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嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，是嵌入式系统的心脏，与计算机处理器不同的是它只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器一般具备以下 4个特点：
①对实时、多任务有强大的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间降到最低限度。
②具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计出强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
③可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
④嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式无线及移动通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。
常见的嵌入式微处理器主要有ARM系列处理器、DSP56300 系列处理器、TMS320 系列处理器、龙芯系列处理器等。
ARM（Advanced RISC Machines）既是一家公司的名称，又是一类微处理器的通称，也是一种技术的名称。ARM公司是微处理器行业的知名企业，设计了大量高性能、价廉、低功耗的RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）芯片，并开发了相关技术和软件。ARM处理器具有高性能、低成本和低功耗的特点，广泛应用于嵌入式系统。
ARM的设计实现了小体积、高性能的结构。由于使用精简指令，使得ARM处理器的内核非常小，功耗也非常低。ARM体系结构的主要特点如下：
①统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。
②简单的寻址模式（只有 2~3 种），所有加载/存储的地址只由寄存器的内容和指令域确定。
③使用单周期指令，便于流水线操作。
④数据的处理只对寄存器操作，而不直接对存储器操作，提高了指令执行的效率。
⑤在一条数据处理指令中同时完成算术逻辑处理和移位器处理，实现对ALU和移位器的最大利用。
⑥自动地址增减寻址模式实现了程序循环优化。
⑦对寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量。
⑧所有指令的条件执行实现了程序快速跳转。
目前，ARM公司前期推出的ARM处理器主要有 6 个产品系列，即ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10E，ARM11 和SecurCore，但ARM公司将经典处理器ARM11 之后的产品命名为Cortex，并分成A，R和M 3类，旨在为各种不同的市场提供服务。其中，ARM Cortex-A系列是基于v7A的面向复杂应用的处理器核，ARM Cortex-R系列是基于v7R的面向实时应用的处理器核，ARM Cortex-M系列是基于v7M的面向低成本的微控制核。ARM系列处理器内核特征比较如图1.3 所示。
图1.3 ARM系列处理器内核特征比较
尽管ARM内核的嵌入式微处理器占据了约 80%的嵌入式系统的市场份额，但嵌入式系统的特点决定了需要多样化的处理器来满足不同用户的需求。除了ARM微处理器，还有其他类型的嵌入式微处理器用于不同的领域。在嵌入式系统的发展进程中，它们与ARM处理器相互借鉴，取长补短，形成了鲜明的个性和特点。
MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是指无内部互锁流水级的微处理器，其机制是利用软件方法来避免流水线中的数据处理问题。MIPS既是处理器架构的名称，也是开发该处理器公司的名称。例如，中国龙芯处理器采用的就是基于 64 位MIPS指令架构。
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。DSP处理器主要用于数字滤波、FFT、谱分析、信号处理等方面。
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320 系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320 系列处理器包括用于控制的C2000 系列，移动通信的C5000 系列，以及性能更高的C6000 和C8000 系列。DSP56000 目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200 和DSP56300 等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A. L系列DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。
SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产效率。
由于SoC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SoC产品是PHILIPS的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。
