Microcontrolador

Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips MOS LSI. El primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , lanzado en un solo chip MOS LSI en 1971. Fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología MOS de puerta de silicio , junto con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . ^{[ 1 ]} Le siguieron el Intel 4040 de 4 bits , el Intel 8008 de 8 bits y el Intel 8080 de 8 bits . Todos estos procesadores requerían varios chips externos para implementar un sistema funcional, incluyendo chips de memoria e interfaz periférica. Como resultado, el costo total del sistema era de varios cientos de dólares (de la década de 1970), lo que hacía imposible informatizar económicamente los pequeños electrodomésticos.

MOS Technology presentó sus microprocesadores de menos de 100 dólares en 1975, los modelos 6501 y 6502. Su principal objetivo era reducir esta barrera de costos, pero estos microprocesadores aún requerían soporte externo, memoria y chips periféricos, lo que mantenía el costo total del sistema en cientos de dólares.

Un libro atribuye a los ingenieros de TI, Gary Boone y Michael Cochran, la exitosa creación del primer microcontrolador en 1971. El resultado de su trabajo fue el TMS 1000 , que se comercializó en 1974. Combinaba memoria de solo lectura, memoria de lectura/escritura, procesador y reloj en un solo chip y estaba destinado a sistemas embebidos. ^{[ 2 ]}

Durante la primera mitad de la década de 1970, los fabricantes japoneses de productos electrónicos comenzaron a producir microcontroladores para automóviles, incluidos MCU de 4 bits para entretenimiento en el automóvil , limpiaparabrisas automáticos, cerraduras electrónicas y tablero, y MCU de 8 bits para control del motor. ^{[ 3 ]}

En parte como respuesta a la existencia del microcontrolador TMS 1000 , ^{[ 4 ]} Intel desarrolló un sistema informático en un chip optimizado para aplicaciones de control, el Intel 8048 , cuyas primeras unidades comerciales se enviaron en 1977. ^{[ 4 ]} Combinaba RAM y ROM en el mismo chip con un microprocesador. Entre numerosas aplicaciones, este chip llegaría a formar parte de más de mil millones de teclados de PC. En aquel entonces, el presidente de Intel, Luke J. Valenter, afirmó que el microcontrolador era uno de los productos más exitosos en la historia de la compañía y amplió el presupuesto de la división de microcontroladores en más del 25 %.

Diversos microcontroladores PIC con EPROM integrada

Microcontrolador Piggyback de MOSTEK

La mayoría de los microcontroladores de la época tenían variantes concurrentes. Una de ellas tenía memoria de programa EPROM , con una ventana de cuarzo transparente en la tapa del encapsulado que permitía borrarla mediante exposición a luz ultravioleta . Estos chips borrables se usaban a menudo para la creación de prototipos. La otra variante era una ROM programable por máscara o una PROM programable solo una vez. Para esta última, a veces se usaba la designación OTP , que significaba "programable una sola vez". En un microcontrolador OTP, la PROM solía ser del mismo tipo que la EPROM, pero el encapsulado del chip no tenía ventana de cuarzo; al no haber forma de exponer la EPROM a la luz ultravioleta, no se podía borrar. Debido a que las versiones borrables requerían encapsulados cerámicos con ventanas de cuarzo, eran significativamente más caras que las versiones OTP, que podían fabricarse en encapsulados de plástico opaco de menor costo. Para las variantes borrables, se requería cuarzo, en lugar de vidrio, más económico, por su transparencia a la luz ultravioleta (a la que el vidrio es en gran medida opaco), pero el principal factor de diferenciación de costo era el propio encapsulado cerámico. También se utilizaron microcontroladores piggyback . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

En 1993, la introducción de la memoria EEPROM permitió borrar eléctricamente los microcontroladores (comenzando con el Microchip PIC16C84 ) ^{[ 8 ]} rápidamente sin un encapsulado costoso como el requerido para la EPROM , lo que permitió tanto la creación rápida de prototipos como la programación en el sistema . (La tecnología EEPROM ya estaba disponible antes de este momento, ^{[ 9 ]} pero la EEPROM anterior era más cara y menos duradera, lo que la hacía inadecuada para microcontroladores de bajo costo producidos en masa). Ese mismo año, Atmel presentó el primer microcontrolador que utilizaba memoria Flash , un tipo especial de EEPROM. ^{[ 10 ]} Otras compañías rápidamente siguieron el ejemplo, con ambos tipos de memoria.

