單片機8051的CPU由運算器和控制器組成。
一、運算器
運算器以完成二進制的算術/邏輯運算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進行算術、邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數(shù)（如被加數(shù)），而運算后又保存其結果（如代數(shù)和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運算結果的一些特征，如有無進位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對用戶來講，最關心的是以下四位。
1?進位標志CY（PSW?7）。它表示了運算是否有進位（或借位）。如果操作結果在最高位有進位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。
2?輔助進位標志AC。又稱半進位標志，它反映了兩個八位數(shù)運算低四位是否有半進位，即低四位相加（或減）有否進位（或借位），如有則AC為1狀態(tài)，否則為0。
3?溢出標志位OV。MCS－51反映帶符號數(shù)的運算結果是否有溢出，有溢出時，此位為1，否則為0。
4?奇偶標志P。反映累加器ACC內容的奇偶性，如果ACC中的運算結果有偶數(shù)個1（如11001100B，其中有4個1），則P為0，否則，P=1。
PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字？運算器中還有一個按位（bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。其功能在介紹位指令時再說明。
二、控制器
控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數(shù)器PC是由16位寄存器構成的計數(shù)器。要單片機執(zhí)行一個程序，就必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的某個區(qū)域。單片機動作時應按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數(shù)器PC。當單片機開始執(zhí)行程序時，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當程序遇到轉移指令、子程序調用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結合，形成按一定時間節(jié)拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內部協(xié)調寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運算等操作。
三、存儲器
存儲器是單片機的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結構示意圖。其中每個存儲單元對應一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進制數(shù)表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數(shù)來表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個概念，不能混淆。
一、程序存儲器
程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構成的機器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫成二進制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時設置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個字節(jié)，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內使用內部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動訪問外部程序存儲器。
二、數(shù)據(jù)存儲器
單片機的數(shù)據(jù)存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數(shù)據(jù)。8051內部有256個單元的內部數(shù)據(jù)存儲器，其中00H～7FH為內部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實際使用時應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數(shù)據(jù)存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來在學習指令系統(tǒng)和程序設計時會經(jīng)常用到它們。8051內部數(shù)據(jù)存儲器地址由00H至FFH共有256個字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數(shù)據(jù)RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節(jié)中，還開辟有一個所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進制數(shù)，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。
三、特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數(shù)器PC和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關，另一類作片內功能的控制用。與芯片引腳有關的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應的輸出驅動器和輸入緩沖器就構成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標志寄存器PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關部分再作進一步介紹
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