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MCS-51共有4个8位的并行I/O口，分别记做P0、P1、P2、P3。每个口都由一个锁存器、一个输出驱动器和两个输入缓冲器所组成。CPU通过4个并行I/O端口的任何一个输出数据时，都可以被锁存，输入数据时可以得到缓冲。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。
MCS-51还有一个全双工的可编程串行I/O端口，可以将8位的并行数据转换成串行数据一位一位地从发送数据线TXD发送出去，也可以将接收线RXD串行接收到的数据转换成8位并行数据送给CPU。发送和接收可以同时进行，也可以单独进行。
MCS-51单片机在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。4个I/O口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点，以下将分别介绍。
P0口的口线逻辑电路如图2-5所示。
图2-5 P0口的口线逻辑电路
由图2-5可见，P0口的一个位电路中，包含有一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器；一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。其中，输出驱动电路由一对场效应管（FET）V1和V2组成，其工作状态受输出控制电路的控制。
P0口为三态双向口，它可作为输入/输出端口使用，也可作为系统扩展时的低8位地址/8位数据总线使用。P0口内部有一个2选1的MUX开关，当单片机应用系统工作方式不需要外部扩展时，内部控制信号将使MUX开关接通到锁存器，此时P0口作为双向I/O端口使用。当单片机应用系统需要进行外部扩展时，内部控制信号将使MUX开关接通到内部地址/数据线，此时P0口在ALE信号的控制下分时输出低8位地址和8位数据信号。
在访问外部存储器时，P0口是一个真正的双向数据总线口，并分时送出数据和地址的低8位。当从P0口输出地址或数据时，控制信号为高电平“1”，模拟转换开关（MUX）将地址/数据信息经反相器和下拉FET（V2）接通，同时与门开锁。输出地址或数据信号既通过与门去驱动上拉FET（V1），又通过反相器去驱动下拉FET（V2）。例如，若地址/数据信息为0，该0信号一方面通过与门使上拉FET截止，另一方面经反相器使下拉FET导通，从而使引脚上输出相应的0信号。反之，若地址/数据信息为1，将会使上拉FET导通而下拉FET截止，引脚上将出现相应的1信号。在实际应用中，P0口绝大多数情况下都是作为单片机系统的地址数据线使用的，这要比作为一般I/O口应用简单。
若P0口作为一般I/O口使用，当CPU向端口输出数据时，对应的输出控制信号应为0，此时，模拟转换开关将把输出端与锁存器Q端接通。同时，因为与门输出为0，使V1处于截止状态，所以输出极是漏极开漏的开漏电路。当写脉冲加在触发器时钟端CP上时，与内部总线的D端数据取反后出现在
端，再经FET反相，在P0口上出现的数据正好是内部总线的数据。但要注意，当P0口进行一般的I/O输出时，由于输出电路是漏极开路电路，因此必须拉电阻才能有高电平输出。
当从P0口引脚上输入数据时，V1应一直处于截止状态。引脚上的外部信号既加在下面一个三态缓冲器的输入端，又加在V2的漏极。假定在此之前曾输出锁存过数据0，则FET是导通的，这样，引脚上的电位就始终被箝位在0电平，使输入高电平无法读入。因此，当P0口进行一般的I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。
P1口的口线逻辑电路如图2-6所示。
因为P1口通常是作为通用I/O口，专门供用户使用，所以在电路结构上与P0口有一些不同之处。首先它不再需要多路转接电路MUX；其次是电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。为此，P1口作为输出口使用时，已经能向外提供推拉电流负载，因而无须再外接上拉电阻。当P1口作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的FET截止。
图2-6 P1口的口线逻辑电路
P2口的口线逻辑电路如图2-7所示。P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁存器Q端。通常情况下，P2口是作为高位地址线使用的，此时多路转接电路开关应倒向相反方向。
图2-7 P2口的口线逻辑电路
P3口的口线逻辑电路如图2-8所示。
图2-8 P3口的口线逻辑电路
P3口的特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑电路。由于第二功能信号有输入和输出两类，因此分两种情况说明。
①P3口作为通用I/O口使用。
当CPU对P3口进行SFR寻址（位或字节）访问时，自动将第2功能输出线置1，此时与非门打开，P3口作为通用的I/O口。输出锁存器的状态通过与非门送至输出FET。
当P3口作为输入使用时，应预先对P3口置“1”使输出FET场效应管截止。P3端口可作为高阻输入。输入信息经端口和两个缓冲器，在“读引脚”信号有效时，送内部总线。
②P3口用做第2功能使用。
8个引脚功能可按位独立定义。各功能详见表2-1。
当P3口某一位用于第2功能作为输出时，由内部硬件将该位锁存器置“1”使与非门对第2输出功能端是畅通的。如TXD、
和
经与非门，送至输出FET场效应管，再输出到引脚端口。
但对输入而言，无论该位是做通用输入口或做第二功能输入口，相应的输出锁存器和选择输出功能端都应置“1”。实际上由于8051单片机所有口锁存器在上电复位时均置为“1”自然满足了上述条件，所以用户不必做任何工作，就可以直接使用P3口的第二功能。
图2-8下方的输入通道中有两个缓冲器，第二功能的专用输入信号取自第一个缓冲器输出端，通用输入信号取自读引脚缓冲器的输出端。
