单片机，又被称为“单片控制器”，是一个计算机系统的“承载”和“集成”，它不是完成某一个逻辑功能的芯片 。
单片机（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 中央处理器 CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。 。
自20世纪70年代诞生以来，单片机已经从最原始的4位单片机、8位单片机发展到了现阶段的300M高速单片机 。单片机控制技术广泛应用在各行各业内，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等，例如在农业中蔬菜种植的过程中，利用单片机进行大棚温控系统，通过使用 太阳能 资源，实现温度的智能化调节，从而降低种植成本 。
发展历史
探索
在20世纪70年代，美国Fairchild公司率先推出了第一款单片机，F8它只包含了 中央处理器 、64K位的RAM以及2个并行口还需外接具有ROM定时/计数器和并行口的芯片。随后到了1976年， 英特尔 公司研发出了第一款8位单片机MCS-48，它集成了CPU、RAM、ROM和I/O端口。 自此世界上第一个真正意义上的的8位单片机诞生并推向市场。在当时，这款单片机以较小的体积、强大的功能以及其实惠的价格在市场上迅速火爆起来。同时，在MCS-48成功的前提下，Motorola、Rokwell等其他公司也开始了单片机的研发与探索，这为后续单片机的发展奠定了基础。
体系结构完善
20世纪80年代，此时各家科技公司在单片机研发上都取得了突破性的进展， 英特尔 的MCS-51单片机、Motorola的6801和6802系列、Rokwell的6501和6052系列的推出进一步扩大了单片机的市场。 MCS-51系列单片机的推出，标志着单片机的发展进入了体系结构的完善阶段。此外，MCS-51系列单片机还在以下两方面确定了典型的通用 总线 型单片机的体系结构 。
(1）完善的总线结构
采用16位的外部并行地址总线可对外部64KB的存储和据存储器空间进行寻址;还有8位数据总线及相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构;同时还提供了多机通信功能的串行I/O口 。
(2）完善的指令系统
增加了大量的位操作指令与片内的位地址空间构成了单片机所独有的布尔逻辑操作系统，增强了单片机的位操作控制功能;还增加了许多条件跳转指令和无条件跳转指令，从而增强了指令系统的控制功能。在单片机的片内设置了特殊功能 寄存器 SFR，方便外围功能电路的集中管理 。
SCMC过度到MCU
许多厂商在不断完善高档8位单片机进其结构的同时，也在手开发16位及专用单片机 。
1982年，以 英特尔 研发的MCS-96为代表的16位单片机在市场崭露头角。相比于8位单片机，16位单片机不仅拥有更宽的 带宽 ，ROM和RAM的容量也更大，在进行8位以上的数据处理时，其效率可以达到8位单片机的2倍。同时在外设方面也做了更多的拓展和升级。
20世纪90年代， Microchip ( 微星 )公司推出PIC系列单片机，该系列单片机采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）结构的 嵌入式微控制器 。该系列单片机只有33条指令集，相比较于 英特尔 的MSC-51单片机的111条系统指令，PIC系列单片机更加简单、易用。
1990年， Intel 公司 推出了32位单片机80960。相比于16位单片机，32位单片机在性能方面又得到了巨大的提升，单片机的应用范围进一步扩大。
MCU百花齐放
现阶段是单片机的百花齐放阶段，在工业控制领域中普遍采用单片机及技术进行智能化控制。小到玩具、家电行业，大到车载/舰船 电子系统 、计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、 办公自动化 、 工业机器人 以及航空航天领域都有单片机的踪迹。此外，在现阶段为满足不同的应用要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位16位、32位通用型单片机，小型廉价外围 系统集成 的专用型单片机以及其他各具特色的现代单片机 。
结构及原理
结构组成
单片机由 中央处理器 、存储器、定时/ 计数器 、输入输出接口、中断控制系统和 晶体 振动电路六部分组成 。
工作原理
单片机是以 计算机应用技术 为基础、将信息集成或压缩于芯片，因此又被称作单片微控制器。其结构主要分为控制器、存储器及运算器3部分 。
