MCS-51是Intel公司生產的一個單片機系列名稱，該系列生產工藝有HMOS和CHMOS這兩種，CHMOS是CMOS和HMOS的結合，既保持了HMOS的高密度和高速度，還具有CMOS低功耗的特點。

在產品型號中，帶有字母C的即為CHMOS芯片，如80C51，該類型芯片的電平既與TTL兼容，又與CMOS電平兼容。

在片內程序存儲器的配置上，該系列單片機有3種形式，即掩模ROM、EPROM或Flash和ROM Less(無片內程序存儲器)。

80C51是MCS-51系列中采用CHMOS工藝的一個典型品種，各廠商以80C51為基核(內核)開發出的CHMOS工藝單片機產品統稱為80C51系列。

當前常用的80C51系列單片機主要產品有：

1)Intel產品：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等;

2)Ateml產品：89C51、89C52、89C2051等;

3)Philips，華邦，Siemens等公司以80C51為基核的許多產品。

80C51按總線結構可分為總線型和非總線型。

如常見到的89C51單片機就是總線結構，89C51單片機內部有數據總線，地址總線和控制總線。

但單片機由于芯片引腳數量的限制，數據總線和地址總線經常采用復用方式，且許多引腳還要與并行I/O口引腳復用。

20引腳的89S2051單片機就是一種非總線型的。其外部引腳很少，可使成本大大降低。

總線型單片機應用模式

1)如下左圖為總線型單片機的總線應用模式，可以方便地將單片機配置成典型的三總線結構。

這種應用模式在擴展外圍器件比較多的時候接線會比較復雜，系統的可靠性會降低。因此，在設計系統時，應盡量減少擴展器件的數量。

2)如下右圖為總線型單片機的非總線應用模式，適用于大量I/O口需求的應用系統。

非總線型單片機應用模式

該模式已經將外部總線擴展用的I/O口線和控制功能線去掉，從而使單片機的引腳數減少，體積減少。對于不需進行并行外圍擴展，裝置體積要求苛刻且程序量不大的系統及其適用。

80C51典型成品的資源配置和引腳

由上表可見增強型與基本型有以下不同：

1)片內ROM字節數從4KB增加到8KB;

2)片內RAM字節數從128B增加到256B;

3)定時/計數器從2個增加到3個;

4)中斷源由5個增加到6個。

下圖為80C51系列單片機引腳圖和邏輯符號，為標準的40腳DIP封裝。

這些引腳的功能描述如下：

1)電源引腳Vcc和VssVcc

是電源端，接+5V;Vss接地端。通常在Vcc和Vss引腳之間接0.1uF高頻濾波電容。

2)時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2

XTAL1：接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時鐘，則該引腳必須接地。

XTAL2：接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時鐘，則該引腳為外部時鐘的輸入。

3)地址鎖存允許ALE

在系統擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現數據與低位地址的復用。

當單片機上電正常工作以后，ALE端通常以時鐘頻率的1/6的固定頻率向外輸出正脈沖信號，ALE的負載能力為8個LS TTL器件。

ale(address lock enable)作用是在訪問外部存儲器時，p0口做為地址/數據復用口，ale信號用于鎖存低8位地址。當ale信號為高電平時，p0口上的信息為低8位地址，在ale信號的下降沿時將p0口上的低8位地址送到地址鎖存器鎖存起來。 在ale為低電平期間p0口上的信息為指令或數據信息。在ale為低電平期間p0口上的信息為指令或數據信息，以實現低位地址與數據的分離。ale是自動運行的。

4)外部程序存儲器讀選通信號 ~PSEN

是讀外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。CPU從外部存儲器取指令時，它在每個機器周期中兩次有效。因此，在一個機器周期內，CPU可以從程序存儲器中讀取兩個字節的指令碼。

5)程序存儲器地址允許輸入端 ~EA

當該引腳為高電平時，CPU執行片內程序存儲器指令，但當PC中的值超過0FFFH時，將自動轉向執行片外程序存儲器指令。

當該引腳為低電平時，CPU只執行片外程序存儲器指令。對于8031，由于其無片內ROM，故該引腳必須接低電平。

6)復位信號RST

該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高電平后，就可以完成復位操作。

此外，該引腳還有掉電保護功能，若在該引腳接+5V備用電源，在使用中若Vcc掉電，可保護片內RAM中信息不丟失。

7)輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3

P0口(P0.0~P0.7)：該端口為漏極開路的8位準雙向口，內部沒有上拉電阻，該口在做I/O口使用時務必要外接上拉電阻，驅動能力為8個LS TTL負載，它是低8位地址線和8位數據線的復用端口。

P1口(P1.0~P1.7)：它是一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P1的驅動能力為4個LS TTL負載。

P2口(P2.0~P2.7)：它是一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P1的驅動能力為4個LS TTL負載。在訪問外部程序存儲器時，它作為存儲器的高8位地址線。

P3口(P3.0~P3.7)：它是一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口外，還具有特殊功能。

80C51單片機的邏輯結構

80C51單片機采用的是馮·諾依曼提出的經典計算機體系結構框架，即一臺計算機由運算器，控制器，存儲器，輸入設備和輸出設備5個基本部分組成。

80C51單片機在一塊芯片上集成了CPU，RAM，ROM，定時/計數器和多功能I/O口等。80C51單片機的系統結構框圖如下所示。

由上圖可以看出，單片機內部主要包含下列幾個部件：

1)一個8位CPU

2)一個時鐘電路

3)4KB程序存儲器

4)128B數據存儲器

5)兩個16位定時/計數器

6)4個8位并行I/O端口

7)一個可編程串行接口

8)5個中斷源，其中包括兩個優先級嵌套中斷

80C51單片機的內部結構

80C51單片機的內部結構框圖如下所示。

1.CPU

CPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩部分電路組成。

1)運算器電路

運算器電路包括ALU算術邏輯單元，ACC累加器，B寄存器，狀態寄存器，暫存器1和暫存器2等部件。

運算器的功能是進行算術運算，邏輯運算，位變量處理和數據傳送。

運算電路以ALU為核心單元，可以完成半字節、單字節及多字節數據的運算操作，其中包括加減乘除，十進制調整等算術運算以及與，或，異或，求補和循環等邏輯操作，同時還具有一般微處理器所不具備的位處理功能，運算結果的狀態由狀態寄存器保存。

2)控制器電路

控制器電路包括程序計數器PC，PC加1寄存器，指令寄存器，指令譯碼器，數據指針DPTR，堆棧指針SP，緩沖器以及定時與控制電路等。控制電路完成指揮控制工作，協調單片機各部分正常工作。

程序計數器PC用來存放即將要執行的指令地址。數據指針DPTR為16位數據指針，它可以對外部數據存儲器和I/O口進行尋址，它的低8位為DPL(地址為82H)，高8位為DPH(地址為83H)，堆棧指針SP隨時跟蹤棧頂地址，按先進后出的原則存取數據。

2.定時/計數器

80C51單片機片內有兩個16位的定時/計數器，可以用于定時控制，延時以及對外部事件的計數和檢測等。

3.存儲器

80C51系列單片機的存儲器包括數據存儲器和程序存儲器，程序存儲器和數據存儲器的地址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。

4.并行I/O口

80C51單片機共有4個8位的I/O口，每條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。

5.串行I/O口

80C51單片機有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口。

6.中斷控制系統

80C51共有5個中斷源，分為高級和低級兩個中斷優先級。

7.時鐘電路

80C51芯片內部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調電容必須外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。

8.總線

以上所有組成部分都是通過總線連接起來的，系統的地址信號，數據信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。