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在讲单片机程序设计之前，我们先了解一下单片机。我本想说“走进单片机的世界”，可是如今的世界里，我们早已被单片机包围了，所以我这里说“走近单片机”。让我们一起来揭开身边单片机的面纱。
先看看我们身边的家用电器吧：电视机、电冰箱、空调、洗衣机、电磁炉、电饭锅、微波炉、电话、计算机、手机等。这些家电都离不开单片机，如果它们内部的单片机不工作了，那这些家电也就休息了。下面我们就拿起手中的螺丝刀，对家电做一个分解手术，把隐藏起来的单片机挖出来。
图 1-1 是我们常用的电磁炉，观察其面板，感觉是不是很简单呢？我们经常用的也就几个控制按键、一组菜单按键、一组数码管而已。
图 1-1 电磁炉操作面板
下面我们就开始动手，用一个“外科大夫”的眼光来看看电磁炉的内部构造。
从图 1-2 电磁炉的内部结构来看，电磁炉的内部并不是很复杂：操作面板下固定了一个简单的电路板（主控电路板），一个电磁线圈，一个散热风扇，线圈下还有一块电路板（电源控制板）与操作面板的电路板通过排线连接在一起。
图 1-2 电磁炉的内部构造
操作面板下面的这块电路板就是单片机隐身的地方，如图 1-3 所示。
图 1-3 电磁炉中的单片机
我们可以观察一下这块单片机：被黑色陶瓷包裹着、外面留了 20 条“腿”、头上有一个小原点，我们能看到的就是这些了。图 1-4 给出了其外形图片和引脚定义。
图 1-4 单片机S3F9454 的外形图片和引脚定义
这就是我们要“挖”的东西，藏在我们身边的一块单片机。我们用一个简易原理图来表示其工作原理，如图 1-5 所示。
电磁炉的例子还是有些复杂，它用到的电子器件比较多。下面我们再看一个更简单的电器：电子钟。
图 1-5 电磁炉工作原理图
图 1-6 是一个万年历的产品（商业化的电子钟），显示的信息比较多，我们也可以看一个用数码管实现的简单电子钟，如图 1-7 所示。
图 1-6 万年历
图 1-7 电子钟
怎么样，图 1-7 所示的电子钟和我们常见的简易电子钟是不是很像呢？看到这个电子钟，你有没有想去实现一个这样的电子钟的冲动呢？和你一样，在学习单片机的时候，有人就用单片机自己设计了类似的电子钟，如图 1-8 所示。
图 1-8 实验板一
我们再看一个更清晰、更完整的简易电路。
图 1-9 的实验板上中间那个个头大的就是我们要找的单片机了。它上面还有一些小字，不是很清楚：AT89C51…… 这就是我们后面要讲的 51 单片机中的一种。
图 1-9 实验板二
注意观察一下这块单片机，除了也是黑色封装、外露两排“腿”之外，它的左上角还有一个小圆坑，并用一个白色的三角形标注。这个小圆坑，我们在后面会介绍，这里先让你注意一下。
现在你知道我们身边隐藏了许多单片机了吧！好，知道了我们身边有这么多的单片机，我们就进一步去认识它们、了解它们。
在认识单片机之前，我们先重新认识一下计算机，如图 1-10 所示。
我们重点关注计算机的主机部分，观察后可以发现计算机的外设：显示器、键盘、鼠标、音频设备，都接在计算机主机上，如图 1-11 所示。
图 1-10 计算机
图 1-11 计算机外设
仿照解剖电磁炉的过程，打开主机，观察主机内部的构造，如图 1-12 所示。
图 1-12 计算机主机内部构造
图 1-12 是计算机主机的硬件装配图，有人绘制了计算机的组成原理图，如图 1-13 所示。
图 1-13 计算机组成原理图
图 1-13 还是比较专业的，有些地方需要了解计算机的组成原理（南桥芯片、北桥芯片等），我们把CPU、北桥芯片、南桥芯片看做一个整体，重新绘制一个简单的原理图，如图 1-14 所示。
我们进一步简化原理图，将CPU、硬盘、内存看做一个整体，PIC扩展槽看做已经扩展的接口（扩展了一个并口），这样是不是更像是机箱呢？如图 1-15 所示。
图 1-14 计算机简化原理图一
图 1-15 计算机简化原理图二
从现在开始就要发挥你的想象力了，先看图 1-15，左侧的虚拟机箱看做主机，右侧的接口看做主机后面的接口电路，是不是很像计算机的主机呢？
我们进一步想象，现在把虚拟主机缩小，像科幻电影那样，最后把它的尺寸压缩到52mm×14mm（长×宽）。由于尺寸的缩小，我们把它的接口也更改一下，改为引脚式放在“迷你主机”的两侧，如图 1-16 所示。我们给它一个新的名字：“微型计算机”。
图 1-16 设想的微型计算机
由于该“微型计算机”太小，外围接口又是通过引脚引出的，我们就不能用金属外壳做它的“机箱”了，改用塑料或陶瓷将其封装起来。这样一片“微型计算机”就可以完成计算机主机的工作，因而我们可以叫它单片微型计算机，简称“单片机”；它还有另外一个名字，叫“微控制器”，英文为“Microcontroller Unit”，因而常用英文缩写MCU表示单片机。
单片机较正规的定义是：一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
至此我们已经引入了单片机的概念，下面就来学习后面将要用到的单片机：8051 单片机。
其实真的和我上面介绍单片机一样，我们人类是先发明的计算机（更精确的说法应该是先有了计算机的处理器），然后才有了单片机。下面我们就来看看 51 单片机是怎么发展而来的。
1971 年 1 月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片Intel 4004，它是第一代微处理器问世的标志，微处理器和微型计算机时代从此开始。微处理器芯片Intel 4004 包含 2 300 个晶体管，尺寸规格为 3mm×4mm。
