Микроконтролерът (MCU) е едночипова система, съчетаваща в себе си микропроцесор, тактов генератор, оперативна памет и програмируеми входно-изходни устройства. Често на същия чип има и различни видове компютърна памет. За разлика от микропроцесорите, които се използват в персоналните и други компютри, микроконтролерите са незаменими във вградените системи и са особено полезни, когато трябва да се реализира компютърно устройство, изпълняващо голям брой или сравнително сложни функции, например – комуникация с други устройства, управление на буквено-цифрови или графични дисплеи, измерване на различни величини, управление на технологични процеси и др.

Микроконтролерите се използват в продукти и устройства с автоматичен контрол като контролни системи в автомобилите, медицински импланти, дистанционни управления, офис машини, домашни уреди, електроинструменти, играчки и други вградени системи. С намалените си размери и цена в сравнение с отделен микропроцесор, памет и периферни устройства, микроконтролерите са икономично решение за управление. Възможна е реализация и на смесени аналогово-цифрови микроконтролери () за контрол на нецифрови електронни системи.

История Първият микропроцесор е 4-битовият Intel 4004, пуснат на пазара от Intel на 15 ноември 1971 г. Заедно с Intel 8008 те стават достъпни през следващите няколко години. И двата микропроцесора обаче изискват външни чипове, за да се получи работеща система, което увеличава общия разход като цяло и прави невъзможно от икономическа гледна точка въвеждането на такъв тип чипове в други устройства.

Според Смитсоновия институт инженерите Гари Бун и Майкъл Кокран са успели да създадат първия микроконтролер през 1971 г. Резултатът от тяхната работа е микроконтролерът TMS 1000, който излиза на пазара през 1974 г. Той комбинира в себе си памет за четене, памет за четене и писане, процесор и часовник. Бил е предназначен за вградени системи.

Отчасти като продължение на съществуването на TMS 1000„Oral History Panel on the Development and Promotion of the Intel 8048 Microcontroller“, Computer History Museum Oral History, 2008, Intel разработват Intel 8048, компютърна система на чип, оптимизирана за приложения за осъществяване на контрол, която за първи път излиза на пазара през 1977. Тя комбинира в себе си RAM и ROM в един и същи чип. Чипът има разнообразни приложения и бива вграден в над един милиард клавиатури за персонални компютри. Люк Валентър, който по това време е президент на Intel, счита, че този микроконтролер е един от най-успешните в историята на компанията, както и че е успял да повиши бюджета на отдела с над 25%.

Повечето микроконтролери по това време са две разновидности. Единият използва изтриваема EPROM памет, която има прозрачен кварцов прозорец в капака на модула, позволяващ изтриване чрез ултравиолетова светлина. Другият вариант е PROM, който може да се програмира само веднъж. Понякога това бива обозначавано чрез абревиатурата „OTP“, която означава „one-time programmable“ или „програмируемо само веднъж“. PROM всъщност представлява абсолютно същия тип памет като EPROM, но тъй като при нея липсва възможност да бъде изложена на ултравиолетова светлина, тя не може да бъде изтрита. Изтриваемите типове памет изискват керамични модули с кварцови прозорчета, а това ги прави значително по-скъпи, отколкото OTP версиите, които могат да бъдат изработени от по-евтини пластмасови материали. При изтриваемите памети се използва кварц вместо стъкло, поради неговата пропускливост на ултравиолетова светлина, тъй като стъклото е до голяма степен непрозрачно за UV лъчите, но основният определящ фактор за цената остава самият керамичен модул.

През 1993 г. представянето на паметите EEPROM by Odd Jostein Svendsli 2003 позволява на микроконтролерите да бъдат електрически изтривани бързо и без нуждата от скъпи материали, използвани при изработката на EPROM, и позволявайки както бързо изработване на прототипи, така и системно програмиране (ISP).

(EEPROM технологията е съществувала и преди този период, но по-ранните ѝ версии са били по-скъпо струващи и по-ненадеждни, което ги прави неподходящи за евтините микроконтролери, предназначени за масова употреба).

През същата година Atmel представя първия микроконтролер, използващ флаш-памет, специален тип EEPROM. Други компании бързо последват нейния пример, използвайки и двата типа памет.

С времето цената на микроконтролерите значително намалява, като на едро най-евтините 8-битови модели, предлагани на пазара през 2009 г., е под 0,25 щатски долара, а някои 32-битови такива достигат цени от около 1 щатски долар при подобни количества.

С годините микроконтролерите стават евтини и лесно достъпни за любители, като се наблюдават големи онлайн общности, обединени около определени видове процесори.

В бъдеще MRAM технологията има потенциал да бъде използвана при изработката на микроконтролери, тъй като тя на практика осигурява изключителна надеждност, а освен това процесът при изработването на полупроводниковите компоненти, нужни за този тип памет, е сравнително евтин.

Продажбени обеми През 2002 г. около 55% от всички процесори, продадени в света, са 8-битови микроконтролери и микропроцесори.Jim Turley. The Two Percent Solution 2002. През 1997 са продадени над два милиарда 8-битови микроконтролери,Tom Cantrell „Microchip on the March“. Circuit Cellar. 1998., а според Semico, над четири трилиона 8-битови микроконтролери са продадени през 2006 г.www.semico.com През 2011 г. Semico съобщава, че пазарът на микроконтролери е нараснал с 36,5% през 2010 и с 12% през 2011.Momentum Carries MCUs Into 2011

В едно средностатистическо домакинство в развита държава е нормално да има само четири микропроцесора, предназначени за обща употреба, но за сметка на това около 36 микроконтролера. В един автомобил от среден клас например има 30 или повече микроконтролера. Микроконтролери могат също да се открият в много електрически устройства, като перални машини, микровълнови фурни и телефони.

