạch xung nhịp cung cấp tín hiệu xung nhịp dùng để điều khiển tốc độ hoạt động và chu kỳ xung nhịp của lõi vi xử lý. Các mạch đồng hồ thông thường bao gồm bộ dao động tinh thể và bộ cộng hưởng gốm.
5. Ngắt bên ngoài: Bộ vi điều khiển có thể nhận tín hiệu bên ngoài, chẳng hạn như tín hiệu từ các nút hoặc cảm biến, thông qua bộ kích hoạt ngắt bên ngoài. Khi một ngắt bên ngoài được kích hoạt, bộ vi điều khiển có thể tạm dừng tác vụ hiện tại của nó, thực hiện quy trình dịch vụ ngắt và xử lý sự kiện bên ngoài.
6. Giao diện truyền thông nối tiếp: Bộ vi điều khiển thường có giao diện truyền thông nối tiếp để trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác. Các giao diện giao tiếp nối tiếp phổ biến bao gồm UART (Bộ thu không đồng bộ đa năng-), SPI (Giao diện ngoại vi nối tiếp) và I2C (Mạch tích hợp liên-).
7. Định thời gian và Điều khiển: Một bộ vi điều khiển yêu cầu mạch điều khiển và định thời gian để tạo ra các tín hiệu điều khiển khác nhau dùng để phối hợp hoạt động của các thành phần khác nhau của nó. Mạch định thời và điều khiển bao gồm bộ tạo thời gian và mạch logic định thời.
Phần trên mô tả cấu trúc cơ bản của một bộ vi điều khiển. Mặc dù có thể có sự khác biệt nhỏ giữa các mẫu mã và nhãn hiệu khác nhau nhưng cấu trúc tổng thể phần lớn vẫn giống nhau. Khả năng mạnh mẽ và tính linh hoạt của bộ vi điều khiển khiến chúng trở thành thành phần cốt lõi không thể thiếu trong thiết kế hệ thống nhúng.