从我国当前信息产业发展的要求和实际出发，针对新型嵌入式系统的研究和开发已经成为我们国家IT行业中的热点，嵌入式系统的研究和设计具有很重要的意义。 本文首先介绍了国内外单片机的发展历程和设计水平及研究现状，主要的工作是在对标准8051单片机进行分析和考察的基础上，指出标准8051由于是单总线结构，指令的执行周期是12个时钟周期，在运行程序时，导致了很多空闲状态；其次，由于是单总线结构，就存在在任意时刻只能接收或发送某一单元的数据，而其他单元则处于等待状态，造成了时间上的延长。为了解决以上问题，结合微处理器的应用需求，设计了一种与标准8051指令兼容的、可缩短指令执行周期的高速MCU—WQ8051。与标准8051的不同之处在于它是4总线结构，指令执行周期就变为4个时钟周期，较标准8051缩减了很多，大大提高了运算速度。文中着重进行了其内部ALU模块、BIU模块、Controller模块的结构和性能的设计和分析，在RTL级(Register Transfer Level)采用Verilog语言进行描述，经过综合工具得出它们的内部电路图。然后针对MCU在不同寻址方式下的指令执行周期进行了仿真，得到了正确的结果。接下来采用Xilinx公司的30万门FPGA(型号是Xilinx Spartan-ⅡE)对设计进行了验证，验证结果表明达到了预先的设计要求。最后针对它在工业控制中的作用，提出了WQ8051在智能数据通讯中的具体应用。 本文提出的4总线结构的MCU适用于所有标准MCS-51系列单片机，具有普遍意义，适用于高速MCU芯片设计。