Погледнато във времето, 8-битовият сегмент от пазара на микроконтролери винаги е бил доминиращ. 16-битовите микроконтролери от своя страна заемат по-голям дял от 2011 насам, като за първи път поглъщат дела на 8-битовите устройства. Според IC Insights характерът на пазара на микроконтролери ще претърпи съществени промени в следващите пет години с 32-битовите устройства, които постоянно отнемат все по-голям дял от продажбите. До 2017, 32-битовите микроконтролери се очаква да отчетат 55% от продажбите на микроконтролери като цяло. От гледна точка на обема, 32-битовите микроконтролери се очаква да достигнат 38% от всички поръчки през 2017, докато 16-битовите устройства ще представляват 34%, а 4 и 8-битовите модели се прогнозира да бъдат 28% от всички продадени единици за съответната година. Очакванията са, че пазарът на 32-битови микроконтролери ще расте с големи темпове, поради повишаването на нуждите от по-високо ниво на прецизност в обработването на информация и безпрецедентната свързаност, осигурена от интернет. Прогнозира се, че в идните години над 25% от процесорната мощност в колите ще идва от сложни 32-битови микроконтролери.IC Insights, MCU Market on Migration Path to 32-bit and ARM-based Devices

През 2012, като последица от глобалната икономическа криза, забелязаният среден спад на цените на микроконтролерите е 17% – най-големият спад от 1980 насам. Тогава средната цена за миктоконтролер е $0.88 ($0.69 за 4/8-битов, $0.59 за 16-битови и $1.76 за 32-битови). През 2012 година в световен мащаб продажбите на 8-битови микроконтролери са около 4 милиарда щатски долара, а същевременно 4-битовите микроконтролери също виждат доста добри продажби.Bill Giovino. Zilog Buys Microcontroller Product Lines from Samsung. 2013. През 2015 8-битовите микроконтролери се продават на цена от $0.311 (за 1000 единици)www.mouser.com, 16-битови – за $0.385 (за 1000 единици)www.mouser.com и 32-битови – за $0.378 (за 1000 единици, но за 5000 единичната цена спада на $0.35).www.mouser.com

Вграден дизайн Eдин микроконтролер представлява система от затворен тип, която съдържа в себе си процесор и памет, и която може да бъде вградена в други устройства.Heath, Steve (2003). Embdded systems design. EDN series for design engineers (2nd edition).Newnes. pp. 11 – 12 По-голямата част от микроконтролерите, употребявани днес, са вградени в други машини като автомобили, телефони и периферни устройства за компютърни системи.

Докато една част от вградените системи са много сложни, много от тях имат минимални изисквания за памет и за продължителност на програмата, не изискват наличие на операционна система и не се нуждаят от програмиране на ниско ниво. Типични устройства за вход и изход включват превключватели, релета, соленоиди, светодиоди, малки или потребителски LCD дисплеи, радиочестотни устройства и сензори за данни, като например температура, влажност, светлинно ниво и т.н. Вградените системи обикновено не разполагат с клавиатура, екран, дискове, принтери или други разпознаваеми устройства за вход и изход, защото не е нужно да има директно взаимодействие с потребителя.

Прекъсвания Микроконтролерите трябва да предоставят в реално време предсказуем (макар и не непременно бърз) отговор на събитията във вградената система, която контролират. В случай на възникване на определено събитие, системата за прекъсване може да сигнализира на процесора да спре обработката на текущата последователност от инструкции и да стартира подпрограмата, отговаряща за прекъсването или ISR (interrupt service routine). IRS ще изпълни всички необходими обработки, в зависимост от източника на прекъсването, преди да върне първоначалната поредица от инструкции. Възможните източници на прекъсвания са зависими от съответния тип устройство и често включват събития като препълване на вътрешния таймер, завършване на аналогово-цифрово преобразуване, промяна на входа, а от логическа гледна точка – това са натискане на бутон например, както и получаване на данни. Тъй като консумацията на енергия е важен фактор, особено в устройства, захранвани с батерии, прекъсващата система също така може и да „събуди“ микропроцесора от сън – това е ситуация, в която процесорът е поставен, за да се понижи нивото на консумираната енергия.

Програми Обикновено програмите на микроконтролера трябва да се поберат в свободната памет на чипа, тъй като би било доста скъпо системата да бъде снабдена с външна памет. Компилатори и асемблери се използват за преобразуване на езици от високо ниво и асемблер кодове в компактен машинен код за съхранение в паметта на микроконтролера. В зависимост от устройството, паметта, предвидена за програмиране, може да бъде постоянна, памет само за четене, памет, програмирана още при самото производство или памет, която да се програмира на място при въвеждането в експлоатация.

Производителите често проектират специални модели на своите микроконтролери, за да се подпомогне разработката на хардуер и софтуер в целевата система. Първоначално те ​​са включват EPROM модели, които имат „прозорец“ на горната част на устройството, чрез които паметта може да бъде изтрита с помощта на ултравиолетова светлина, като по този начин се подготвят за ново препрограмиране. От 1998 насам EPROM версиите се срещат все по-рядко и постепенно се заменят от EEPROM и тип „светкавица“ версии, които са както по-лесни за използване (информацията може да се изтрие и по електронен път), така и по-евтини за производство.

Съществуват и други версии, където ROM паметта е достъпна като външно устройство, а не като вътрешна памет, но те стават все по-редки, което се дължи на широкото предлагане на сравнително евтини устройства за програмиране на микроконтролери.

Когато се изискват стотици хиляди идентични устройства, използването на части, програмирани още по време на производството, би могло да бъде по-изгоден, от икономична гледна точка, вариант.