マイクロコントローラ

最初のマルチチップマイクロプロセッサは、 1969年のFour-Phase Systems AL1と1970年のGarrett AiResearch MP944で、複数のMOS LSIチップを使用して開発されました。最初のシングルチップマイクロプロセッサは、1971年に単一のMOS LSIチップでリリースされたIntel 4004です。これは、 Federico Fagginが自身のシリコンゲートMOS技術を使用して、 IntelのエンジニアであるMarcian HoffとStan Mazor、およびBusicomのエンジニアである島正敏とともに開発しました。^{[ 1 ]}その後、4ビットのIntel 4040、8ビットのIntel 8008、および8ビットのIntel 8080が続きました。これらのプロセッサはすべて、メモリや周辺インターフェースチップなど、動作するシステムを実装するために複数の外部チップを必要としました。その結果、システム全体のコストは数百ドル（1970年代の米ドル）になり、小型機器を経済的にコンピュータ化することは不可能でした。

MOSテクノロジーは1975年に100ドル以下のマイクロプロセッサ、6501と6502を発表した。その主な目的はコストの壁を下げることだったが、これらのマイクロプロセッサには依然として外部サポート、メモリ、周辺チップが必要であり、システム全体のコストは数百ドルにとどまっていた。

ある書籍では、TIのエンジニアであるゲイリー・ブーンとマイケル・コックランが1971年に最初のマイクロコントローラの開発に成功したとされている。彼らの研究成果はTMS 1000であり、1974年に市販された。これは読み出し専用メモリ、読み書きメモリ、プロセッサ、クロックを1つのチップに統合したもので、組み込みシステムを対象としていた。^{[ 2 ]}

1970年代前半から中頃にかけて、日本の電子機器メーカーは自動車向けマイクロコントローラの生産を開始し、車載エンターテインメント、自動ワイパー、電子ロック、ダッシュボード用の4ビットMCUや、エンジン制御用の8ビットMCUなどが開発された。^{[ 3 ]}

シングルチップのTMS 1000の存在に部分的に対応して、^{[ 4 ]} Intelは制御アプリケーションに最適化されたチップ上のコンピュータシステムであるIntel 8048を開発し、商用部品は1977年に初めて出荷されました。^{[ 4 ]}これは、マイクロプロセッサとともにRAMとROMを同じチップに統合したものです。数多くのアプリケーションの中でも、このチップは最終的に10億台以上のPCキーボードに搭載されることになります。当時、Intelの社長であるLuke J. Valenterは、マイクロコントローラは同社史上最も成功した製品の1つであると述べ、マイクロコントローラ部門の予算を25%以上拡大しました。

EPROMを内蔵した各種PICマイクロコントローラ

MOSTEK製のピギーバックマイクロコントローラ

当時、ほとんどのマイクロコントローラには複数のバリエーションが存在した。1つはEPROMプログラムメモリを搭載しており、パッケージの蓋に透明な石英窓があり、紫外線照射によって消去できる。こうした消去可能なチップは、プロトタイプの作成によく用いられた。もう1つのバリエーションは、マスクプログラムROM、または一度しかプログラムできないPROMであった。後者の場合、 「ワンタイムプログラマブル」を意味するOTPという表記が使われることもあった。OTPマイクロコントローラでは、PROMは通常EPROMと同じタイプであったが、チップパッケージに石英窓がなかった。EPROMは紫外線照射できないため、消去できなかった。消去可能なバージョンは石英窓付きのセラミックパッケージが必要であったため、より低コストの不透明プラスチックパッケージで製造できるOTPバージョンよりも大幅に高価であった。消去可能なタイプでは、より安価なガラスではなく、紫外線に対する透明性（ガラスは紫外線に対してほとんど不透明）のために石英が必要でしたが、主なコスト差はセラミックパッケージ自体でした。ピギーバックマイクロコントローラも使用されました。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

1993年、 EEPROMメモリの導入により、マイクロコントローラ（Microchip PIC16C84から始まる）^{[ 8 ]は}、 EPROMに必要な高価なパッケージなしで電気的に迅速に消去できるようになり、ラピッドプロトタイピングとインシステムプログラミングの両方が可能になった。（EEPROM技術はこれ以前にも利用可能だったが^{[ 9 ]}、以前のEEPROMは高価で耐久性が低かったため、低コストで大量生産されるマイクロコントローラには適していなかった。）同年、AtmelはEEPROMの特殊なタイプであるフラッシュメモリを使用した最初のマイクロコントローラを発表した^{[ 10 ]} 。他の企業もすぐにこれに追随し、両方のメモリタイプを採用した。

