特點：哈佛結構，程序存儲器與數據存儲器分開，兩者各有一個相互獨立的64K(0x0000 ~ 0xFFFF)的尋址空間(準確地說，內部數據存儲器與外部數據存儲器不是一回事)。
程序存儲器：
① 用于存放程序(可執行的二進制代碼映像文件，包括程序中的數據信息)，還包括初始化代碼等固件。
② 為只讀存儲器。注意，這里的“只讀”，是指單片機(CPU)在正常工作時對其的訪問方式是只讀的;而現在大多數單片機的程序存儲器(不管是內部還是外部)都采用了FLASH ROM，來取代以前所用的ROM、E2PROM等，可方便地進行在線編程(ISP)。
③ 標準8051的內部程序存儲器大小為4KB(0x0000 ~ 0x0FFF);而具體的51核的兼容單片機的內部ROM大小需要參考其Datasheet，例如P89C51RA2xx的內部程序存儲器是8K的Flash。
④ 內部、外部存儲器統一編址，在軟件設計上(指令系統中)沒有差別;是否使用外部程序存儲器是通過引腳EA在硬件電路上控制的：不使用外部程序存儲器時，EA=0(接地);如果擴展了外部程序存儲器，則使EA=1，當尋址到內部存儲空間以外時，會自動轉向外部程序存儲器空間(與擴展外部程序存儲器有關的還有PSEN和ALE的時序配合，以及P0和P2口用于地址線)。
[注] 一般直接選用內部程序存儲器滿足代碼大小要求的單片機型號，避免擴展外部存儲器，造成系統軟硬件設計上的復雜和額外開銷。
數據存儲器：
為RAM。首先必須要強調的是，不管是物理上還是邏輯上，51單片機的內部、外部數據存儲器都在不同的地址空間。兩者不是一回事，用途也不一樣，訪問的指令也不同(內部RAM為MOV指令，外部為MOVX)。
1、內部數據存儲器(內部RAM)
相當于內存，為程序(進程)中的變量和常量分配存儲空間，掉電后內容消失。
標準8051的內部RAM為256B(0x00 ~ 0xFF)：其中可供用戶自由使用的是低128B(0x00 ~ 0x7F)區域，高128B中定義了26B的特殊功能寄存器(SFR)，其余沒有定義，因而沒有意義。
P89C51RA2xx的片內RAM是512B(片內RAM不等于內部RAM，見釋疑2)。
[說明] 關于內部RAM中的SFR，其中不但定義了一些控制字段，還包括累加器(ACC)、程序狀態字(PSW)、數據指針(DPTR)、堆棧指針(SP)等，值得注意的是，片上I/O口P0 ~ P3的地址也在這里定義(即有3個特殊功能寄存器的地址實際上是P口的地址)——這是因為51單片機的I/O口與存儲器是統一編址的*。
2、外部數據存儲器(外部RAM)
上面談到“I/O口與存儲器統一編址”的問題，因此，這里稱作外部RAM空間更為合適。在這個64KB地址空間中(0x0000 ~ 0xFFFF)，除了可以擴展外部RAM外，還可以擴展外部I/O設備。
外部RAM主要用于存儲程序運行時產生的重要數據(如數據采集結果、數據處理結果、系統日志等)，這時一般需要外加電源進行掉電保護，以在系統掉電時保存其中的數據信息;也可用于數據的暫時存儲，供CPU正常讀寫操作使用。因此外部RAM主要是使用其“可隨機訪問、讀寫方便且高速”的特性。
* 所謂I/O口與存儲器統一編址，是指I/O口與主存在同一地址空間，將處理器的可尋址存儲空間中專門劃出一部分地址空間分配給I/O口使用。這與PC機的x86處理器不同，x86體系結構為I/O口專門定義了獨立于存儲空間之外的地址空間(事實上，除X86外，其他體系結構的處理器都對I/O口與存儲器統一編址，可參考《Linux Device Drivers》)。
釋疑1：51只有16根地址線，為什么能同時將程序存儲器和外部數據存儲器都擴展到64KB呢?即外部即有ROM，又有RAM，如何知道訪問的是哪個?
在體系結構上，程序存儲器和數據存儲器是不同的地址空間，兩者的訪問是不會相互干擾的，這主要是通過在硬件和指令集設計上來實現的。
在硬件上，訪問外部ROM是通過EA和PSEN引腳來控制的;訪問外部RAM則是通過WR和RD信號來控制的;
在指令集上，訪問外部ROM不需要使用顯示指令，是通過PC(指令計數器)來控制取指地址的(跳轉指令也可能引起PC跳轉);而訪問外部RAM則需要在程序設計上使用指令MOVX來執行。另外，訪問內部RAM則使用了指令MOV，以區分外部RAM的訪問。
釋疑2：P89C51RA2xx的片內RAM是512B，是如何組織的?
P89C51RA2xx的片內RAM是512B：其中內部RAM為256B(使用MOV指令訪問，定義與標準51相同);另外的256B為XRAM(片內的外部數據存儲器)，屬于外部存儲器的范疇，因此用途也同外部RAM，使用MOVX指令訪問，當程序中的全局變量或單個局部變量需占較大存儲空間時，可以定義為xdata型，保存到XRAM區。注意這個片內的XRAM掉電后其數據也會丟失;另外，如果要擴展外部RAM，則一般是設置XRAM為禁用態。