單片機是指集成在壹個芯片上的完整的計算機系統。雖然它的大部分功能都集成在壹個小小的芯片上，但它擁有壹臺完整計算機所需的大部分部件:CPU、內存、內外總線系統，目前大部分都會有外存儲器。同時集成了通信接口、定時器、實時時鐘等外圍設備。現在最強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡以及復雜的輸入輸出系統集成在壹個芯片上。
單片機因為最早用於工業控制領域，所以也被稱為微控制器。單片機是由芯片中只有CPU的專用處理器發展而來的。最早的設計理念是將大量的外圍設備和CPU集成到壹個芯片上，使計算機系統更小，更容易集成到復雜嚴格的控制設備中。英特爾的Z80是第壹款根據這壹想法設計的處理器。從此，單片機和專用處理器的發展分道揚鑣。
早期的單片機都是8位或者4位的。最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠，性能好，獲得了極大的好評。此後，在8031上開發了MCS51系列單片機系統。基於該系統的單片機系統至今仍被廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，出現了16位單片機，但由於性價比不理想，壹直沒有得到廣泛應用。隨著90年代以後消費電子產品的大發展，單片機技術有了很大的提高。隨著INTEL i960系列尤其是後來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代了16位單片機的高端地位，進入主流市場。傳統8位單片機的性能也得到快速提升，處理能力較上世紀80年代提升了數百倍，目前高端32位單片機的主頻已經超過300MHz，性能正在趕超90年代中期的專用處理器，而普通型號的出廠價已經降至1美元，最高端型號僅為10美元。當代的單片機系統不再僅僅是在裸機環境下開發和使用，大量的專用嵌入式操作系統被廣泛應用於所有系列的單片機中。在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機中，甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。
單片機比專用處理器更適合於嵌入式系統，因此得到了最多的應用。事實上，單片機是世界上數量最多的計算機。現代人類生活中使用的幾乎每壹種電子和機械產品都將集成有單片微型計算機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦、鼠標都配有1-2單片機。而且個人電腦裏會有很多單片機在工作。汽車壹般配備40多臺單片機，在復雜的工業控制系統中甚至可能有上百臺單片機同時工作！單片機的數量不僅遠遠超過了PC和其他計算的總和，也超過了人類的數量。