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证工作方式的同步，所有的工作都必须在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行。时序就是单片机内部及内部与外部相互遵守的规律。
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接石英晶体和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，振荡频率由外接石英晶体确定。这就是单片机的时钟振荡电路，如图2-9所示。
一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2～12MHz。如果晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。但通常情况下，使用的振荡频率为6MHz或12MHz。
在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号经XTAL2引脚输入，其连接如图2-10所示。
图2-9 时钟振荡电路
图2-10 外部时钟源接法
时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位有振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。各种周期之间的关系如图2-11所示。
图2-11 各种周期之间的关系图
（1）振荡周期
振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期（用P表示）。
（2）时钟周期
时钟周期又称为状态周期或状态时间（用S表示），是振荡周期的两倍，它分成P1节拍和P2节拍，P1节拍通常完成算术逻辑操作，而内部寄存器间传送通常在P2节拍完成。
（3）机器周期
若将一条指令的执行过程划分为几个基本操作，则完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期由6个状态周期（12个振荡脉冲）组成，分为6个状态：S1～S6。每个状态又分为2拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为SIP1、S1P2、……、S6P1、S6P2。也是振荡脉冲的十二分频。
（4）指令周期
指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，依此类推。
若外接晶振为6MHz若外接晶振为12MHz
振荡周期：1/6 µs振荡周期：1/12 µs
时钟周期：1/3 µs时钟周期：1/6 µs
机器周期：2 µs机器周期：1 µs
指令周期：2～8 µs指令周期：1～4 µs
指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令，执行速度越快。如图2-12所示的是取MCS-51单片机指令/执行指令的周期时序。
MCS-51单片机共有111条指令，全部指令按其占用的字节数可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。这些指令在执行时所需要的机器周期数是不同的，概括起来有以下几种情况：单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令。
图2-12 MCS-51单片机取指令/执行指令的周期时序
①单字节单周期指令：例INC A。
对于单字节单周期指令，只需要进行1次读指令操作。在第2个ALE有效时，由于PC没有加1，读出来的还是原指令，是一次无效操作。
②双字节单周期指令：例ADD A，＃data。
对于双字节单周期指令，ALE的两次操作都是有效的，第1次读出来的是指令的第1字节（操作码），第2次读出来的是第2字节。
③单字节双周期指令：例INC DPTR。
对于单字节双周期指令，在2个机器周期中进行4次读指令操作，只有第1次是有效的，后面的3次读操作均无效。
④单字节双周期指令：例MOVX类指令。
在执行这类指令时，CPU先从ROM中读取指令，然后执行对外部RAM的读写操作。在第1机器周期时，第1次读指令操作有效，第2次读指令操作无效。在第2机器周期时，执行对外部RAM的读写操作，与ALE信号无关，因此，不产生ALE信号，也就不产生读指令操作。
复位是使单片机系统进入初始化操作状态，其主要功能是将程序计数器PC内容初始化为0000H，也就是说，让单片机从0000H单元开始执行程序，与此同时，CPU及其他功能寄存器都从一个确定的初始状态下开始工作。单片机系统除了上电需要正常初始化外，在程序运行当中出现断电、受到强制干扰或操作错误等使系统处于“死机”状态时都需要进行复位操作。单片机系统复位后，片内各寄存器的状态见表2-6。
表2-6 复位后片内各寄存器的状态（×表示无关位）
单片机复位的条件是：必须使RST引脚（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为 12MHz，每个机器周期为 1 µs，则只需 2 us 以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图2-13（a）、（b）所示。
图2-13 单片机常见的复位电路
图2-13（a）为上电复位电路，它是利用电容充电自动实现的。在接电瞬间，RST端的电位V CC 相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。
图2-13（b）为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按RESET键，此时电源V CC 经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。
单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=1。这表明单片机复位期间不会有任何取址操作。