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  絕大多數現在的微控制器都是基於馮·諾伊曼結構的,這種結構清楚地定義了嵌入式系統所必需的四個基本部分:一箇中央處理器核心,程式儲存器(只讀儲存器或者快閃記憶體)、資料儲存器(隨機儲存器)、一個或者更多的定時/計數器,還有用來與外圍裝置以及擴充套件資源進行通訊的輸入/輸出埠——所有這些都被整合在單個積體電路晶片上。  說微控制器與通用型中央處理單元晶片不同,是因為前者一般很容易配合最小型的外部支援晶片製成工作計算機。這樣就可以很容易的把微控制器系統植入裝置內部來控制裝置了。近年來為了在指令和資料上使用不同的字寬,並提高處理器線速度,哈佛結構在微控制器(Microcontrollers)和數字訊號處理器也逐漸得到了廣泛的應用。  傳統的微處理器是不允許這麼做的。它要完成微控制器的工作,就必須連線一些其他晶片。比如說,因為晶片上沒有資料儲存器,就必須要新增一些RAM的儲存晶片,雖然所新增儲存器的容量很靈活,但是至少還是要新增。另外還需要新增很多連線來傳遞晶片之間的資料。與以上的情況相比,微控制器的工作則相對獨立,一個典型的微控制器只需要一個時鐘發生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, EPROM)就可以在軟體和晶振下工作了。同時,微控制器具有豐富的輸入輸出裝置,例如模擬數字轉換器、定時器、串列埠,以及其他序列通訊介面,比如IC,序列周邊介面,控制器區域網絡等。通常,這些整合在內部的裝置可以通過特殊的指令來操作。  微控制器時脈頻率通常較同時代的計算機晶片低,但它價格低廉,能夠提供充足的程式儲存器、豐富的片上介面。某些架構的微控制器生產廠商眾多,例如8051系列、Z80系列。一些現代的微控制器支援一些內建的高階程式語言,比如BASIC(培基)語言、C語言、C++等。

  根據匯流排或資料暫存器的寬度,微控制器又分為4位元、8位元、16位元和32位元微控制器。4位微控制器多用於冰箱、洗衣機、微波爐等家電控制中;8位、16位微控制器主要用於一般的控制領域,一般不使用作業系統;32位用於網路操作、多媒體處理等複雜處理的場合,一般要使用嵌入式作業系統。

  微芯(Microchip)的PIC系列出貨量居於業界領導者地位;Atmel的51系列及AVR系列種類眾多,受支援面廣;德州儀器的MSP430系列以低功耗聞名,常用於醫療電子產品及儀器儀表中;瑞薩微控制器在日本使用廣泛。

  微控制器的軟體開發中,以往多使用組合語言,如今越來越多的使用C語言,又或者使用BASIC語言等更適合初學者的語言,部分整合開發環境支援C++。微控制器的軟體測試需要使用微控制器開發器或模擬器。  隨著技術的發展,2000年後已經有很多微控制器自帶了ISP(線上程式設計設計)或支援IAP,徹底地改變了傳統的開發模式,使得開發微控制器系統時不會損壞晶片的引腳,加速了產品的上市並降低了研發成本,縮短了從設計、製造到現場除錯的時間,簡化了生產流程,大大提高了工作效率。這類微控制器包括AT89S系列微控制器、AVR系列微控制器等。

  開發板可以進一步簡化程式的開發和燒製過程。開發板可能包含實際晶片或是模擬器。通過配套的下載線連線電腦與開發板,在電腦上編寫程式下載到開發板。批量生產會用到程式設計器。

  一些知名的微控制器開發環境有:

  Proteus軟體是初學者入門的首選軟體,它是Labcenter Electronics公司的一款商業版電路設計與模擬軟體。內包括ISIS、ARES等軟體模組。ARES模組主要用來完成PCB的設計,ISIS模組用來完成電路原理圖的布圖與模擬。  Proteus的軟體模擬基於VSM技術,它與其他軟體最大的不同也是最大的優勢就在於能模擬大量的微控制器晶片,比如MCS-51系列、PIC系列等等,甚至ARM處理器,以及微控制器外圍電路,比如鍵盤、LED、LCD等等。該軟體還附帶了一些案例和豐富的幫助檔案。
微控制器,全稱單片微型計算機(英語:single-chip microcomputer),又稱微控制器(英語:microcontroller),是把中央處理器、儲存器、定時/計數器(英語:timer/counter)、各種輸入輸出介面等都整合在一塊積體電路晶片上的微型計算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比,它更強調自供應(不用外接硬體)和節約成本。它的最大優點是體積小,可放在儀表內部,但儲存量小,輸入輸出介面簡單,功能較低。由於其發展非常迅速,舊的微控制器的定義已不能滿足,所以在很多應用場合被稱為範圍更廣的微控制器;由於單晶片微電腦常用於當控制器故又名single chip microcontroller。“單晶片”是臺灣對微控制器的稱呼;中國大陸主要採用“微控制器”的稱呼,英文縮寫為MCU。