1.内部结构

MCS-51单片机的片内结构图如图1-1所示。它主要是将微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上，各组成部分通过片内总线连接而成。

下面对各功能部件做进一步的说明。

图1-1 MCS-51单片机的片内结构图

（1）微处理器（CPU）

在MCS-51单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理字节数据，而且可以进行位变量的处理，例如，位处理、查表、状态检测和中断处理等。

（2）数据存储器（RAM）

片内为128个字节（52子系列为256个字节），片外最多可外扩至64KB，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲及标志位等，故称为数据存储器。128个字节的数据存储器以高速RAM的形式被集成在单片机内，以加快单片机运行的速度，这种结构的RAM还可以降低功耗。

（3）程序存储器（ROM）

程序存储器是用来存放程序代码和表格常数的。在单片机运行过程中，其中的数据一般是不变的。作为单片机程序存储器的是各种类型的ROM，故在单片机应用技术中，多数时候是将ROM和程序存储器作为相同概念的。MCS-51系列单片机的程序存储器被分为片内和片外两部分。不同芯片的片内程序存储器的类型是不完全一样的。受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内只读存储器的容量不够，就需要扩展片外只读存储器。

（4）中断系统

具有5个中断源，2级中断优先权。

（5）定时器/计数器

片内有两个16位的定时器/计数器。在单片机的应用中，往往需要精确定时，或对外部事件进行计数。为提高单片机的实时控制能力，需在单片机内部设置定时器/计数器部件。

（6）串行口

一个全双工的串行口具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

（7）并行I/O端口

MCS-51系列单片机共有4个8位并行I/O端口，可分别记为P0、P1、P2和P3，用于实现数据的并行输入、输出。

（8）特殊功能寄存器（SFR）

SFR共有21个，用于对片内各功能部件进行管理、控制和监视。实际上，这是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由上述可见，MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全、功能强等特点。

2.MCS-51单片机的引脚

掌握MCS-5l单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。在MC5-51系列中，各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制造工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，如图1-2所示。目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的80C51/80C52除采用DIP封装方式外，还采用方形封装方式，为44只引脚，如图1-3所示。

图1-2 MCS-51双列直插封装方式的引脚图

图1-3 MCS-51方形封装方式的引脚图

40只引脚按其功能来分，可分为如下几类。

1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss；XTAL₁、XTAL₂。

2）控制引脚：、ALE、、RESET（即RST）。

3）并行I/O端口引脚：P0、P1、P2和P3，为4个8位并行I/O端口的外部引脚。(www.daowen.com)

下面结合图1-2来介绍各引脚的功能。

（1）电源及时钟引脚

1）电源引脚。电源引脚接入单片机的工作电源。

①Vcc（40脚）：接+5V电源。

②Vss（20脚）：接地。

2）时钟引脚。两个时钟引脚XTAL₁、XTAL₂外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。两个时钟引脚也可外接晶体振荡器。

①XTAL_l（19脚）。接外部晶体的一端，该引脚是内部反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果在采用外接晶体振荡器时，此引脚就应接地。

②XTAL₂（18脚）。接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。当采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

（2）控制引脚

此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

1）RST/VPD（9脚）。RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此脚应为0.5V低电平。

VPD为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源V_cc发生故障、降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入9脚，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。

2）（30脚）。ALE为地址锁存允许信号。在单片机上电正常工作后，该引脚不断向外输出正脉冲信号ALE（该正脉冲的频率为晶体振荡器频率f_osc的1/6）。当MCS_-51访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0口的低8位地址，以实现低8位地址与数据的分时传送。当不访问外部存储器时，ALE信号可用做对外输出的时钟信号或用于定时。为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机（例如8751）编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。

3）（29脚）。程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号，此脚接外部程序存储器的（输出允许）端。

4）（3l脚）。为访问程序存储器选择控制端。当端为高电平时，单片机首先执行片内程序存储器中的程序，当超出片内程序存储器的容量时，自动执行片外程序存储器中的程序；当端为低电平时，只能去片外的程序存储器执行程序。对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。

Vpp为本引脚的第二功能。在对8751单片机的片内EPROM固化编程时，此引脚为施加较高编程电压（例如+21V或+12V）的输入端。对于89C51单片机，V_pp编程电压为+12V或+5V。

（3）并行I/O端口引脚

MCS-51单片机的4个并行I/O端口都是8位的准双向口（所谓准双向是指各端口在作输入口使用时应先进行写“1”操作），这几个端口在结构和特性上是基本上相同的，但又各具特点。

1）P0口的功能。

①P0口可作为一般的I/O口使用。当P0口进行一般的I/O输出时，由于P0口的输出电路是漏极开路电路，所以必须外接上拉电阻才能有高电平输出；当P0口进行一般的I/O口输入时，必须先进行写“1”操作。

②当外部扩展存储器时，P0口可作为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口。

2）P1口功能。P1口只能作为一般的I/O口使用。当P1口进行一般的I/O输出时，由于P1口内部带有上拉电阻，所以不需要再外接上拉电阻；当P1口进行一般的I/O输入时，也必须先进行写“1”操作。

3）P2口功能。

①P2口可作为一般的I/O口使用。此时与P1口类似。

②当外部扩展存储器时，P2口可作为高8位的地址总线，与P0口输出的低8位地址共同作为16位地址线。

4）P3口功能。

①P3口可作为一般的I/O口使用。此时与P1、P2口类似。

②P3口的每个端子又具有第二功能。P3口的各引脚第二功能描述表如表1-1所示。

表1-1 P3口的各引脚第二功能描述表

至此，MCS-51单片机的40只引脚已介绍完毕，读者应熟记每一个引脚的功能，这对于今后的MCS-51单片机的应用设计工作是十分重要的。