Архітектура цих мікроконтролерів є вдосконаленою архітектурою MCS-51. В її основу покладено систему команд попереднього сімейства i нa6ip блоків вводу/виводу, зокрема три таймери-лічильники, послідовний порт, блок РСА i сторожовий таймер. Збільшення продуктивності досягається за рахунок введення нових команд, збільшення адресного простору, використання механізму конвеєризації в центральному процесорі, стиснення циклів обміну по магістралі.

Центральний процесор мікроконтролерів MCS-251 побудований на основі конвеєра команд i реєстрового файлу. Це дає змогу виконувати декілька команд за один машинний такт, тоді як процесор мікроконтролера 8XC51FX виконує одну команду за шість тактів. Система команд процесора контролерів MCS-251 доповнена інструкціями сервисного центру Accer, які оперують 16- i 32-розрядними операндами.

Найважливішими особливостями архітектури мікроконтролерів MCS-251 є:

1)конвеєр команд i регістровий файл;

2) розширений нa6ip команд;

3) внутрішній ОЗП ємністю до 1 Кбайт;

4) стек до 64 Кбайт;

5) можливості порядкової вибірки команд, введення стану очікування на магістралі, формування 17-розрядної адреси;

6) внутрішня пам'ять з однократним записом розміром до 16 Кбайт;

7) три 16-розрядних таймери-лічильники;

8) програмований послідовний порт;

9) блок РСА з п'ятьма модулями порівняння-захоплення;

10) виділений сторожовий таймер.

Мікроконтролери типу 8XC251SB побудовані на статичній схемотехніці, що дає їм можливість працювати з частотою синхронізації від 0 Гц.

Перші мікроконтролери сімейства MCS-251 сумісні з мікроконтролерами 8XC51FX. Це дає змогу нарощувати продуктивність систем на основі MCS-51 простою заміною ВІС мікроконтролера в сокеті.

Основу структури ремонта компьютеров и ноутбуков сімейства мікроконтролерів MCS-251 становить ядро (core). Воно визначає наважливість параметри архітектури, зокрема нa6ip команд, тактові частоти процесора, механізми конвеєризації та переривань. Ядро є спільною частиною для всіх мікроконтролеpiв цього сімейства. Відмінність між окремими типами мікроконтролерів сімейства полягає в різному складі внутрішніх блоків інтерфейсу, ємності внутрішньої пам'яті програм, функціях окремих ліній вводу/виводу. Ядро архітектури MCS-251 містить центральний процесор, блок синхронізації, блок обробки переривань, інтерфейс внутрішньої магістралі та інтерфейс локальної шини, який обслуговує внутрішній блоки вводу/виводу.

Лінії вводу/виводу мікроконтролерів 8XC251SB об'єднані в чотири 8-розрядних порти загального призначення. Кожна лінія має засувку. Апаратні драйвери виконують альтернативні функції, які залежать від режиму роботи i номера лінії. Ці мікроконтролери мають маскований ПЗП ємністю 16 Кбайт, на кристалі міститься репрограмований ЗП тієї самої ємності. Великий розмір цих матриць дає можливість у багатьох випадках відмовитися від використання зовнішньої пам’яті програм.