1.2 MCS-51系列单片机的内部结构

MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明。

● 中央处理器：中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

● 数据存储器（RAM）:8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元。它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。所以，用户能使用的RAM只有128个，用于存放读写的数据、运算的中间结果或用户定义的字型表。

● 程序存储器（ROM）:8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序、原始数据或表格。

● 定时/计数器（ROM）:8051有2个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

● 并行输入输出（I/O）口：8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

● 全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

● 中断系统：8051具备较完善的中断功能，有2个外中断、2个定时/计数器中断和1个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

● 时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

MCS-51系列单片机最早的典型代表为8031、8051、8751，其指令系统完全兼容，仅在内部结构和应用特性方面稍有差异。典型MCS-51单片机包含以下功能部件：

● 8位CPU；

● 片内128B RAM（MCS-52子系列有256字节RAM）；

● 片内4KB ROM/EPROM（8051/8751）；

● 特殊功能寄存器区；

● 各拥有2级优先级的5个中断源；

● 4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；

● 2个16位定时/计数器（MCS-52子系列为3个）；

● 全双工串行口；

● 布尔处理器；

● 64KB外部数据存储器地址空间；

● 64KB外部程序存储器地址空间；

● 片内振荡器及时钟电路。

8051片内程序存储器为掩膜ROM，可根据特殊要求和用途，在制造芯片时将专用程序固化进去，成为专用单片机。8031单片机内部没有ROM，使用时需要外接EPROM芯片，其他与8051完全一样。相比之下，8751是片内ROM采用EPROM形式的8051，能方便地改写程序。AT89C51内部为4KB的Flash存储器，允许用户反复烧写，甚至还允许在现场编程（IAP）和在系统编程（ISP）。

MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺：一种是HMOS工艺，即高速度、高密度和短沟道MOS工艺；另一种是CHMOS工艺，CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。在单片机芯片型号中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。

单片机的结构有2种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构；另一种是采用通用计算机广泛使用的，程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

图1-4为MCS-51系列单片机的内部结构示意图。

● 中央处理器：MCS-51单片机的中央处理器由运算器和控制逻辑组成。同时还包括中断系统和部分特殊功能寄存器。

● 存储器：8051/8751单片机中含有ROM/EPROM，而8031中只有数据存储器RAM。

● I/O口：MCS-51单片机有4个并行I/O口（P0、P1、P2、P3），配置了全双工串行口UART,2个16位定时/计数器。

MCS-51内部各个部件都是通过内部单一总线连接而成的，其基本结构仍采用CPU加外围芯片的结构模式，但在功能单元控制上却有了重大的变化，采用了特殊功能寄存器集中控制的方法，为用户编程提供了极大的方便。