1971 年 11 月，Intel推出MCS-4 微型计算机系统，该系统包括 4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器。MCS-4 的计算性能远远超过当年的ENIAC［很多资料称ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机，1946 年 2 月诞生）是第一台电子计算机，因而经常拿它做比较。其实第一台电子计算机应该是ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机），1939 年 10 月完成样机］。
1972 年 4 月，霍夫等人研制出第一个 8 位微处理器Intel 8008。由于 8008 主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal OXide Semicomductor，金属氧化物半导体）电路，因此仍属于第一代微处理器。
1973 年 8 月，霍夫等人研制出新一代 8 位微处理器Intel 8080。Intel 8080 以N沟道MOS电路取代了P沟道，这标志着第二代微处理器的诞生。
1975 年 4 月，MITS（Micro Instrumentation and Telemetry Systems，微仪系统家用电子公司）发布第一个通用型Altair 8800 系统，该系统配备有一个成套工具、一个主板、一个英特尔 8080 CPU和 256B的RAM，这是世界上第一台微型计算机（个人电脑）。
1976 年，Intel公司研制出MCS-48 系列单片机。该系列单片机具有以下特点：CPU为4 位或 8 位，ROM有 1KB或 2KB，RAM有 64B或 128B，具有并行接口，无串行接口，有1 个 8 位的定时/计数器，有 2 个中断源。注意，在此之前介绍的只是处理器的研制历史，MCS-48 系列才是真正的单片机，它更像是Altair 8800 的压缩版（微型版），因而说这是单片机问世的标志。
20 世纪 80 年代初，Intel公司在MCS-48 系列单片机的基础上，推出了MCS-51 系列 8位高档单片机。MCS-51 系列单片机在集成度、存储容量（片内RAM、ROM）、功能的增强及扩展、运算速度等方面都有显著提高。
20 世纪 80 年代中期以后，Intel以专利转让的形式把 8051 内核卖给了许多半导体厂家，如AMTEL、PHILIPS、ANANOG DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51 系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51 指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051 的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用 80C51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机。
只要具有 8051 指令系统的单片机我们都叫它 80C51 系列，有时也简称 8051 单片机或51 单片机，那么 8051 单片机有哪些特点呢？
8051 单片机包含中央处理器（CPU）、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，以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线。下面我们分别介绍。
中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），主要由控制器和运算器组成，是整个单片机的核心部件。CPU主要完成取指令、翻译指令、执行指令等工作，同时负责控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。8051 是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码。
8051 内部有 256 个 8 位数据存储单元，分为 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元。其中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存放数据，因而用户只有 128B（数据存储单元）可以用来存放读/写数据、定义变量、运算的中间结果等。
8051 共有 4KB片内ROM（EEPROM或Flash），用于存放用户程序、原始数据或表格。片外可扩展 64KB的ROM，由于 8051 单片机的ROM是采用片内外统一编址的，故其最多只能寻址 64KB的ROM空间。
8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器（T0、T1），可用于精确定时、计时、延时、计数，检测速度、频率、脉宽，提供定时脉冲信号等。
8051 共有 4 组 8 位I/O口（P0、P1、P2 和P3 共 32 个I/O口），用于对外部数据的输入、输出操作。
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输。该串行口共有4种工作模式，既可以用做通用异步接收和发送器，也可以用做同步移位寄存器。
