單片機，又被稱為“單片控制器”，是一個計算機系統的“承載”和“集成”，它不是完成某一個邏輯功能的芯片。
單片機（Single-Chip Microcomputer）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。。
自20世紀70年代誕生以來，單片機已經從最原始的4位單片機、8位單片機發展到了現階段的300M高速單片機。單片機控制技術廣泛應用在各行各業內，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等，例如在農業中蔬菜種植的過程中，利用單片機進行大棚溫控系統，通過使用太陽能資源，實現溫度的智能化調節，從而降低種植成本。
發展歷史
探索
在20世紀70年代，美國Fairchild公司率先推出了第一款單片機，F8它只包含了中央處理器、64K位的RAM以及2個并行口還需外接具有ROM定時/計數器和并行口的芯片。隨后到了1976年，英特爾公司研發出了第一款8位單片機MCS-48，它集成了CPU、RAM、ROM和I/O端口。自此世界上第一個真正意義上的的8位單片機誕生并推向市場。在當時，這款單片機以較小的體積、強大的功能以及其實惠的價格在市場上迅速火爆起來。同時，在MCS-48成功的前提下，Motorola、Rokwell等其他公司也開始了單片機的研發與探索，這為后續單片機的發展奠定了基礎。
體系結構完善
20世紀80年代，此時各家科技公司在單片機研發上都取得了突破性的進展，英特爾的MCS-51單片機、Motorola的6801和6802系列、Rokwell的6501和6052系列的推出進一步擴大了單片機的市場。MCS-51系列單片機的推出，標志著單片機的發展進入了體系結構的完善階段。此外，MCS-51系列單片機還在以下兩方面確定了典型的通用總線型單片機的體系結構。
(1）完善的總線結構
采用16位的外部并行地址總線可對外部64KB的存儲和據存儲器空間進行尋址;還有8位數據總線及相應的控制總線，形成完整的并行三總線結構;同時還提供了多機通信功能的串行I/O口。
(2）完善的指令系統
增加了大量的位操作指令與片內的位地址空間構成了單片機所獨有的布爾邏輯操作系統，增強了單片機的位操作控制功能;還增加了許多條件跳轉指令和無條件跳轉指令，從而增強了指令系統的控制功能。在單片機的片內設置了特殊功能寄存器SFR，方便外圍功能電路的集中管理。
SCMC過度到MCU
許多廠商在不斷完善高檔8位單片機進其結構的同時，也在手開發16位及專用單片機。
1982年，以英特爾研發的MCS-96為代表的16位單片機在市場嶄露頭角。相比于8位單片機，16位單片機不僅擁有更寬的帶寬，ROM和RAM的容量也更大，在進行8位以上的數據處理時，其效率可以達到8位單片機的2倍。同時在外設方面也做了更多的拓展和升級。
20世紀90年代，Microchip(微星)公司推出PIC系列單片機，該系列單片機采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）結構的嵌入式微控制器。該系列單片機只有33條指令集，相比較于英特爾的MSC-51單片機的111條系統指令，PIC系列單片機更加簡單、易用。
1990年，Intel公司推出了32位單片機80960。相比于16位單片機，32位單片機在性能方面又得到了巨大的提升，單片機的應用范圍進一步擴大。
MCU百花齊放
現階段是單片機的百花齊放階段，在工業控制領域中普遍采用單片機及技術進行智能化控制。小到玩具、家電行業，大到車載/艦船電子系統、計量測試、工業過程控制、機械電子、金融電子、商用電子、辦公自動化、工業機器人以及航空航天領域都有單片機的蹤跡。此外，在現階段為滿足不同的應用要求，出現了高速、大尋址范圍、強運算能力和多機通信能力的8位16位、32位通用型單片機，小型廉價外圍系統集成的專用型單片機以及其他各具特色的現代單片機。
結構及原理
結構組成
單片機由中央處理器、存儲器、定時/計數器、輸入輸出接口、中斷控制系統和晶體振動電路六部分組成。
工作原理
單片機是以計算機應用技術為基礎、將信息集成或壓縮于芯片，因此又被稱作單片微控制器。其結構主要分為控制器、存儲器及運算器3部分。
控制器的主要作用是管理內存中的指令，是整個單片機技術的核心，對主系統的運行起到至關重要的作用。單片機主要由控制器開展工作。存儲器一般是由定時控制邏輯電路、譯碼器、程序計數器PC、地址指針等組成。運算器是對數據進行運算分析的部件，核心是ALU，能夠保證系統順利完成邏輯運算。單片機集成電路主要涉及CPU、RAM及各類驅動器等，在保證集成電路正常運行的同時完善數據信息的讀取和分析，轉換器將其進行有效組合，信息和數據被充分轉換，從而保證有效信息的信號能夠被準確識別。
