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一台能够工作的计算机要有这样几个部分构成：CPU （进行控制、运算）、RAM （数据存储）、ROM （程序存储）、输入／输出设备（如串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在一个称为主板的印制电路板上。而在单片机中，这些部分，全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上述组成部分外，还集成了其他部分，如A／D，D／A等。单片机内部的基本结构如图 1-1所示。
图 1-1 单片机内部的基本结构
计算机是数字电子计算机的简称，顾名思义，计算机既是利用电路实现数字运算的装置，任何一台计算机的计算都是在中央处理器（Central Processing Unit，CPU）中进行的；同时，CPU还要实现计算机整个工作过程的控制和管理。CPU一次所能进行的数据最大长度（用二进制数来衡量）称为计算机的字长，单片机通常有 4位、8位和 16位这几种类型。
输入／输出接口（Input／Output Interface，I／O）是计算机与外界交换数据的通道，需要计算机处理的数据、计算机处理后的数据和控制命令（也是数字信号）都得通过I／O接口实现计算机与外部设备的交换。I／O接口可以分为两大类：并行接口和串行接口。
单片机中的存储器按作用来分，也可分为两大类：程序存储器和数据存储器。在单片机中，程序存储器通常使用只读存储器（Read Only Memory，ROM）。在ROM中，存储单片机要执行的程序、常数和表格。数据存储器通常使用随机读写存储器（Random Access Memory，RAM）。在RAM中，存储单片机要处理的数据、运算的中间数据和最终的结果等。
既然单片机是数字电子计算机，单片机所能处理的信号只能是“数字”。这句话有以下几个含义：
①单片机所能处理的信号只能是“数字”，而且只能是由“0”和“1”两种信号组成的二进制数，其他任何需要单片机处理的信号最终都必须用（也必定能够用）二进制数表示。
②单片机所能执行的指令也只能是由“0”和“1”两种信号组成的二进制数。由二进制数表示的指令又称为机器码。由于机器码难懂、不易记，人们通常采用助记符来表示单片机的指令。助记符通常都是由表示指令所完成的功能英文单词缩略而成，因而用助记符表示单片机的指令比机器码要容易得多，参见《附录A标准 8051单片机指令说明》。
③由①、②两条可知，单片机所执行的指令和数据都是由二进制数表示的，其运算也只能采用二进制。显然，CPU中的部件也只能是存储和运算（处理）数字电路，也就是存储器或称为寄存器的功能不仅仅是为了存储数据，而是有些“特殊”功能，如单片机中主要完成算术、逻辑运算的寄存器——累加器（Accumulator，ACC），控制程序运行的程序计数器（Program Counter，PC）等。所以，CPU中的这些存储器又称“特殊寄存器或专用寄存器（Specified Register）”。
④不仅如此，不管是并行I／O接口（Parallel Port）还是串行I／O接口（Serial Port），单片机也是通过读、写这些I／O接口的特殊寄存器与外部电路交换数据（信息）的。