Архітектура мікроконтролера може бути заснована на Гарвардська архітектура або архітектура фон Неймана, обидва пропонують різні методи обміну даними між процесором і пам’яттю. У гарвардській архітектурі шина даних і інструкції розділені, що дозволяє здійснювати одночасну передачу.
Програма мікроконтролера зберігається в пам'яті. Є два види пам'яті: RAM (оперативна пам’ять), яка може читати та записувати дані, і ROM (пам’ять лише для читання), яка в основному зберігає програми як дані лише для читання. Існують різні типи RAM і ROM залежно від використання.
Пам'ять розміщує код операції на шині даних, щоб передати його в ЦП. Вся операція отримання коду операції займає три такти. Повільна пам'ять може зайняти більше часу. Код операції, отриманий із пам’яті, надходить у регістр даних, DR, а потім у регістр інструкцій, IR.
Класифікація за пристроями пам'яті Мікроконтролер вбудованої пам'яті Мікроконтролер зовнішньої пам’яті. Мікроконтролер вбудованої пам’яті: коли вбудована система має блок мікроконтролера, який містить усі функціональні блоки, доступні на мікросхемі, називається вбудованим мікроконтролером.
Пам'ять мікроконтролера 8051 розділена на пам'ять програм і пам'ять даних. Пам'ять програм (ROM) використовується для постійного збереження програми, що виконується, тоді як пам'ять даних (RAM). використовується для тимчасового зберігання та збереження проміжних результатів і змінних.
Мікроконтролери можуть використовувати типи енергозалежної пам'яті, такі як типи оперативної пам'яті (RAM) і енергонезалежної пам'яті — сюди входить флеш-пам'ять, програмована пам'ять лише для читання (EPROM) і електрично стирана програмована пам'ять лише для читання (EEPROM).