單片機的工作過程實質就是執行程序的過程，即逐條執行指令的過程。計算機每執行條指令都可分為3個階段進行，即取指令-分析指令-執行指令。
取指令階段的任務是根據程序計數器PC中的值從程序存儲器出現行指令送到指令寄存器。分析指令階段的任務是:將指令寄存器中的指令操作碼取出后進行譯碼，分析該指令要求實現的操作性質，如執行傳送還是加、減等操作。
執行指令階段的任務是取出操作數，然后按照操作碼的性質對操作數進行操作。
軟件編程
編程語言
由助記符指令及的指令等編寫的程序稱為匯編語言，也稱為符號語言，容易被人們識別、記憶和談寫，但CPU不能直接識別。將匯編語言程序轉換成為二進制代碼表示的機器語言程序后CPU才能識別，這個轉換過程就稱為匯編，一般由專門的匯編程序完成。
編程步驟
擬定設計任務書
這一步就是要明確設計任務、功能要求及技術指標，對系統的硬件資源和工作環境進行分析。
建立數學模型并確定算法
確定算法就是在全面準確分析程序設計任務之后，具體地選定解決問題的算法。對同個問題，可以有多種不同的算法，設計者要分析各種不同的算法，從中選擇一種最佳算法。
繪制流程圖
程序流程圖設計，是將算法轉化為具體程序的一個準備過程。
編寫源程序
用匯編語言把流程圖表明的步驟或過程描述出來。在編寫源程序之前，應合理地選擇和分配內存單元和工作寄存器。
源程序的匯編與調試
匯編就是將編寫好的源程序翻譯為計算機所能識別并執行的機器語言程序，即目標程序。
最后再進行系統軟件的整體起行、測試與總結歸納。
產品優缺點
優點
單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。
可靠性強
即使單片機處于長時間的工作也不會存在故障問題，而且芯片是按照工業測控環境要求設計的，其抗工業聲干擾能力優于一般通用的CPU；程序指令、常數、表格固化在芯片內ROM中不易被破壞；許多信號通道均在一個芯片內。
易擴展
芯片外部有許多擴展用的總線及并行、申行輸人/輸出管腳可方便地構成各種規模的單片機應用系統。
控制功能強
為了滿足工業控制的要求單片機指令系統中有豐富的指令，包括數據傳輸指令、算術運算指令邏輯運算指令、控制轉移指令及位操作指令。一般來說，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微處理器。
缺點
外圍功能
拓展的功能比如EEPROM、AD、PWM等，都有可能提高了單片機開發工程師的編程難度。
數據處理速度
在雙數據信息表的運行過程中，運作的速度會比較慢。
輸出功能
I/O接口口在有電阻的過程中，無法進行輸出。
常見單片機系列
STM32
STM32是由ST（意法半導體）公司設計的微控制器，具有高性能、低成本、低功耗的特點。STM32系列成員眾多，按其性能可分為入門型（F0系列），基礎型（F1系列），增強型（F3系列），高性能型（F4，F7等）。按內核的不同分為Cortex-M0（F0系列），Cortex-M3（F1、F3系列），Cortex-M4（F4系列）等。由于采用先進的芯片架構，STM32單片機系列在功耗和性能方面找到了合適的平衡點，主流版本的STM單片機基本時鐘頻率為36MHz，最大可達72MHz。STM32系列單片機包含豐富的外設和接口，最多可達112個高速的I/O接口，同時具備多通道、高精度A/D和D/A轉換器，I2C、SPI、USART通信接口以及完備的中斷控制系統等。在性能方面STM32已經完全滿足了日常的學習和生產需求，其豐富的產品線給予了學者和技術人員更多的選擇，同時也是STM32在單片機市場占據一席之地的重要原因。
51系列單片機
51系列單片機最早有英特爾公司推出，主要有8031系列，8051系列。后來ATMEL公司以8051的內核為基礎推出了AT89系列單片機。它廣泛應用于工業測控系統之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內將占有大量市場。8051共有40條引腳，其中，12腳和31腳均與單片機的存儲器控制有關，引腳16和17分別與外RAM寫選通信號和讀選通信號輸出端。MCS-51系列單片機的存儲器配置方式采用哈佛結構，因此分為數據存儲器和程序存儲器，內數據寄存器共256B，其中低128字節為RAM空間，可分為工作寄存器區，位尋址區和數據緩沖區，高128字節為特殊功能寄存器(SFR)。