龙芯系列微处理器是中国科学院计算所自主研发的处理器，采用自主LoongISA指令系统，兼容MIPS指令。2002 年 8 月 10 日诞生的“龙芯一号”是我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。龙芯从2001 年至今共开发了 1 号、2 号、3 号共3 个系列处理器和龙芯桥片系列，在政企、安全、金融、能源等应用场景得到了广泛的应用。龙芯 1 号系列为 32 位低功耗、低成本处理器，主要面向低端嵌入式和专用应用领域；龙芯 2 号系列为 64 位低功耗单核或双核系列处理器，主要面向工控和终端等领域；龙芯 3 号系列为 64 位多核系列处理器，主要面向桌面和服务器等领域。
嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、硬件电路、嵌入式操作系统及应用软件等组成，嵌入式微处理器的选择是核心，要考虑很多因素，包括硬件接口、操作系统、配套的开发工具、仿真器、技术支持、应用领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。选择微处理器应主要从以下几个方面考虑。
对于嵌入式系统，性能一旦定制下来，其所在的应用领域也随之确定。应用领域的确定可以缩小选型的范围，例如，工业控制领域产品的工作条件通常比较苛刻，因此对芯片的工作温度通常是宽温的，这样就得选择工业级的芯片，民用级的芯片就被排除在外。目前，比较常见的应用领域有航天航空、通信、计算机、工业控制、医疗系统、消费电子、汽车电子等。
①芯片内核：嵌入式处理器芯片都是以某一内核为基础设计的，因此离不开内核的基本功能，这些基本功能决定了实现嵌入式系统最终目标的性能。因此嵌入式处理器的选择的首要任务是考虑基于什么架构的内核。对内核的选择取决于许多性能要求，如对指令流水线的要求、指令集的要求、最高时钟频率限制、最低功耗以及低成本要求等。如果使用Windows CE或嵌入式Linux作为操作系统，则应选择具有MMU（Memory Management Unit）的处理器芯片，因为这两个操作系统需要MMU的支持。如果使用uClinux或RT-Linux作为操作系统，则应选择没有MMU的微处理器芯片，因为这两个操作系统是专门针对无MMU的处理器设计的。
②系统时钟：芯片的处理速度与系统时钟相关，时钟系统影响外部总线的速度和外围设备的速度，因此系统时钟选择极为关键，不同的芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟，这种芯片不能同时兼顾处理器时钟和外设时钟。有的芯片提供几个时钟，如处理器时钟、外部总线时钟、低速外设时钟（如UART）和高速外设时钟（如USB）等。
③存储器：很多微处理器芯片内部存储器的容量都不是很大，核心板一般都有外扩存储器。板上存储器的大小是需要考虑的因素之一，包括内置Flash和SRAM的大小，要估计一下程序量和数据量，以选取合适的核心板。
④片上中断定时器：定时器和中断是选择芯片的重要参考因素，合理的外部中断可以提升系统的实时特性。ARM处理器一般带有很多定时器，都可以通过软件方式产生中断，比如：可以通过软件方式配置成上升沿触发、下降沿触发、高电平触发、低电平触发多种中断方式。
⑤扩展接口：接口的多少决定了系统外接资源的多少，大部分微处理器都带有I 2 C、SPI、USB等常见接口。
⑥算法处理能力：微处理器的算法是嵌入式系统确保系统实现性能目标的一个关键因素，随着AI技术的发展，嵌入式系统对算法处理的要求越来越高，要求能够运行诸如深度学习算法的处理器。
⑦功耗：单看“功耗”是一个较为抽象的名词。低功耗的产品既节能又节材，甚至可以减少环境污染，还能增加可靠性，它有如此多的优点，因此低功耗也成了芯片选型时的一个重要指标。
①GPIO引脚：如果系统复杂，则应选择GPIO多的芯片。但值得注意的是，不能光看芯片资料中I/O的总数，在很多芯片中，I/O引脚与其他内置外设复用，所以在设计中要仔细计算实际可用的I/O数量。
②DMA控制器：许多微处理器集成有DMA（Direct Memory Access）控制器，用于和外设（如网络、IDE等）进行高速通信，以减少数据交换占用的CPU时间。
③串行总线接口：许多微处理器具有多种串行总线接口（如SPI，I 2 C，I 2 S，UART，IrDA），这些接口引脚连线少、使用简单、操作方便，很受开发者的欢迎。如果嵌入式系统的外设具有串行总线设备，则应选择具有这些接口的芯片。例如，Cirrus Logic公司的EP9315 就具有SPI，I 2 S，UART和IrDA接口。
④LCD控制器：有些嵌入式处理器内置有LCD控制器，有的甚至内置 64 kB的彩色TFT LCD控制器。在设计手持设备时，选用具有LCD控制器的芯片比较方便。例如，Samsung公司的S3C2410 和Cirrus Logic公司的EP9315 都具有内置的LCD控制器。
⑤网络控制器：很多嵌入式处理器内置有网络控制器，如果打算利用网络接口进行通信，则应该选择具有网络接口的芯片。例如，Cirrus Logic公司的EP9315 就内置了1/10/100 Mbps的以太网控制器。
目前嵌入式处理器的封装主要有QFP，TQFP，PQFP，LQFP，BGA，LBGA等形式，BGA封装芯片面积小，可以减少PCB板的面积，但是制作工艺要求严格，需要多层布线和专业的焊接设备。