Hoy en día, los microcontroladores son baratos y están fácilmente disponibles para los aficionados, y existen grandes comunidades en línea en torno a determinados procesadores.

En 2002, alrededor del 55% de todas las CPU vendidas en el mundo eran microcontroladores y microprocesadores de 8 bits. ^{[ 11 ]}

En 1997 se vendieron más de dos mil millones de microcontroladores de 8 bits, ^{[ 12 ]} y según Semico, en 2006 se vendieron más de cuatro mil millones de microcontroladores de 8 bits. ^{[ 13 ]} Más recientemente, Semico afirmó que el mercado de MCU creció un 36,5% en 2010 y un 12% en 2011. ^{[ 14 ]}

En un hogar típico de un país desarrollado, es probable que solo haya cuatro microprocesadores de uso general, pero alrededor de tres docenas de microcontroladores. Un automóvil típico de gama media tiene aproximadamente 30 microcontroladores. También se pueden encontrar en muchos electrodomésticos, como lavadoras, hornos microondas y teléfonos.

Históricamente, el segmento de 8 bits ha dominado el mercado de MCU [...] Los microcontroladores de 16 bits se convirtieron en la categoría de MCU de mayor volumen en 2011, superando a los dispositivos de 8 bits por primera vez ese año [...] IC Insights cree que la composición del mercado de MCU experimentará cambios sustanciales en los próximos cinco años con los dispositivos de 32 bits acaparando de manera constante una mayor participación en ventas y volúmenes de unidades. Para 2017, se espera que los MCU de 32 bits representen el 55% de las ventas de microcontroladores [...] En términos de volúmenes de unidades, se espera que los MCU de 32 bits representen el 38% de los envíos de microcontroladores en 2017, mientras que los dispositivos de 16 bits representarán el 34% del total, y se prevé que los diseños de 4/8 bits sean el 28% de las unidades vendidas ese año. Se prevé que el mercado de microcontroladores de 32 bits crezca rápidamente debido a la creciente demanda de mayor precisión en los sistemas de procesamiento integrados y al aumento de la conectividad a través de Internet. [...] En los próximos años, se espera que los microcontroladores complejos de 32 bits representen más del 25 % de la capacidad de procesamiento en los vehículos.

El coste de fabricación puede ser inferior a 0,10 dólares estadounidenses por unidad.

El costo se ha desplomado con el tiempo, y los microcontroladores de 8 bits más baratos estaban disponibles por menos de US$0,03 en 2018, ^{[ 16 ]} y algunos microcontroladores de 32 bits alrededor de US$1 para cantidades similares.

En 2012, tras una crisis global —la peor caída y recuperación anual de ventas jamás registrada y un desplome interanual del precio medio de venta del 17 %— la mayor reducción desde la década de 1980— el precio medio de un microcontrolador era de 0,88 dólares estadounidenses ( 0,69 dólares para 4/8 bits, 0,59 dólares para 16 bits y 1,76 dólares para 32 bits). ^{[ 15 ]}

En 2012, las ventas mundiales de microcontroladores de 8 bits rondaron los 4.000 millones de dólares estadounidenses , mientras que los microcontroladores de 4 bits también registraron ventas significativas. ^{[ 17 ]}

En 2015, los microcontroladores de 8 bits se podían comprar por US$0,311 (1000 unidades), ^{[ 18 ]} los de 16 bits por US$0,385 (1000 unidades), ^{[ 19 ]} y los de 32 bits por US$0,378 (1000 unidades, pero a US$0,35 por 5000). ^{[ 20 ]}

En 2018, los microcontroladores de 8 bits se podían comprar por US$0,03 , ^{[ 16 ]} los de 16 bits por US$0,393 (1000 unidades, pero a US$0,563 por 100 o US$0,349 por un rollo completo de 2000), ^{[ 21 ]} y los de 32 bits por US$0,503 (1000 unidades, pero a US$0,466 por 5000). ^{[ 22 ]}