8051 具备较完善的中断功能：有两个外中断（INT0、INT1）、两个定时/计数器中断和一个串行中断（串行收/发中断用一个中断号），可满足多种控制要求，并且具有 2 级的优先级别选择。
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。
在 20 世纪 80 年代中期Intel把 8051 内核以专利转让的形式卖出后，就有很多厂家生产51 系列单片机。在众多的 51 系列单片机中，要数ATMEL公司的AT89C51、AT89S51 更实用，因为它不但和 8051 指令、引脚完全兼容，而且其片内的 4KB程序存储器是Flash工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMEL AT89xx做的编程器均带有这些功能。
AT89C51 现已停产，但我们后面要用的仿真工具里有AT89C51 而没有AT89S51，因此这里还是选择AT89C51 作为实验对象。而且其代码可以直接在AT89S51 上运行，不需要做任何修改。
与MCS-51 产品指令系统完全兼容；
4KB可编程Flash存储器；
寿命：1 000 写/擦循环；
数据保留时间：10 年；
全静态工作：0～24MHz；
三级程序存储器锁定；
256B片内RAM（128B用户RAM，128B SFR）；
32 个可编程I/O口；
两个 16 位定时/计数器；
5 个中断源（也有 6 个中断源的说法，串口收/发中断看做两个）；
全双工可编程串行通道；
低功耗的空闲模式和掉电模式；
片内振荡器和时钟电路。
观察图 1-17 中左侧的外形图，了解芯片告诉我们的信息。芯片的左上角有一个小圆坑，旁边有白色的三角符号。该标志告诉我们这里是芯片的第 1 引脚，沿逆时针方向数下去，即第 1 至第 40 引脚，如图 1-17 中右图所示。该标志非常重要，我们在调试电路板，用三用表、示波器测量时找其对应引脚就要用到该标志。
图 1-17 AT89C51 外形及引脚定义
芯片上的标识：ATMEL是芯片公司的名称，后面的字符串AT89C51 24PI 0538 代表的意思就更丰富了。
AT——是ATMEL的缩写，如AT89C51、AT89S51、ATMega8 等；
8——表示该芯片是 8051 内核的芯片；
9——表示内部含Flash EEPROM存储器；
C——表示该芯片为CMOS产品，AT89S51 中的S表示该芯片具有ISP功能；
5——固定不变；
1——表示内部程序存储空间的大小，1 表示 4KB、2 表示 8KB、3 表示 12KB等；
24——表示最高工作频率是 24MHz；
P——表示封装形式是PDIP封装，同类符号还有A表示TQFP封装、J表示PLCC封装；
I——表示是工业级产品，使用温度为−40℃～85℃，同类符号还有C表示商业用产品、A表示汽车用产品、M表示军用产品等；
0538——表示生产批次，2005 年第 38 周生产；
最后就是引脚数是 40。
这就是一块芯片告诉我们的信息，我们可以利用这些信息去网上、生产厂家获取更多的信息。
VCC：电源引脚。
GND：接地。
P0 口：P0 口为一组 8 位漏级开路双向I/O口，每个引脚可吸收 8 个TTL门电流，可作为高阻抗输入端使用。
P1 口：P1 口为一组内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O口，P1 口缓冲器可接收、输出 4个TTL门电流。
P2 口：P2 口为一组内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O口，P2 口缓冲器可接收、输出 4个TTL门电流。
P3 口：P3 口为一组内部提供上拉电阻的 8 位双向I/O口，P3 口缓冲器可接收、输出 4个TTL门电流。P3 口也可作为AT89C51 的一些特殊功能口。
RST：复位输入。当振荡器工作时，保持RST引脚两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
：当访问外部存储器时，地址锁存允许（ALE）的输出脉冲用于锁存地址的低 8 位。在Flash编程期间，该引脚用于输入编程脉冲（PROG）。平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。
：外部程序存储器的读选通信号。
：当该引脚保持低电平时，CPU将直接访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），不管是否有内部程序存储器。在Flash编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP）。
XTAL1：振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：振荡器反向放大器的输出端。
AT89C51 现已停产，AT89S51 是ATMEL公司推出的对应升级产品。
AT89S51 多了ISP（在线编程）功能。
AT89S51 还有一个很好用的内部看门狗。看门狗是直译的说法，即一个不断自己计数的定时器，需要不断地“喂”它（不断地复位它，表示程序自己没有死机），否则过一段时间它就会计数溢出，MCU就复位，这样可以避免程序卡死后没人管。
AT89C51 可以使用的最高晶振频率是 24MHz，AT89S51 可以使用的最高晶振频率可达33MHz。