Điểm khác biệt giữa bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển là gì?

Bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển là những chip máy tính trung tâm có khả năng cung cấp thông tin cho máy tính cá nhân và các thiết bị điện tử. Chúng được cấu tạo từ các mạch tích hợp bán dẫn và có chung một số linh kiện bên trong. 

Mạch tích hợp

Cả bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển đều là những linh kiện bán dẫn được thiết kế trên một mạch tích hợp. Mạch tích hợp là một loại chip hình vuông hoặc hình chữ nhật rất nhỏ, chứa hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu linh kiện điện tử. Mạch tích hợp cho phép các kỹ sư thu nhỏ kích thước của mạch điện tử.

CPU

Cả bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển đều có CPU. CPU là bộ phận trung tâm của chip máy tính, có chức năng xử lý chỉ dẫn do các ứng dụng hoặc firmware cung cấp. CPU cũng có một mô-đun đơn vị logic số học (ALU) chuyên biệt. Một ALU tính toán các giá trị toán học và đánh giá các vấn đề logic dựa trên chỉ dẫn của máy tính. 

Thanh ghi

Thanh ghi là các mô-đun bộ nhớ mà CPU sử dụng cho hoạt động xử lý. CPU lưu trữ tạm thời các chỉ dẫn hoặc dữ liệu nhị phân trước, trong và sau khi chúng được xử lý. Cả bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển đều được cấu tạo với các thanh ghi tích hợp sẵn bên trong, tuy nhiên bộ vi điều khiển thường có nhiều thanh ghi hơn bộ vi xử lý.

Bộ vi xử lý hỗ trợ các hoạt động điện toán linh hoạt trong những máy tính cá nhân và máy chủ doanh nghiệp. Trong khi đó, bộ vi điều khiển cho phép các hệ thống nhúng phân tích và phản hồi thông tin đầu vào theo thời gian thực.

Khi phát triển hệ thống với bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, các kỹ sư sẽ chú ý đến những điểm khác biệt này.

Tốc độ xung nhịp

Bộ vi xử lý cung cấp khả năng điện toán tốc độ cao và mạnh mẽ cho hàng loạt các ứng dụng khác nhau. Một bộ xử lý máy tính hiện đại hoạt động với tần số trong khoảng gigahertz (GHz). Điều này cho phép hệ thống máy tính thực hiện các phép toán phức tạp và nhanh chóng đưa ra kết quả. 

Mặc dù tốc độ của bộ vi điều khiển đã tăng lên dần qua nhiều thập kỷ, tốc độ này vẫn thua xa tốc độ xử lý của bộ vi xử lý. Tùy thuộc vào mục đích, tốc độ xung nhịp của bộ vi điều khiển dao động từ kilohertz (kHz) đến hàng trăm megahertz (MHz). Mặc dù có khoảng tốc độ thấp hơn, một bộ vi điều khiển có thể hoạt động tối ưu trong phạm vi ứng dụng chuyên dụng của mình.

Kích thước mạch

Một bộ vi xử lý không thể tự hoạt động. Linh kiện này phụ thuộc vào các bộ phận bên ngoài, chẳng hạn như chip giao tiếp, cổng I/O, RAM và ROM, để tạo thành một hệ thống điện toán hoàn chỉnh. Do đó, một mạch dựa trên bộ vi xử lý sẽ bao gồm bus địa chỉ và bus dữ liệu kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi và chip bộ nhớ. Ngay cả với những tiến bộ trong công nghệ bảng mạch in (PCB), một hệ thống vi xử lý vẫn sẽ đòi hỏi không gian đáng kể.

Tuy nhiên, bộ vi điều khiển mang đến một thiết kế tiết kiệm không gian do có mạch đơn giản hơn. Phần lớn các linh kiện bổ sung mà một hệ thống dựa trên bộ vi xử lý cần đều nằm sẵn trên cùng con chip đó. Thay vì dùng những linh kiện riêng lẻ, các kỹ sư sử dụng một bộ vi điều khiển duy nhất khi thiết kế các thiết bị điện tử. Điều này giúp tiết kiệm không gian hơn trên bảng mạch điện tử, cho phép các kỹ sư tạo ra những hệ thống nhỏ gọn. 

Mức tiêu thụ điện năng

Bộ vi xử lý thường chạy với tốc độ cao hơn bộ vi điều khiển và tiêu thụ nhiều điện năng hơn, vậy nên chúng cần có nguồn điện bên ngoài. Tương tự, một hệ thống điện toán dựa trên đơn vị vi xử lý sẽ có tổng mức tiêu thụ điện năng cao hơn do có số lượng lớn các linh kiện bổ sung. 

Trong khi đó, bộ vi điều khiển được thiết kế để hoạt động hiệu quả với mức điện năng tối thiểu. Hơn nữa, phần lớn các bộ vi điều khiển đều sở hữu những tính năng tiết kiệm năng lượng mà bộ vi xử lý không có.

