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单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer，简称SCMC），简称单片机，是微型计算机的一个分支，它是把微型计算机的主要部件，即中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口等，集成在一个芯片上，它虽然只有一个芯片，但已具有计算机系统的属性。
单片机按用途可分为通用型和专用型两大类。
（1）通用型。可开发的内部资源，即RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。
（2）专用型。专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。专用型单片机具有十分明显的综合优势。
由于单片机在应用时通常处于被控系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式使用，因此也常常将单片机称为嵌入式控制器（EmbeddedMicroController Unit，简称EMCU）或微控制器（MicroController Unit，简称MCU）。在单片机的电路和结构中有许多嵌入式应用的特点。
为适应社会发展的需要，微型计算机不断的更新换代，新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中，近年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。自单片机出现至今，单片机技术已走过了 30 多年的发展路程。纵观这些年来单片机发展历程，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机的发展历史并不长，它的产生和发展与计算机的产生和发展大体上相似，也经历了四个阶段。
第一阶段（1974 年—1976 年）：制造工艺落后，集成度低，而且采用了双片形式。典型的代表产品有Fairchild公司的F8 系列。其特点是，片内只包括了 8 位CPU，64B的RAM和两个并行口，需要外加一块 3851 芯片（内部具有 1KB的ROM、定时器/计数器和两个并行口）才能组成一台完整的单片机。
第二阶段（1977 年—1978 年）：在单片芯片内集成CPU、并行口、定时器/计数器、RAM和ROM等功能部件，但性能低，品种少，应用范围也不是很广。典型的产品有Intel公司的MCS-48 系列。其特点是，片内集成有 8 位的CPU，1KB或 2KB的ROM，64B或128B的RAM，只有并行接口，无串行接口，有 1 个 8 位的定时器/计数器，中断源有 2 个。片外寻址范围为 4KB，芯片引脚为 40 个。
第三阶段（1979 年—1982 年）：8 位单片机成熟的阶段。其存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并且集成全双工串行通信接口。在指令系统方面增设了乘除法、位操作和比较指令。其特点是，片内包括了 8 位的CPU，4KB或 8KB的ROM，128B或 256B的RAM，具有串/并行接口，2 个或 3个 16 位的定时器/计数器，有 5～7 个中断源。片外寻址范围可达 64KB，芯片引脚为 40 个。代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805 系列，TI公司的TMS7000系列，Zilog公司的Z8系列等。
MCS-51系列，Intel公司的高性能 8 位单片机，该系列机有 8051、8031、8751。80C51 系列是其兼容性单片机，与8051系统结构相同，但采用CMOS工艺，对8051做了一些扩充，更有特点，功能更强。这一系列单片机包括了很多品种，如 8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中 8051 是最早最典型的产品，该系列其他单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用 8051 来称呼MCS-51系列单片机，而8031 曾是在我国最流行的单片机。
第四阶段（1983 年至今）：16 位单片机和 8 位高性能单片机并行发展的时代。16 位机的工艺先进，集成度高，内部功能强，运算速度快，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言。其特点是，片内包括了 16 位的CPU，8KB的ROM，232B的RAM，具有串/并行接口，4个16位的定时器/计数器，有8个中断源，具有“看门狗”（Watchdog，WDT），总线控制部件，增加了D/A和A/D转换电路，片外寻址范围可达 64KB。代表产品有Intel公司的MCS-96 系列，Motorola公司的MC68HC16 系列，TI公司的TMS9900 系列，NEC公司的 783 × ×系列和NS公司的HPC16040 等。然而，由于 16 位单片机价格比较贵，销售量不大，大量应用领域需要的是高性能、大容量和多功能的新型 8 位单片机。
近年来出现的 32 位单片机，是单片机的顶级产品，具有较高的运算速度。代表产品有Motorola公司的M68300 系列和Hitachi（日立）公司的SH系列、ARM等。
单片机从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
单片机技术的发展已经由初期逐渐走向成熟。一方面，性能高和数据处理能力更强的16 位机、32 位机发展迅猛；另一方面，8 位单片机的应用范围仍然很广，8 位单片机也不断采用新技术、新工艺，出现了大量性价比高的产品。对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。单片机的发展大致具有如下的特点：
（1）低功耗CMOS化
MCS-51系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。80C51 采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定了其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合于在要求低功耗如电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
（2）微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取器（RAM）、只读存储器（ROM）、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）等。有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上。单片机包含的单元电路越多，功能就越强大。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）较受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
（3）主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有Philips公司的产品，Atmel公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。但在一定的时期内各品种单片机共存于市场的情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