控制器的主要作用是管理内存中的指令，是整个单片机技术的核心，对主系统的运行起到至关重要的作用。单片机主要由控制器开展工作。存储器一般是由定时控制逻辑电路、译码器、程序计数器PC、地址指针等组成。运算器是对数据进行运算分析的部件，核心是ALU，能够保证系统顺利完成逻辑运算。单片机 集成电路 主要涉及CPU、RAM及各类驱动器等，在保证集成电路正常运行的同时完善数据信息的读取和分析，转换器将其进行有效组合，信息和数据被充分转换，从而保证有效信息的信号能够被准确识别 。
单片机的工作过程实质就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。 计算机 每执行条指令都可分为3个阶段进行，即取指令-分析指令-执行指令 。
取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值从程序存储器出现行指令送到指令 寄存器 。分析指令阶段的任务是:将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码和测试，分析该指令要求实现的操作性质，如执行传送还是加、减等操作，并产生相应的操作控制信号，为后续执行动作提供依据 。
执行指令阶段的任务是取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作 。
软件编程
编程语言
由助记符指令及的指令等编写的程序称为 汇编语言 ，也称为符号语言，容易被人们识别、记忆和谈写，但CPU不能直接识别。将汇编语言程序转换成为 二进制 代码表示的机器语言程序后CPU才能识别，这个转换过程就称为汇编，一般由专门的汇编程序完成 。
编程步骤
拟定设计 任务书
这一步就是要明确设计任务、功能要求及技术指标，对系统的硬件资源和工作环境进行分析 。
建立 数学模型 并确定算法
确定算法就是在全面准确分析 程序设计 任务之后，具体地选定解决问题的算法。对同个问题，可以有多种不同的算法，设计者要分析各种不同的算法，从中选择一种最佳算法 。
绘制 流程图
程序流程图设计，是将算法转化为具体程序的一个准备过程 。
编写源程序
用 汇编语言 把流程图表明的步骤或过程描述出来。在编写源程序之前，应合理地选择和分配 内存 单元和工作 寄存器 。
源程序的汇编与调试
汇编就是将编写好的源程序翻译为 计算机 所能识别并执行的机器语言程序，即目标程序。
最后再进行系统软件的整体起行、测试与总结归纳。
产品优缺点
优点
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或 数字电路 更加强大 。
可靠性强
即使单片机处于长时间的工作也不会存在故障问题 ，而且芯片是按照工业测控环境要求设计的，其抗工业声干扰能力优于一般通用的CPU；程序指令、 常数 、表格 固化 在芯片内ROM中不易被破坏；许多信号通道均在一个芯片内 。
易扩展
芯片外部有许多扩展用的 总线 及并行、申行输人/输出 管脚 可方便地构成各种规模的单片机应用系统 。
控制功能强
为了满足工业控制的要求单片机指令系统中有丰富的指令，包括数据传输指令、算术运算指令逻辑运算指令、控制转移指令及位操作指令。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器 。
缺点
外围功能
拓展的功能比如EEPROM、AD、PWM等，都有可能提高了 单片机开发工程师 的编程难度 。
数据处理速度
在双数据信息表的运行过程中，运作的速度会比较慢 。
输出功能
I/O接口口在有 电阻 的过程中，无法进行输出 。
常见单片机系列
STM32
STM32是由ST（ 意法半导体 ）公司设计的微控制器，具有高性能、低成本、低功耗的特点。STM32系列成员众多，按其性能可分为入门型（F0系列），基础型（F1系列），增强型（F3系列），高性能型（F4，F7等）。按内核的不同分为Cortex-M0（F0系列），Cortex-M3（F1、F3系列），Cortex-M4（F4系列）等。由于采用先进的芯片架构，STM32单片机系列在功耗和性能方面找到了合适的平衡点，主流版本的STM单片机基本时钟频率为36MHz，最大可达72MHz。STM32系列单片机包含丰富的外设和接口，最多可达112个高速的I/O接口，同时具备多通道、高精度A/D和D/A 转换器 ，I2C、SPI、USART通信接口以及完备的中断控制系统等。在性能方面STM32已经完全满足了日常的学习和生产需求，其丰富的产品线给予了学者和技术人员更多的选择，同时也是STM32在单片机市场占据一席之地的重要原因。
51系列单片机