En 2018, los microcontroladores de bajo precio mencionados anteriormente en 2015 eran todos más caros (con la inflación calculada entre los precios de 2018 y 2015 para esas unidades específicas): el microcontrolador de 8 bits se podía comprar por US$0,319 (1000 unidades) o un 2,6 % más, ^{[ 18 ]} el de 16 bits por US$0,464 (1000 unidades) o un 21 % más, ^{[ 19 ]} y el de 32 bits por US$0,503 (1000 unidades, pero a US$0,466 por 5000) o un 33 % más. ^{[ 20 ]}

El 21 de junio de 2018, la Universidad de Michigan anunció el "ordenador más pequeño del mundo" . El dispositivo es un "0,04 mm ³ Sistema de sensor inalámbrico y sin batería de 16 nW  con procesador Cortex-M0+ integrado y comunicación óptica para la medición de la temperatura celular." "Mide solo0,3  mm por lado, empequeñecido por un grano de arroz. [...] Además de la RAM y los paneles fotovoltaicos , los nuevos dispositivos informáticos tienen procesadores y transmisores y receptores inalámbricos . Debido a que son demasiado pequeños para tener antenas de radio convencionales, reciben y transmiten datos con luz visible. Una estación base proporciona luz para la alimentación y la programación, y recibe los datos." ^{[ 23 ]} El dispositivo es 1/10 del tamaño de la computadora que IBM afirmó haber alcanzado el récord mundial de tamaño meses atrás en marzo de 2018, [ ^{24 ] que} es "más pequeña que un grano de sal", ^{[ 25 ]} tiene un millón de transistores, cuesta menos de $0,10 fabricar y, combinado con la tecnología blockchain , está destinado a la logística y a los "criptoanclajes" ( aplicaciones de huella digital) . ^{[ 26 ]}

Los microcontroladores deben proporcionar una respuesta en tiempo real (predecible, aunque no necesariamente rápida) a los eventos del sistema embebido que controlan. Cuando ocurren ciertos eventos, un sistema de interrupciones puede indicar al procesador que suspenda el procesamiento de la secuencia de instrucciones actual e inicie una rutina de servicio de interrupción (ISR, o "manejador de interrupciones"), que realizará el procesamiento necesario en función del origen de la interrupción, antes de retomar la secuencia de instrucciones original. Las posibles fuentes de interrupción dependen del dispositivo y suelen incluir eventos como el desbordamiento de un temporizador interno, la finalización de una conversión analógica-digital, un cambio de nivel lógico en una entrada (por ejemplo, al pulsar un botón) y la recepción de datos en un enlace de comunicación. En dispositivos con batería, donde el consumo de energía es importante, las interrupciones también pueden despertar a un microcontrolador de un estado de bajo consumo en el que el procesador se detiene hasta que un evento periférico lo requiera para realizar alguna acción.

Por lo general, los programas de los microcontroladores deben caber en la memoria integrada disponible, ya que sería costoso dotar al sistema de memoria externa ampliable. Se utilizan compiladores y ensambladores para convertir el código de alto nivel y el código ensamblador en un código máquina compacto que se almacena en la memoria del microcontrolador. Según el dispositivo, la memoria de programa puede ser permanente y de solo lectura , programable únicamente en fábrica, o bien memoria flash modificable en campo o memoria de solo lectura borrable.

Los fabricantes solían producir versiones especiales de sus microcontroladores para facilitar el desarrollo de hardware y software del sistema objetivo. Originalmente, estas incluían versiones EPROM con una ventana en la parte superior que permitía borrar la memoria de programa mediante luz ultravioleta , dejándola lista para la reprogramación tras un ciclo de programación (grabación) y prueba. Desde 1998, las versiones EPROM son poco comunes y han sido reemplazadas por EEPROM y memoria flash, que son más fáciles de usar (se pueden borrar electrónicamente) y más económicas de fabricar.

Es posible que existan otras versiones en las que se acceda a la ROM como un dispositivo externo en lugar de como memoria interna; sin embargo, estas son cada vez más raras debido a la amplia disponibilidad de programadores de microcontroladores económicos.

El uso de dispositivos programables en campo en un microcontrolador permite actualizar el firmware en el terreno o realizar revisiones tardías en fábrica de productos ensamblados pero aún no enviados. La memoria programable también reduce el tiempo de desarrollo necesario para la implementación de un nuevo producto.

Cuando se requieren cientos de miles de dispositivos idénticos, utilizar piezas programadas en el momento de la fabricación puede resultar económico. Estas piezas , con programación mediante máscara , tienen el programa grabado de la misma manera que la lógica del chip, y al mismo tiempo.

