絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機(jī)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種有單片機(jī)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器(只讀存儲(chǔ)器或者閃存)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來(lái)與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。

單片機(jī)與通用型中央處理單元芯片不同，是因?yàn)榍罢咭话愫苋菀着浜献钚⌒偷耐獠恐С中酒�制成工作�?jì)算機(jī)。這樣就可以很容易的把單片機(jī)系統(tǒng)植入裝置內(nèi)部來(lái)控制裝置了。近年來(lái)為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結(jié)構(gòu)在微控制器(Microcontrollers)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。它要完成單片機(jī)的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說(shuō)，因?yàn)樾酒�上沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，就必須要添加一些RAM的存儲(chǔ)芯片，雖然所添加存儲(chǔ)器的容量很靈活，但是至少還是要添加。另外還需要添加很多連線來(lái)傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。與以上的情況相比，單片機(jī)的工作則相對(duì)獨(dú)立，一個(gè)典型的微控制器只需要一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, E2PROM)就可以在軟件和晶振下工作了。同時(shí)，微控制器具有豐富的輸入輸出設(shè)備，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，定時(shí)器，串口，以及其他串行通訊接口，比如I2C，SPI(串行周邊接口)，CAN(控制器局域網(wǎng))等。通常，這些集成在內(nèi)部的設(shè)備可以通過(guò)特殊的指令來(lái)操作。

單片機(jī)時(shí)鐘頻率通常較同時(shí)代的計(jì)算機(jī)芯片低，但它價(jià)格低廉，能夠提供充足的程序存儲(chǔ)器、豐富的片上接口。某些架構(gòu)的單片機(jī)生產(chǎn)廠商眾多，例如8051系列、Z80系列。一些現(xiàn)代的微控制器支持一些內(nèi)建的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如BASIC語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等。

根據(jù)總線或資料暫存器的寬度，單片機(jī)又分為4位元、8位元、16位元和32位元單片機(jī)。4位單片機(jī)多用于冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等家電控制中;8位、16位單片機(jī)主要用于一般的控制領(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng);32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場(chǎng)合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。

微芯公司的PIC系列出貨量居于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者地位；Atmel的51系列及AVR系列種類眾多，受支持面廣；德州儀器的MSP430系列以低功耗聞名，常用于醫(yī)療電子產(chǎn)品及儀器儀表中；瑞薩單片機(jī)在日本使用廣泛。

單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)中，以往多使用匯編語(yǔ)言，如今越來(lái)越多的使用C語(yǔ)言，又或者使用BASIC語(yǔ)言等更適合初學(xué)者的語(yǔ)言，部分集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持C++。單片機(jī)的軟件測(cè)試需要使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)器或模擬器。

隨著技術(shù)的發(fā)展，2000年后已經(jīng)有很多單片機(jī)自帶了ISP(在線編程設(shè)計(jì))或支持IAP，徹底地改變了傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，使得開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)不會(huì)損壞芯片的引腳，加速了產(chǎn)品的上市并降低了研發(fā)成本，縮短了從設(shè)計(jì)、制造到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，大大提高了工作效率。這類單片機(jī)包括AT89S系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)等。

開(kāi)發(fā)板可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)和燒制過(guò)程。開(kāi)發(fā)板可能包含實(shí)際芯片或是仿真器。通過(guò)配套的下載線連接電腦與開(kāi)發(fā)板，在電腦上編寫程序下載到開(kāi)發(fā)板。批量生產(chǎn)會(huì)用到編程器。

  一些知名的微控制器開(kāi)發(fā)環(huán)境有：

微芯公司的 MPLAB IDE 可用于該公司全系列微控制器的開(kāi)發(fā)與除錯(cuò)，除支持該公司的 ASM 組譯器 C 語(yǔ)言編譯器外，也支援許多第三方的編譯器。

ARM 公司的 μVision 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(原為 Keil 公司產(chǎn)品，2005年該公司已由 ARM 購(gòu)并)，包含組譯器與 C 編譯器，可用于51單片機(jī)及ARM開(kāi)發(fā)。

Proteus軟件是初學(xué)者入門的首選軟件，它是Labcenter Electronics公司的一款商業(yè)版電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。內(nèi)包括ISIS、ARES等軟件模塊。ARES模塊主要用來(lái)完成PCB的設(shè)計(jì)，ISIS模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。

Proteus的軟件仿真基于VSM技術(shù)，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢(shì)就在于能仿真大量的單片機(jī)芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，甚至ARM處理器，以及單片機(jī)外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等等。該軟件還附帶了一些案例和豐富的幫助文件。