現在ではマイクロコントローラは安価で入手しやすく、趣味で利用する人にも普及しており、特定のプロセッサを中心に大規模なオンラインコミュニティが存在する。

2002年には、世界で販売されたすべてのCPUの約55%が8ビットマイクロコントローラとマイクロプロセッサでした。 ^{[ 11 ]}

1997年には20億個以上の8ビットマイクロコントローラが販売され^{[ 12 ]}、Semicoによると2006年には40億個以上の8ビットマイクロコントローラが販売された^{[ 13 ]。}最近では、SemicoはMCU市場が2010年に36.5%、2011年に12%成長したと主張している^{[ 14 ]。}

先進国の一般的な家庭には、汎用マイクロプロセッサはわずか4個程度しか搭載されていないのに対し、マイクロコントローラは約30個も搭載されている。一般的な中級自動車には約30個のマイクロコントローラが搭載されている。また、洗濯機、電子レンジ、電話機など、多くの電気機器にもマイクロコントローラが使われている。

歴史的に、8 ビットセグメントが MCU 市場を支配してきました [..] 16 ビットマイクロコントローラは 2011 年に最大の MCU カテゴリとなり、その年に初めて 8 ビットデバイスを追い抜きました [..] IC Insights は、今後 5 年間で MCU 市場の構成が大きく変化し、32 ビットデバイスが販売とユニット数量のシェアを着実に拡大していくと考えています。2017 年までに、32 ビット MCU がマイクロコントローラ販売の 55% を占めると予想されています [..] ユニット数量に関しては、2017 年のマイクロコントローラ出荷の 38% を 32 ビット MCU が占めると予想され、16 ビットデバイスは全体の 34% を占め、4/8 ビット設計はその年の販売ユニットの 28% を占めると予測されています。組み込み処理システムにおけるより高いレベルの精度に対する需要の増加と、インターネットを使用した接続性の増加により、32 ビット MCU 市場は急速に成長すると予想されています。 […]今後数年間で、複雑な32ビットMCUが自動車の処理能力の25%以上を占めるようになると予想されています。

製造コストは1個あたり0.10米ドル未満となる可能性がある。

時間の経過とともにコストは急激に低下し、2018年には最も安価な8ビットマイクロコントローラが0.03米ドル未満で入手可能になり^{[ 16 ]}、同様の数量で一部の32ビットマイクロコントローラは1米ドル前後で入手可能になった。

2012年、世界的な危機（過去最悪の年間売上高減少と回復、平均販売価格の前年比17%下落、1980年代以来最大の減少）の後、マイクロコントローラの平均価格は0.88米ドル（4/8ビットで0.69米ドル、 16ビットで0.59米ドル、 32ビットで1.76米ドル）でした。 ^{[ 15 ]}

2012年には、8ビットマイクロコントローラの世界売上高は約40億米ドルに達し、4ビットマイクロコントローラもかなりの売上を記録した。^{[ 17 ]}

2015年には、8ビットマイクロコントローラは1,000個で0.311米ドル^{[ 18 ]} 、 16ビットは1,000個で0.385米ドル^{[ 19 ]} 、 32ビットは1,000個で0.378米ドル（ただし5,000個では0.35米ドル）で購入できた^{[ 20 ] 。}

2018年には、8ビットマイクロコントローラはUS$0.03で購入でき、^{[ 16 ]} 16ビットはUS$0.393（1,000個の場合、ただし100個の場合はUS$0.563、2,000個のフルリールの場合はUS$0.349 ）、 ^{[ 21 ]} 32ビットはUS$0.503（1,000個の場合、ただし5,000個の場合はUS$0.466）でした。^{[ 22 ]}