1.单片机的原理
单片机系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。所以说，单片机系统是由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础，软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可，单片机系统构成如图 1-3 所示。
图 1-3 单片机系统构成
（1）单片机的硬件系统
单片机往往是在一块集成电路芯片上整合了CPU、程序存储器、数据存储器、输入/输出电路、定时器/计数器、中断控制器等多种功能部件。典型单片机的基本结构如下图 1-4 所示。
图 1-4 典型单片机基本结构
· 微处理器（CPU） ：用于执行程序，以实现对数据及信息进行处理。CPU还用于实现对整个系统进行控制，它的性能决定了整个单片机的基本性能指标。
· 存储器 ：包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。存储器用于存放程序和数据。
· 输入/输出（I/O） ：该接口用于实现单片机与外部设备的连接，使单片机可以和外部设备实现数据交换。
· 总线： 总线用来传递信息的一组导线，是为CPU和其他部件之间提供的数据，地址和控制信息的传输通道。一般情况下，单片机包含 3 种不同功能的总线：地址总线（Address Bus，AB）、数据总线（Data Bus，DB）和控制总线（Control Bus，CB）。
地址总线信息由CPU发出，是单向的。地址总线输出的地址是用于确定CPU要与哪个内存单元进行信息交换。地址总线的位数决定了CPU可以寻址的内存范围。如MCS-51系列单片机具有16根地址总线A0～A15，因此它的寻址范围为2 16 =64K字节。
数据总线用于传送数据信息。由于数据既可以由CPU传送到单片机其他部件，也可以由其他部件传送到CPU，因此数据总线是双向的。数据总线的位数表明了单片机处理数据的宽度（即字长）。
控制总线用于传送控制信号，它也是双向的。一种由CPU发送到单片机其他功能模块，如读信号、写信号和中断响应等；另一种则是发送到CPU的控制信号，如时钟、中断请求等。采用总线结构时的单片机系统各功能部件之间的关系变为各部件同各种总线的单一关系，从而使得单片机系统结构大大简化。
随着科技的飞速发展，单片机的集成度日益增高，在原来集成的规模上，现在的单片机往往还集成了DMA控制器、锁相环、频率发生器、全双工口，加密系统、看门狗等。这些都使得单片机的功能变得更加强大，使得单片机成为自动控制领域里应用最广泛、使用最为方便的计算机。
（2）单片机的软件系统
系统软件：单片机的系统软件是由软件技术人员开发的，确保系统运行和用户使用单片机的一类程序，它主要包括操作系统、编译系统、诊断程序等。
应用软件：应用软件是用户利用不同编程语言编写的，为解决实际问题而编写的程序。
程序设计语言：也称为编程语言，大致分为机器语言、汇编语言和高级语言 3 类。
（1）机器语言是机器能直接识别的二进制指令代码编写的集合。
（2）汇编语言在机器语言的基础上，用反映指令的特征和功能的助记符代替机器指令，编程人员容易记忆和使用，指令与机器码一一对应。
（3）高级语言为方便用户，应使编程语言更接近于实际问题，即不需全面了解机器，而是考虑要解决的问题，这就是面向问题的语言，如BASIC、FORTRAN、PASCAL等，这些语言易学，易掌握，通用性强。但需要机器中有将高级语言翻译成机器语言、让各类机器识别的编译程序。
2.单片机的特点
单片机与微型计算机相比较，其特点主要表现在以下几个方面：
（1）单片机长寿命。这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以 386、486、586 为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰局，而传统的单片机如 68HC05、8051 等年龄已有 20 多岁，至今仍然是有市场的。一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。
（2）8 位、16 位、32 位单片机共同发展。这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以 8 位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机应用得到了长足发展。而且单片机的处理速度越来越快，即其时钟频率越来越高。
（3）低噪声与高可靠性技术。为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。
（4）单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，非常容易构成各种规模的应用系统。
正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。单片机的应用，打破了人们的传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，通过软件来实现。
单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强、运算速度快、控制灵活、抗干扰能力强、电源电压范围宽等优点，在国民经济建设、军事及家用电器、自动测控系统、智能仪表、机器人等领域均得到了广泛的应用。根据目前的情况，单片机的应用大致可分成以下 5 类。
（1）在智能仪器仪表上的应用
这是国内目前应用单片机最多、最活跃的领域。结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。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。例如精密数字温度计、湿度控制仪、智能流量监测控制仪、便携式流速仪、频率计、智能电度表、智能示波器、智能转速数字显示、黑匣子等。
（2）在工业测控中的应用
单片机I/O线多，位指令丰富，逻辑操作能力强，特别适用于实时控制，既可作单机控制，又可作多级控制的前沿处理机，应用领域相当广泛。用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如汽车工业中的应用（点火控制、反锁、牵引、转向、防盗等方面控制）、液压机的控制、报警系统中的应用、烟叶水份测量仪、水电厂单元微机监控系统、啤酒生产线、汽车生产线、集体供暖锅炉自动控制、数控机床等。
（3）在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，像电子秤、便携式心率监护仪、中频电疗仪、高级玩具、电视机、洗衣机、电冰箱、电磁炉、微波炉、空调、家用防盗报警器等产品中都有单片机的用武之地。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。
（5）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。
此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。综上所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。