單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，是把組成微型計算機的主要功能部件（CPU、RAM、ROM、I/O口、定時/計數器、串行口等）集成在一塊芯片中，構成一個完整的微型計算機。

單片機主要面對測控對象，突出的是控制功能，所以它的芯片內集成了很多面向測控對象的接口電路，如ADC（Analog to Digital Converter，模數轉換器）、DAC（Digital to Analog Converter，數模轉換器）、高速I/O口、PWM（Pulse Width Modulator，脈沖寬度調制器）、WDT（Watch Dog Timer，監視定時器，俗稱“看門狗”）等。這些接口電路已經突破了傳統的微型計算機體系結構，所以單片機也稱MCU（Micro-Controller Unit，微控制器）。

單片機的種類十分廣泛，現在市場上主流的有PIC系列、STM32系列、AVR等等。51系列單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱，它們都是Intel公司1981年制造8位MCU Intel 8051衍生兼容品，其指令集稱為MCS-51。這里以此為例介紹單片機工作原理。

51單片機的通常采用的是40引腳的雙列直插式封裝（Dual In-line Package，DIP），引腳功能的定義如上圖所示。
除去基本的電源引腳，其中：
* VSS：電源引腳，需要接地（GND）。
* XTAL1、XTAL2(External Crystal)：時間引腳，在片內XTAL1是振蕩器反相放大器和時鐘發生器的輸入端，XTAL2是振蕩器反相放大器的輸出。分別外接由兩個電容與晶振的并聯諧振時鐘電路時，XTAL1接外部晶振和微調電容的一端，XTAL2接外部晶振和微調電容的另一端；使用外部時鐘時，XTAL1接地或懸空，XTAL2引腳接外部時鐘的輸入。
* RST(Reset)：復位引腳，出現持續兩個機器周期的高電平將導致單片機復位。
* ALE/PROG(Address Latch Enable/)：作ALE，為地址鎖存允許控制，用于在訪問外部存儲器時鎖存P0口輸出的低8位地址，脈沖的頻率大約為振蕩器頻率的1/6。作PROG，當內部程序存儲器（EPROM）編程時，由此輸入編程脈沖信號。
* PSEN(Programme Store Enable)：外部程序存儲器選通信號。
* EA/Vpp(External Enable)：作EA功能，為外部程序存儲器使能信號，低電平時，只能訪問外部程序存儲器。作Vpp，對EPROM編程時，用以施加編程電壓。
* P0、P1、P2、P3：四個并行I/O口，每并行口8個引腳。

51單片機的32個I/O引腳，組成P0~P3四個8位的并行雙向I/O口，內部的**特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）**P0~P3分別是它們的端口鎖存器，此外每個口還分別包含一個輸出驅動器和輸入緩沖器。四個并行口可以按字節操作，也可以按位操作。

可作一般I/O口使用，應用系統采用外部總線結構時，也可以分時復用作為雙向數據總線（Data Bus）和低8位地址總線（Address Bus）。

上圖為P0口某一位的結構原理圖。

當P0作I/O口時，CPU發出控制信號C=0，封鎖與門，使場效應管V2截至，同時將下面的數據選擇器（Multiplexer，MUX）撥到下方，將鎖存器的Qˉˉˉ端與場效應管（Field Effect Transistor）V1的柵極接通。

輸出數據時，內部總線數據經鎖存器、MUX、V1輸出到引腳；輸入數據后，上下兩個三態輸入緩沖器用以內部的讀操作，分別實現讀引腳和讀鎖存器。

要注意的是，P0口作為I/O口輸出時，由于輸出級為漏極開路電路，需要外接上拉電阻，才能輸出高電平；輸入后讀取數據時，V1導通將輸入的高電平拉為低電平造成誤讀，所以在進行輸入操作前，要先向端口輸出鎖存器寫“1”。

當P0口作地址/數據總線時，CPU發出控制信號C=1。由P0輸出地址/數據信息時，與門打開，MUX將CPU內部地址/數據總線反向后與V1的柵極接通，V1和V2兩個FET管構成推拉式輸出電路，負載能力大大加強；輸入數據時，是由下面的三態輸入緩沖器進入內部數據的。

四個I/O口中功能最簡單，可做一般I/O口使用。其某一位的結構原理圖如下。

其內部已有上拉電阻，可直接輸出高電平，驅動拉電流負載。和P0一樣，端口輸入后讀取數據時，要先向端口輸出鎖存器寫“1”。

可作一般I/O口使用，在應用系統采用外部總線結構時，僅用作高8位地址總線。其某一位的結構原理如下圖：