2018年には、2015年に低価格だった上記のマイクロコントローラはすべて、以下の通り値上がりしました（インフレ率を2018年と2015年の価格で計算）。8ビットのマイクロコントローラは1,000個で0.319米ドル、つまり2.6%値上がりしました^{[ 18 ]} 。16ビットのマイクロコントローラは1,000個で0.464米ドル、つまり21%値上がりしました^{[ 19 ]}。32ビットのマイクロコントローラは1,000個で0.503米ドル、ただし5,000個で0.466米ドル、つまり33%値上がりしました^{[ 20 ] 。}

2018年6月21日、ミシガン大学が「世界最小のコンピュータ」を発表した。このデバイスは「0.04 mm ³ 「わずか16 nWの ワイヤレスでバッテリーレスのセンサーシステムで、Cortex-M0+プロセッサと光通信を統合し、セルラー温度測定に使用されます。」1辺が0.3  mmで、米粒よりも小さい。[...] RAMと太陽光発電に加えて、新しいコンピューティング デバイスにはプロセッサと無線送信機と受信機があります。従来の無線アンテナを持つには小さすぎるため、可視光でデータを受信および送信します。基地局は、電力とプログラミングのために光を供給し、データを受信します。」^{[ 23 ]}このデバイスは、 2018 年3 月に IBM が以前に主張した世界記録サイズのコンピュータの 1/10のサイズで、^{[ 24 ]}「塩の粒よりも小さい」^{[ 25 ]} 100 万個のトランジスタを備え、製造コストは0.10 ドル未満で、ブロックチェーン技術と組み合わせることで、物流と「クリプト アンカー」、つまりデジタル指紋アプリケーションを目的としています。^{[ 26 ]}

マイクロコントローラは、制御対象の組み込みシステムで発生するイベントに対して、リアルタイム（予測可能ではあるが、必ずしも高速とは限らない）な応答を提供する必要があります。特定のイベントが発生すると、割り込みシステムはプロセッサに現在の命令シーケンスの処理を中断し、割り込みサービスルーチン（ISR、または「割り込みハンドラ」）を開始するように指示します。ISRは、割り込みの発生源に基づいて必要な処理を実行し、その後、元の命令シーケンスに戻ります。割り込みの発生源はデバイスによって異なり、内部タイマーのオーバーフロー、アナログ-デジタル変換の完了、ボタンの押下などによる入力の論理レベルの変化、通信リンクで受信したデータなどのイベントが含まれることがよくあります。バッテリー駆動デバイスのように消費電力が重要な場合、割り込みによって、周辺機器からのイベントによって何らかの処理が必要になるまでプロセッサが停止している低電力スリープ状態からマイクロコントローラが復帰することもあります。

マイクロコントローラのプログラムは、通常、オンチップメモリ​​に収まるサイズでなければなりません。外部に拡張可能なメモリをシステムに搭載するのはコストがかかるためです。コンパイラとアセンブラは、高水準言語とアセンブリ言語の両方のコードを、マイクロコントローラのメモリに格納するためのコンパクトなマシンコードに変換するために使用されます。デバイスによっては、プログラムメモリは工場でのみプログラム可能な永続的な読み出し専用メモリの場合もあれば、現場で変更可能なフラッシュメモリや消去可能な読み出し専用メモリの場合もあります。

メーカーは、対象システムのハードウェアおよびソフトウェア開発を支援するために、マイクロコントローラの特殊バージョンを製造してきた。当初は、デバイス上部に「窓」があり、そこから紫外線を照射してプログラムメモリを消去し、プログラミング（書き込み）とテストサイクル後に再プログラミングできるようにしたEPROMバージョンが含まれていた。1998年以降、EPROMバージョンは稀になり、より使いやすく（電子的に消去可能）、製造コストも安いEEPROMやフラッシュメモリに置き換えられた。

ROMを内部メモリとしてではなく外部デバイスとしてアクセスするバージョンも存在するかもしれないが、安価なマイクロコントローラプログラマが広く普及したため、こうしたバージョンは稀になりつつある。

マイクロコントローラにフィールドプログラマブルデバイスを使用することで、ファームウェアの現場アップデートや、組み立て済みだがまだ出荷されていない製品に対する工場での最終改訂が可能になります。プログラマブルメモリは、新製品の展開に必要なリードタイムも短縮します。

何十万個もの同一デバイスが必要な場合、製造時にプログラムされた部品を使用することが経済的となる。これらの「マスクプログラム」部品は、チップのロジックと同じ方法で、同時にプログラムが書き込まれている。

