Основу архитектуры семейства микроконтроллеров фирма Intel называет ядром (core). Ядро отвечает за вычислительный процесс и определяет такие важнейшие параметры архитектуры, как набор команд, тактовая сетка процессора, механизмы ковейеризации и прерываний. Ядро является общей частью для всех микроконтроллеров MCS-251. Различия между отдельными типами микроконтроллеров семейства заключаются в составе внутренних блоков интефейса, наличии и размере внутренней памяти программ, функциях некоторых линий ввода-вывода. Ядро архитектуры MCS-251 включает центральный процессор, блок синхронизации, блок обработки прерываний, интерфейс внутренней магистрали и интерфейс локальной шины, обслуживающей внутренние блоки ввода-вывода.

Кроме ядра, структура микроконтролеров MCS-51 включает внутренние блоки ввода-вывода, интерфейс магистрали и внутреннюю память.

Внутренние блоки ввода-вывода служат для выполнения типовых функций интерфейса с внешними устройствами. В их набор входят сторожевой таймер, три таймера-счетчика, блок РСА, последовательный порт.

Линии ввода-вывода микроконтроллеров 8XC251SB объединены в четыре 8-разрядных порта общего назначения РО-РЗ. Каждая линия ввода-вывода имеет защелку, аппаратные драйверы обеспечивают выполнение альтернативных функций, которые зависят от режима работы и номера линии.

Микроконтроллер 83C251SB имеет масочное ПЗУ емкостью 16 Кбайт, у микроконтроллера 87C251SB на кристалле интегрировано репрограммиру-емое УФ ЗУ той же емкости. Эти матрицы памяти предназначены для размещения кода, их большой размер во многих случаях позволяет отказаться от внешней памяти программ.