จากรูปแสดงแผนภาพการจัดสรรหน่วยความจำ-รีจิสเตอร์ (memory-register map) ของ 8051 จากรูปเราจะเห็นได้ว่า 8051 มี register หน้าที่พิเศษรวมอยู่ภายในด้วย สำหรับส่วนของ RAM และ ROM ภายนอกนั้นเป็นส่วนที่เราต้องทำการเพิ่มเข้าไปเอง
แผนภาพการจัดสรรหน่วยความจำรีจิสเตอร์ยังแสดงถึงคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของ 8051 ที่ทำหน้าที่แตกต่างจาก Microprocessor ทั่วๆไป โดย 8051 นี้จะมีหน่วยความจำอยู่ 2 ประเภทประเภทแรกเป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรม และอีกประเภทเป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลที่เปลี่ยนได้ หน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรมนั้นจะเป็นหน่วยความจำที่เราสามารถทำการอ่านข้อมูลได้อย่างเดียว เราอ่านคำสั่งของโปรแกรมได้แต่ไม่สามารถสั่งให้หน่วยประมวณผลทำการเขียนข้อมูลลงในหน่วยความจำประเภทนี้ได้ ซึ่งเราเรียกหน่วยความจำประเภทนี้ว่า ROM โดย ROM ภายในของ 8051 ถูกกำหนดให้เป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรม และ Microprocessor จะทำการ Fetch คำสั่งทุกคำสั่งจากหน่วยความจำประเภทนี้เท่านั้น
หน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลเป็นหน่วยความจำประเภทที่สามารถทำการอ่านและเขียนข้อมูลได้ หน่วยประมวลผลสามารถทำการอ่านข้อมูลและเขียนข้อมูลลงในหน่วยความจำประเภทนี้ แต่ไม่สามารถทำงานตามคำสั่งของโปรแกรมที่อยู่ในหน่วยคความจำประเภทนี้ได้ เราจะพบว่า RAM ภายในของ 8051 จะถูกกำหนดให้เป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูล
8051 มี RAM ภายในขนาด 128 Byte (อยู่ในตำแหน่งตั้งแต่ 00H จนถึง 7FH ของหน่วยความจำ) สำหรับใช้ในการเขียนและอ่านข้อมูลทั่วๆ ไป ถึงแม้เราจะกล่าวว่า 8051 มี RAM ภายในขนาด 128 Byte แต่ในบางครั้งบางส่วนของหน่วยความจำนี้อาจจะถูกนำมาอ้างอิงเป็น register ที่ทำหน้าที่ทั่วไป
ในกรณีที่เราต้องการเพิ่มหน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรม(ROM) เราสามารถทำการขยายหน่วยความจำภายในสำหนับเก็บโปรแกรมที่มีขนาด 4 KB ให้เป็นหน่วยความจำที่มีขนาดได้ถึง 64 KB โดยการเพิ่มหน่วยความจำอีก 60 KB หรือเราอาจทำการขยายหน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรมโดยการต่อขา EA' ลงกราวด์ซึ่งจะทำให้ 8051 ไม่ใช้ ROM ภายในขนาด 4 KB แต่จะใช้หน่วยความจำภายนอกซึ่งตำแหน่งของหน่วยความจำภายนอกจะเริ่มจากตำแหน่งที่ 0000H และมีขนาดสูงสุดได้ถึง 64 KB
เราสามารถเพิ่ม RAM ได้ ถ้าเราต้องการ RAM จำนวนมากขึ้น จากรูปจะเห็นได้ว่าเราสามารถทำการอ้างอิงพื้นที่ RAM ภายนอกได้ถึง 64 KB การอ้างอิงแอดเดรสในหน่วยความจำส่วนนี้จะไม่เกี่ยวข้องกับการอ้างอิงแอดเดรส RAM ภายในขนาด 128 Byte ดังนี้นเราจะมีหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลทั้งสิ้น 64 KB รวมกับ RAM ภายในที่มีอยู่เดิมอีก 128 Byte
โดยทั่วไปแล้ว 8051 จะทำงานโดยมี RAM และ ROM แยกออกจากกัน แต่ในงานบางชนิดอาจมีความต้องการให้หน่วยความจำทั้งสองประเภทนี้ทำงานรวมกันเหมือนเป็นหน่วยความจำโดยทั่วไป ซึ่งการทำเช่นนี้จะทำให้ 8051 มีหน่วยความจำภายนอกเพียง 64 KB เท่านั้น แต่อย่างไรก็ตามเมื่อใช้วิธีการนี้แล้วจะทำให้ 8051 สามารถทำการรับข้อมูลเป็น Block ผ่านพอร์ตอนุกรม นำข้อมูลนี้ไปเก็บในหน่วยความจำและทำการ execute ข้อมูลนี้เป็นโปรแกรมได้ ขั้นตอนนี้เรียกว่าการ download program เทคนิคนี้นิยมใช้ในการเปลี่ยนโปรแกรมของระบบควบคุมในระยะทางไกลที่มี microprocessor เป็นพื้นฐาน โดยปกติแล้วโปรแกรมที่กำกับขั้นตอนการ download program จะถูกเก็บอยู่ใน ROM
