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由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的处理器发展而来。早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的8080是早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的单片机，直到基于8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和处理器的发展便分道扬镳。
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的单片机甚至可以直接使用的Windows和Linux操作系统。
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