Ví dụ: một bộ vi điều khiển có thể kích hoạt chế độ tiết kiệm năng lượng và hạn chế mức điện năng tiêu thụ khi không xử lý dữ liệu. Bộ vi điều khiển cũng có thể tắt các thiết bị ngoại vi bên trong không sử dụng để tiết kiệm năng lượng. Điều này khiến bộ vi điều khiển trở thành một giải pháp lý tưởng để xây dựng một ứng dụng chuyên dụng, công suất thấp, hoạt động dựa trên năng lượng tích trữ.

Hệ điều hành

Trong các ứng dụng thực tế, bộ vi xử lý cần có một hệ điều hành để cung cấp các chức năng thích hợp. Nếu không có hệ điều hành, người dùng sẽ phải chỉ thị cho bộ vi xử lý bằng hợp ngữ hoặc ngôn ngữ nhị phân.

Trong khi đó, bộ vi điều khiển không cần có hệ điều hành để hoạt động. Tuy nhiên, có tồn tại một số hệ điều hành cụ thể giúp bộ vi điều khiển tầm trung và cao hoạt động hiệu quả hơn. 

Khả năng kết nối

Bộ vi xử lý vận hành nhiều công nghệ giao tiếp đa dạng hơn bộ vi điều khiển. Ví dụ: một bộ vi xử lý xử lý dữ liệu USB 3.0 hoặc Gigabit Ethernet tốc độ cao mà không cần đến bộ xử lý thứ cấp.

Tuy nhiên, phần lớn các bộ vi điều khiển đều cần một bộ xử lý chuyên dụng để kết nối dữ liệu tốc độ cao. 

Chi phí

Một mạch tích hợp bộ vi xử lý chỉ bao gồm CPU, đơn vị logic số học (ALU) và thanh ghi, giúp giảm chi phí sản xuất cho mỗi đơn vị. Trong khi đó, một bộ vi điều khiển đơn lẻ có kiến trúc bên trong phức tạp hơn và thường có giá thành đắt hơn một bộ vi xử lý.

Tuy nhiên, chi phí của một hệ thống dựa trên bộ vi xử lý lại đắt hơn do yêu cầu các linh kiện bổ sung. Ngược lại, một bộ vi điều khiển có khả năng tự thân hoạt động cho ứng dụng đã chọn.

Bộ vi điều khiển cần ít linh kiện bổ sung hơn, do đó các hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển có giá thành rẻ hơn. Ví dụ: một bảng mạch sử dụng bộ vi điều khiển trong máy điều hòa không khí sẽ có giá thành thấp hơn so với một bo mạch chủ máy tính sử dụng bộ vi xử lý. 

	Bộ vi xử lý	Bộ vi điều khiển
Bộ nhớ	Yêu cầu bộ nhớ bên ngoài và kho lưu trữ dữ liệu.	Mô-đun bộ nhớ trên chip (ROM, RAM).
Thiết bị ngoại vi	Cần có bộ phận bổ sung. Kết nối với bus bên ngoài.	Thiết bị ngoại vi trên chip (bộ hẹn giờ, cổng I/O, bộ chuyển đổi tín hiệu).
Công suất điện toán	Có khả năng thực hiện các tác vụ điện toán phức tạp.	Giới hạn chỉ logic ứng dụng cụ thể.
Tốc độ xung nhịp	Rất nhanh. Dải GHz.	Nhanh nhưng chậm hơn bộ vi xử lý. Trong dải kHz đến MHz.
Mức tiêu thụ điện năng	Mức tiêu thụ điện năng cao. Không có chế độ tiết kiệm điện năng.	Tiêu thụ điện năng ở mức tối thiểu. Các chế độ tiết kiệm điện năng tích hợp sẵn.
Hệ điều hành	Cần có hệ điều hành.	Không bắt buộc phải có hệ điều hành đối với một số bộ vi điều khiển.
Khả năng kết nối	Xử lý truyền dữ liệu tốc độ cao. Hỗ trợ kết nối USB 3.0 và Gigabit Ethernet.	Hỗ trợ giao tiếp tốc độ thấp đến trung bình. Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) và I²C. Bộ truyền nhận không đồng bộ phổ quát (UART).
Chi phí	Chi phí đắt đỏ do các thành phần bổ sung.	Chi phí rẻ hơn nhờ một mạch tích hợp duy nhất có khả năng cung cấp nhiều chức năng.
Trường hợp sử dụng	Dành cho điện toán thông thường hoặc các hệ thống đòi hỏi công suất điện toán mạnh mẽ.	Dành cho các hệ thống nhỏ gọn, hệ thống chạy bằng pin hoặc các thiết bị xử lý logic.