微控制器的结构是哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开设置。由于其特殊的结构设计，就使得微控制器的工作原理和应用与一般意义上的微型计算机有所不同，微控制器主要侧重于工业的实际应用。所具有的I/O接口电路、位控制功能和特殊寄存器可进行寻址操作等，为实际应用提供了很大的方便。本节以MCS-80C51为例，介绍微控制器的工作原理和结构。

MCS-80C51微控制器的结构如图2-1所示。它的内部由如下8个主要部分组成：

1）8位微处理器（CPU）；

2）4KB的片内程序存储器（ROM）；

3）128B数据存储器（RAM）；

4）21个特殊功能寄存器（SFR）；

5）2个16位定时器/计数器；

6）1个全双工串行通信接口；

7）4个8位输入/输出接口；

8）5个中断源。

（1）中央处理器（CPU）MCS-80C51微控制器以中央处理器（CPU）为核心，由运算器和控制器组成。

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图2-1 微控制器内部结构框图

1）运算器：运算器以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器A、程序状态字（PSW）寄存器、寄存器B等部件。ALU在控制器的作用下，进行各种算术运算和逻辑运算，如加法、减法、加1、减1等操作。

2）控制器：控制器包括程序计数器（PC）、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定时电路及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号，控制微控制器各部分的运行。PC是一个16位计数器，具有自动加1功能。CPU每执行一条指令，则PC自动加1，并指向要执行的下一条指令的地址，最大寻址范围为64KB。可以通过控制转移指令改变PC值，实现程序的转移。MCS-80C51的CPU是专门面向数据采集、测量和面向工业控制，并具有嵌入式应用特点而设计的、有很强控制功能的指令系统。

（2）程序存储器（ROM）MCS-80C51微控制器片内只读存储器（ROM）用作程序存储器，用于存放已编好的程序、数据表格等。

（3）数据存储器（RAM）片内读/写存储器又称随机存取存储器（RAM），可用于存放输入、输出数据和中间计算结果，同时还作为数据堆栈区。当存储器的容量不够时，可以外部扩展，数据存储器（RAM）的寻址范围为00H～7FH。

（4）特殊功能寄存器（SFR）SFR位于80H～FFH中，是微控制器的重要控制、指挥单元。CPU对所有片内功能单元的操作、控制都是通过对SFR访问实现的。

（5）定时器/计数器MCS-80C51有两个16位定时器/计数器，分别为T0和T1。定时器/计数器可以作为内部定时器或外部脉冲计数器使用。作为内部定时器时，是靠对时钟振荡器的12分频脉冲计数方式实现定时的；作为计数器时，外部脉冲通过引脚T0（P3.4）、T1（P3.5）输入。

（6）串行通信接口MCS-80C51的串行通信接口是一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）。因此，MCS-80C51的串行通信接口不仅可用作串行通信，还可以用于移位寄存器方式的串行外部扩展。

（7）输入/输出（I/O）接口MCS-80C51有4个8位I/O接口，分别为P0、P1、P2、P3口，均可以并行I/O 8位数据。

（8）中断源MCS-80C51的中断系统中有5个中断源，即2个外部中断源、2个定时器/计数器T0、T1溢出中断源和1个串行通信发送/接收完毕的中断源。5个中断源有高级、低级两种优先状态。