從上圖中我們可以看到，在虛線框內的就是cpu的內部結構了，8位的mcs-51單片機的cpu內部有數術邏輯單元alu（arithmetic logic unit）、累加器a（8位）、寄存器b（8位）、程序狀態(tài)字psw（8位）、程序計數器pc（有時也稱為指令指針，即ip，16位）、地址寄存器ar（16位）、數據寄存器dr（8位）、指令寄存器ir（8位）、指令譯碼器id、控制器等部件組成。
1、運算器（alu）的主要功能
a）算術和邏輯運算，可對半字節(jié)（一個字節(jié)是8位，半個字節(jié)就是4位）和單字節(jié)數據進行操作。
b）加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術運算。
c）與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算。
d）位處理功能（即布爾處理器）。
由于alu內部沒有寄存器，參加運算的操作數，必須放在累加器a中。累加器a也用于存放運算結果。
例如：執(zhí)行指令 add a，b
執(zhí)行這條指令時，累加器a中的內容通過輸入口in_1輸入alu，寄存器b通過內部數據總線經輸入口in_2輸入alu，a+b的結果通過alu的輸出口out、內部數據總線，送回到累加器a。
2、程序計數器pc
pc的作用是用來存放將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64k rom直接尋址，pc低8位經p0口輸出，高8位經p2口輸出。也就是說，程序執(zhí)行到什么地方，程序計數器pc就指到哪里，它始終是跟躥著程序的執(zhí)行。我們知道，用戶程序是存放在內部的rom中的，我們要執(zhí)行程序就要從rom中一個個字節(jié)的讀出來，然后到cpu中去執(zhí)行，那么rom具體執(zhí)行到哪一條呢？這就需要我們的程序計數器pc來指示。
程序計數器pc具有自動加1的功能，即從存儲器中讀出一個字節(jié)的指令碼后，pc自動加1（指向下一個存儲單元）。
3、指令寄存器ir
指令寄存器的作用就是用來存放即將執(zhí)行的指令代碼。
在這里我們先簡單的了解下cpu執(zhí)行指令的過程，首先由程序存儲器（rom）中讀取指令代碼送入到指令寄存器，經譯碼器譯碼后再由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，從而完成指令的功能。關于指令在單片機內部的執(zhí)行過程，我們在后面將會以另一節(jié)課來進行詳細的講解。
4、指令譯碼器id
用于對送入指令寄存器中的指令進行譯碼，所謂譯碼就是把指令轉變成執(zhí)行此指令所需要的電信號。當指令送入譯碼器后，由譯碼器對該指令進行譯碼，根據譯碼器輸出的信號，cpu控制電路定時地產生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號，使單片機正確的執(zhí)行程序所需要的各種操作。
5、地址寄存器ar（16位）
ar的作用是用來存放將要尋址的外部存儲器單元的地址信息，指令碼所在存儲單元的地址編碼，由程序計數器pc產生，而指令中操作數所在的存儲單元地址碼，由指令的操作數給定。從上圖中我們可以看到，地址寄存器ar通過地址總線ab與外部存儲器相連。
6、數據寄存器dr
用于存放寫入外部存儲器或i/o端口的數據信息?？梢姡瑪祿拇嫫鲗敵鰯祿哂墟i存功能。數據寄存器與外部數據總線db直接相連。
7、程序狀態(tài)字psw
用于記錄運算過程中的狀態(tài)，如是否溢出、進位等。
例如，累加器a的內容83h，執(zhí)行：
add a，#8ah ；累加器a與立即數8ah相加，并把結果存放在a中。
指令后，將產生和的結果為[1]0dh，而累加器a只有8位，只能存放低8位，即0dh，元法存放結果中的最高位b8。為些，在cpu內設置一個進位標志位c，當執(zhí)行加法運算出現進位時，進位標志位c為1。
8、時序部件
由時鐘電路和脈沖分配器組成，用于產生微操作控制部件所需的定時脈沖信號。