51系列单片机最早有 英特尔 公司推出，主要有8031系列，8051系列。后来 ATMEL公司 以8051的内核为基础推出了AT89系列单片机。它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场 。 8051 共有40条引脚，其中，12脚和31脚均与单片机的存储器控制有关，引脚16和17分别与外RAM写选通信号和读选通信号输出端。MCS-51系列单片机的存储器配置方式采用哈佛结构，因此分为数据存储器和程序存储器，内数据寄存器共256B，其中低128 字节 为RAM空间，可分为工作寄存器区，位寻址区和数据缓冲区，高128字节为特殊功能寄存器(SFR) 。
MCS-51单片机的逻辑部件，包括一个8位CPU及片内振荡器、80514B掩膜ROM、87514KB EPROM、8031无ROM、特殊功能寄存器SFR128B RAM、定时器/计数器T0及T1、并行I/O接口：P0、P1、P2、P3； 串口调试软件 ：TXD、RXD；中断系统：INT0，INT1。
ARM＆AVR
ARM&AVR是一种功能较强的芯片，处理能力更强。但无法在没有周边器件的情况下单独完成既定功能AVR单片机也是 ATMEL公司 的产品，最早的就是AT90系列单片机，现在很多AT90单片机都转型为Atmega系列和AtTIny系列，AVR单片机最大的特点是精简指令型单片机，执行速度，在相同的振荡频率下是8位 MCU 中最快的一种单片机 。
STC52
STC 89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。该单片机功耗低，控制性能好，使用灵活、易扩展 。它几乎兼容80C51所有型号的指令和 引脚 功能。它采用模块化设计思想，通过扩展可配置 寄存器 单元（SDRAM），实现了各种功能；通过优化I/O接口电路结构，降低功耗。配备8K 字节 闪存存储 ，RAM256字节存储空间、32个I/0端口、定时器/ 计数器 、外部中断、UART串口等外设 。
STC单片机
STC公司( 宏晶科技 )的单片机主要是基于851内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度比传统8051快8~12倍，带ADC，4路PWM，双 串口 ，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强 。
PIC单片机
PIC系列单片机是 Microchip 公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的Flash程序存储器芯片 。
产品对比
Arduino 和单片机都是用于控制 汽车传感器 的工具，但它们在设计、编程和使用上存在一些区别 。
应用领域
单片机凭借着低功耗、控制功能强、可靠性高等显著优点，成为当前社会科技领域的实用工具，也是人们生活的得力助手。应用其领域也一直在扩大，不论是在 高科技 高精尖技术领域，还是小众低端的设计领域，都能见到单片机的身影。比如我们最常用的冰箱、 电饭煲 、空调、 液晶 电视等家电，医疗领域的 电子 温度计、各种分析仪、 呼吸机 、 超声波 仪器等，无线通信领域中的手机、电脑、 对讲机 、 路由器 等，无一离不开单片机的使用。
交通工具
例如汽车中的 发动机控制器 ，基于CAN 总线 的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、 abs 防抱死系统、 制动系统 、胎压检测等 。发生交通事故时，当事人由于伤势过重可能无法报警，由此开发出了一系列智能报警系统。车祸发生后， 安全气囊 弹出， 传感器 被触发，随后信号会被激活并被传至单片机的内部，单片机开始工作，同时将工作指令下达至报警器，报警器接收到工作指令后，再发送至远端 数据中心 ，数据中心接收到信号后，将立刻展开救援 。
医疗器械
如果在医疗器械中嵌入单片机，就能对医疗器械的内部数据进行有效采集、分析和处理，保证技术人员、医务人员能够通过医疗数据有序开展医务工作，提高医疗水平。此外，在现代医疗行业转型升级过程中， 医疗机构 档案管理 也显得尤为重要。医疗机构档案管理不仅涉及各项档案的简单保管，还可以通过分析医院档案、医院资料、医疗档案、病例档案等为当前及未来各项工作提供丰富的经验参考。借助单片机，医疗单位在开展档案管理的过程中就能实现档案管理的数字化和档案管理的信息化，推动档案管理质量提高，保证医疗档案功能发挥 。
通信系统
单片机是手机处理语音的一个重要组成部分，手机内部有嵌入式语音识别系统，能够首先对语音信号进行采集，再通过A/D模块进行语音信息的转换。在完成转换过程后，会将信息输送到控制器，通过电子 计算机 内部的特殊算法建立一个标准语音库，再将生成的语音信息储存在计算机中
发展趋势
单片机被广泛使用于汽车、家电、现代工厂自动化等领域，加上单片机市场市场供货紧张，中国的市场环境和政策都在鼓励这类 高科技 产品的发展，虽然市场尚未完全成熟，但正因为没有完全成熟，才有着巨大的市场潜力。总的来说，只要技术过硬，能推出好的产品，从事单片机开发在未来大有可为 。