カスタムマイクロコントローラは、処理能力の向上、周辺機器、およびアプリケーションの要件に合わせたインターフェースなど、カスタマイズ可能なデジタルロジックブロックを組み込んでいます。Atmel社のAT91CAPはその一例です。

マイクロコントローラには通常、数個から数十個の汎用入出力ピン（GPIO）が搭載されています。GPIOピンはソフトウェアによって入力状態または出力状態に設定可能です。GPIOピンが入力状態に設定されている場合は、センサーや外部信号の読み取りによく使用されます。出力状態に設定されている場合は、LEDやモーターなどの外部デバイスを駆動できますが、多くの場合、外部電源回路を介して間接的に駆動します。

多くの組み込みシステムは、アナログ信号を生成するセンサーを読み取る必要があります。しかし、組み込みシステムはデジタルデータ（1と0）を解釈および処理するように設計されているため、デバイスから送信されるアナログ信号を処理することができません。そのため、アナログ-デジタル変換器（ADC）を使用して、入力データをプロセッサが認識できる形式に変換します。一部のマイクロコントローラには、プロセッサがアナログ信号または電圧レベルを出力できるようにするデジタル-アナログ変換器（DAC）という、あまり一般的ではない機能があります。

コンバータに加えて、多くの組み込みマイクロプロセッサにはさまざまなタイマーも搭載されています。最も一般的なタイマーの1つは、プログラマブルインターバルタイマー（PIT）です。PITは、ある値からゼロまでカウントダウンするか、カウントレジスタの容量までカウントアップしてオーバーフローし、ゼロに収束します。ゼロに達すると、カウントが終了したことを示す割り込みをプロセッサに送信します。これは、サーモスタットなどのデバイスに役立ちます。サーモスタットは、周囲の温度を定期的に測定して、エアコンやヒーターのオン/オフなどを切り替える必要があるかどうかを判断します。

専用のパルス幅変調（PWM）ブロックにより、CPUはタイトなタイマーループで多くのCPUリソースを使用することなく、電力変換器、抵抗負荷、モーターなどを制御することが可能になります。

汎用非同期送受信機（UART）ブロックにより、CPUへの負荷をほとんどかけずにシリアルラインを介してデータを受信および送信することが可能になります。専用のオンチップハードウェアには、I²C 、 SPI 、 USB 、イーサネットなどのデジタル形式で他のデバイス（チップ）と通信する機能も含まれていることがよくあります。^{[ 28 ]}

初期のマイクロコントローラから今日に至るまで、6トランジスタSRAMはほぼ常に読み書き作業用メモリとして使用され、レジスタファイルではビットあたり数個多いトランジスタが使用されています。

SRAMに加えて、一部のマイクロコントローラはデータ保存用に内部EEPROMやNVRAMも搭載しています。また、これらのメモリを搭載していないもの（ BASIC Stampなど）や、内部メモリが不足している場合は、外部EEPROMやフラッシュメモリチップに接続されることがよくあります。

2003年以降、一部のマイクロコントローラには「自己プログラム可能な」フラッシュメモリが搭載されている。^{[ 10 ]}

初期のマイクロコントローラは、ファームウェアの保存にマスクROMを使用していた。後のマイクロコントローラ（ Freescale 68HC11の初期バージョンや初期のPICマイクロコントローラなど）はEPROMメモリを採用し、紫外線による消去を可能にする半透明の窓を備えていたが、量産バージョンではそのような窓はなく、OTP（ワンタイムプログラマブル）となった。ファームウェアのアップデートはマイクロコントローラ本体の交換に等しかったため、多くの製品はアップグレードできなかった。

Motorola MC68HC805 ^{[ 9 ]}は、ファームウェアを保存するためにEEPROMを使用した最初のマイクロコントローラでした。EEPROM マイクロコントローラは、Microchip がPIC16C84 ^{[ 8 ]}を発表し、Atmel がファームウェアを保存するためにNOR フラッシュメモリを使用した最初の8051 コアマイクロコントローラを発表した 1993 年にさらに普及しました。 ^{[ 10 ]}今日のマイクロコントローラはほぼすべてフラッシュメモリを使用しており、一部のモデルは FRAM を使用し、一部の超低コスト部品は依然として OTP またはマスク ROM を使用しています。