单片机类属集成块(简称IC，又称芯片)，已广泛用于工业控制领域，其特点是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器(CPU)、时钟电路、随机存储器( RAM)只读存储器(ROM)、I/O(输入/输出)接口电路、中断系统定时/计时 器(CTC)等电路集成到一块硅片上，构成了一个完整的微型计算机系统(所以单片机又被称作微控制器)，如图1所示。

       随着集成电路技术的发展，单片机的功能也越来越强大，部分单片机还集成有显示驱动、脉宽调制、D/A与A/D转换等电路。按照单片机内部CPU能够处理的二进制数据位数(即在一次运算中参与运算的数据长度，又称单片机的“字长”)，单片机已从上世纪80年代初的4位发展到了最新的64位。位数越高，意味着单片机内部电路越复杂，能够开发的功能越多，性能越好，例如在物联网中广泛采用的STM32F103x8或sTM32F103XB系列单片机(闪存容量分别头64kB和128kB )均是基于ARM内核的32位中等容量增强型单片机，其功能如图2所示。


        与普通芯片一样，单片机内部许多电路只有与外围电路相连接，才能完成相应功能，如何实玛这种连接呢?在制造芯片时，先用光刻机将芯片内部电路“刻”在-块面积很小的晶圆上，然后用金属细线将相关端口与引脚相连，从而建立起芯片内外相连的通道，如图3所示。


        由此可见，引脚是芯片内外电路连接的“桥梁”，其数量取决于芯片内部的电路结构与功能，下面仍以图2所示单片机为例进行说明。若要实现图2所示功能，则须在芯片内部集成有对应的电路，按照这些电路的作用分类，可分为核心电路、功能电路与通信电路三大类，其具体名称、功能与端口特点见表1。


        核心电路是单片机正常工作的必备电路，好比修建房屋时的基础工程，具体包括ARM内核、存储器、时钟、复位、电源管理等电路，共需13个引脚;功能电路的主要作用是定时、计数及数据的输入、输出传输控制，好比修建房屋时的主体工程，具体包括低功耗控制ADC、GPIO、TIME等电路，共需119个引脚(仅GPIO电路就需80个引脚);通讯电路是单片机与外部芯片或模块之间的数据交换电路，好比修建房屋时的水电工程，具体包括PC、USART、SPI等电路，共需33个引脚。
         将上述各部分电路所需引脚数相加，得到该系列单片机引脚数为170。如采用四边伸出引脚的封装方式，每边约有43个引脚，若按一个引脚宽为0.5mm(含引脚间距)计算，则该芯片的长宽尺寸约为22mmx22mm，与当今的微型化芯片相比，其外形尺寸明显偏大。同时，芯片的引脚越多，其印制线路(PCB)也就越复杂，设计、焊接、调试和检测的难度也就越大，这必然会影响芯片的推广与市场占用率。若要让单片机微型化，同时降低其开发使用难度，最有效的办法是尽可能减少引脚数量，但减少引脚数量会直接影响单片机的功能，如何解决这一矛盾呢?
         方法只有两个:一是功能弃用，二是引脚功能复用。前者是指设计人员根据单片机的应用环境及引脚功能的重要程度，舍弃一些不常用的功能接口，从而减少引脚数量，例如在采用48脚封装(LQFP48)的STM32F103C系列单片机中，GPIO电路只保留了PA0~PA15、PB0 ~PB15、PC13 ~PC15、PD0、PD1共37个引脚(其他GPIO端口没.有伸出引脚)，能满足大多数应用环境下的I/O口的数量需求，如图4所示。


          如果仅采用功能弃用法，芯片引脚的减少量仍有限，因为单片机的许多功能无法弃用，其相关引脚也必须保留，如电源、时钟、复位、通讯等电路。这时可采用引脚功能复用，即让同一个引脚具有多个功能，实际所用功能由程序决定，并可由程序实时自动切换。例如:STM32F103C系列单片机的③脚既是GPIO接口中的PC14端，又是与外部低频晶振相连的OSC32_ IN端，如果③脚上连接有32.768kHz晶振，并且在程序上将③脚功能设置为RTC(实时时钟)，则此时③脚的功能为32.768kHz晶振输入端，I/O功能无效;如果③脚未接晶振，并且在程序上将③脚功能设置为GPI-O，则此时③脚的功能为I/O口PC14。
         另外，在单片机中，除引脚功能复用外，部分GPIO引脚的功能还可以重定义。所谓“重定义”是指在实际使用中，当某一引脚功能(含复用功能)与程序出现冲突时，可通过程序把这一功能接口切换到另一个不同的引脚(GPIO接口)上。例如:STM32F103C系列单片机的32脚具有CAN_TX功能，如果在实际使用中出现冲突，则可通过“重定义”将CAN_TX功能切换到⑤脚上。
         提示:普通集成块的引脚功能固定，而单片机的部分引脚功能与工作模式均可通过程序设定。为了区分这一特点，通常将单片机的引脚功能称作“引脚定义”。
         在STM32F103C系列单片机中，37个GPIO引脚功能复用，18个GPIO引脚功能可以重定义，用48个引脚承载了原本需100多个引脚才能承载的功能，使得芯片的外形尺寸大幅减小，实测该系列单片机的长宽高为7mmX7mmX1.4mm。