MCS-51單片機的邏輯部件，包括一個8為CPU及片內振蕩器、80514B掩膜ROM、87514KB EPROM、8031無ROM、特殊功能寄存器SFR128B RAM、定時器/計數器T0及T1、并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；串口調試軟件：TXD、RXD；中斷系統：INT0，INT1。
ARM＆AVR
ARM&AVR是一種功能較強的芯片，處理能力更強。但無法在沒有周邊器件的情況下單獨完成既定功能AVR單片機也是ATMEL公司的產品，最早的就是AT90系列單片機，現在很多AT90單片機都轉型為Atmega系列和AtTIny系列，AVR單片機最大的特點是精簡指令型單片機，執行速度，在相同的振蕩頻率下是8位MCU中最快的一種單片機。
STC52
STC89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。該單片機功耗低，控制性能好，使用靈活、易擴展。它幾乎兼容80C51所有型號的指令和引腳功能。它采用模塊化設計思想，通過擴展可配置寄存器單元（SDRAM），實現了各種功能；通過優化I/O接口電路結構，降低功耗。配備8K字節閃存存儲，RAM256字節存儲空間、32個I/0端口、定時器/計數器、外部中斷、UART串口等外設。
STC單片機
STC公司(宏晶科技)的單片機主要是基于851內核，是新一代增強型單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，速度比傳統8051快8~12倍，帶ADC，4路PWM，雙串口，有全球唯一ID號，加密性好，抗干擾強。
PIC單片機
PIC系列單片機是Microchip公司的產品，其突出的特點是體積小，功耗低，精簡指令集抗干擾性好，可靠性高，有較強的模擬接口，代碼保密性好，大部分芯片有其兼容的Flash程序存儲器芯片。
產品對比
Arduino和單片機都是用于控制汽車傳感器的工具，但它們在設計、編程和使用上存在一些區別。
應用領域
單片機憑借著低功耗、控制功能強、可靠性高等顯著優點，成為當前社會科技領域的實用工具，也是人們生活的得力助手。應用其領域也一直在擴大，不論是在高科技高精尖技術領域，還是小眾低端的設計領域，都能見到單片機的身影。比如我們最常用的冰箱、電飯煲、空調、液晶電視等家電，醫療領域的電子溫度計、各種分析儀、呼吸機、超聲波儀器等，無線通信領域中的手機、電腦、對講機、路由器等，無一離不開單片機的使用。
交通工具
例如汽車中的發動機控制器，基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器、GPS導航系統、abs防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。發生交通事故時，當事人由于傷勢過重可能無法報警，由此開發出了一系列智能報警系統。車禍發生后，安全氣囊彈出，傳感器被觸發，隨后信號會被激活并被傳至單片機的內部，單片機開始工作，同時將工作指令下達至報警器，報警器接收到工作指令后，再發送至遠端數據中心，數據中心接收到信號后，將立刻展開救援。
醫療器械
如果在醫療器械中嵌入單片機，就能對醫療器械的內部數據進行有效采集、分析和處理，保證技術人員、醫務人員能夠通過醫療數據有序開展醫務工作，提高醫療水平。此外，在現代醫療行業轉型升級過程中，醫療機構檔案管理也顯得尤為重要。醫療機構檔案管理不僅涉及各項檔案的簡單保管，還可以通過分析醫院檔案、醫院資料、醫療檔案、病例檔案等為當前及未來各項工作提供豐富的經驗參考。借助單片機，醫療單位在開展檔案管理的過程中就能實現檔案管理的數字化和檔案管理的信息化，推動檔案管理質量提高，保證醫療檔案功能發揮。
通信系統
單片機是手機處理語音的一個重要組成部分，手機內部有嵌入式語音識別系統，能夠首先對語音信號進行采集，再通過A/D模塊進行語音信息的轉換。在完成轉換過程后，會將信息輸送到控制器，通過電子計算機內部的特殊算法建立一個標準語音庫，再將生成的語音信息儲存在計算機中
發展趨勢
單片機被廣泛使用于汽車、家電、現代工廠自動化等領域，加上單片機市場市場供貨緊張，中國的市場環境和政策都在鼓勵這類高科技產品的發展，雖然市場尚未完全成熟，但正因為沒有完全成熟，才有著巨大的市場潛力。總的來說，只要技術過硬，能推出好的產品，從事單片機開發在未來大有可為。
參考資料 >
單片機的組成.搜狐.2023-08-03
arduino和單片機的區別是什么.搜狐.2023-08-03
你知道單片機主要應用在哪些領域嗎？.搜狐.2023-08-03
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