Un microcontrolador personalizado incorpora un bloque de lógica digital que puede personalizarse para añadir capacidad de procesamiento, periféricos e interfaces adaptados a las necesidades de la aplicación. Un ejemplo es el AT91CAP de Atmel .

Los microcontroladores suelen contener desde varias hasta decenas de pines de entrada/salida de propósito general ( GPIO ). Estos pines se pueden configurar por software para funcionar como entrada o salida. Cuando se configuran como entrada, se utilizan para leer sensores o señales externas. Cuando se configuran como salida, pueden controlar dispositivos externos, como LED o motores, a menudo de forma indirecta, mediante electrónica de potencia externa.

Muchos sistemas embebidos necesitan leer sensores que generan señales analógicas. Sin embargo, dado que están diseñados para interpretar y procesar datos digitales (unos y ceros), no pueden procesar las señales analógicas que les envía un dispositivo. Por lo tanto, se utiliza un convertidor analógico-digital (ADC) para convertir los datos entrantes a un formato que el procesador pueda reconocer. Una característica menos común en algunos microcontroladores es un convertidor digital-analógico (DAC) que permite al procesador generar señales analógicas o niveles de voltaje.

Además de los convertidores, muchos microprocesadores integrados incluyen diversos temporizadores. Uno de los tipos más comunes es el temporizador de intervalo programable (PIT). Un PIT puede contar hacia atrás desde un valor hasta cero o hasta la capacidad del registro de conteo, desbordándose a cero. Una vez que llega a cero, envía una interrupción al procesador indicando que ha finalizado el conteo. Esto resulta útil para dispositivos como los termostatos, que comprueban periódicamente la temperatura ambiente para determinar si deben encender o apagar el aire acondicionado, la calefacción, etc.

Un bloque de modulación por ancho de pulso (PWM) dedicado permite que la CPU controle convertidores de potencia , cargas resistivas , motores , etc., sin utilizar muchos recursos de la CPU en bucles de temporizador ajustados .

Un bloque de receptor/transmisor asíncrono universal (UART) permite recibir y transmitir datos a través de una línea serie con una carga mínima en la CPU. El hardware dedicado integrado en el chip también suele incluir capacidades para comunicarse con otros dispositivos (chips) en formatos digitales como Inter-Integrated Circuit ( I²C ), Serial Peripheral Interface ( SPI ), Universal Serial Bus ( USB ) y Ethernet . ^{[ 28 ]}

Desde los primeros microcontroladores hasta la actualidad, la memoria SRAM de seis transistores se utiliza casi siempre como memoria de trabajo de lectura/escritura, con algunos transistores más por bit utilizados en el banco de registros .

Además de la SRAM, algunos microcontroladores también tienen EEPROM y/o NVRAM internas para el almacenamiento de datos; y aquellos que no tienen ninguna (como el BASIC Stamp ), o donde la memoria interna es insuficiente, a menudo se conectan a un chip de memoria flash o EEPROM externo.

Algunos microcontroladores a partir de 2003 tienen memoria flash "autoprogramable". ^{[ 10 ]}

Los primeros microcontroladores utilizaban memoria ROM de máscara para almacenar el firmware . Los microcontroladores posteriores (como las primeras versiones del Freescale 68HC11 y los primeros microcontroladores PIC ) tenían memoria EPROM , que utilizaba una ventana translúcida para permitir el borrado mediante luz ultravioleta, mientras que las versiones de producción no tenían dicha ventana, siendo OTP (programables una sola vez). Las actualizaciones de firmware equivalían a reemplazar el propio microcontrolador, por lo que muchos productos no eran actualizables.

El Motorola MC68HC805 ^{[ 9 ]} fue el primer microcontrolador en utilizar EEPROM para almacenar el firmware. Los microcontroladores con EEPROM se popularizaron en 1993 cuando Microchip presentó el PIC16C84 ^{[ 8 ]} y Atmel presentó un microcontrolador con núcleo 8051 que fue el primero en utilizar memoria flash NOR para almacenar el firmware. ^{[ 10 ]} Hoy en día, casi todos los microcontroladores utilizan memoria flash, con algunos modelos que utilizan FRAM y algunos componentes de ultrabajo costo que aún utilizan OTP o ROM de máscara.