AVR 內核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 （ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高 10 倍的數據吞吐率。

　　ATmega128具有如下特點：128K字節的系統內可編程 Flash（具有在寫的過程中還可以讀的能力，即 RWW）、4K 字節的 EEPROM、4K 字節的 SRAM、53 個通用 I/O 口線、32 個通用工作寄存器、實時時鐘 RTC、4 個靈活的具有比較模式和 PWM 功能的定時器 / 計數器 （T/C）、兩個 USART、面向字節的兩線接口 TWI、 8 通道 10 位 ADC（ 具有可選的可編程增益 ）、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、 SPI 串行端口、與 IEEE 1149.1 規范兼容的 JTAG 測試接口 （ 此接口同時還可以用于片上調試 ），以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時 CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統繼續工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態； ADC 噪聲抑制模式時 CPU 和所有的 I/O 模塊停止運行，而異步定時器和 ADC 繼續工作，以減少 ADC 轉換時的開關噪聲； Standby 模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式則允許振蕩器和異步定時器繼續工作。

　　器件是以 Atmel 的高密度非易失性內存技術生產的。片內 ISP Flash 可以通過 SPI 接口、通用編程器，或引導程序多次編程。引導程序可以使用任何接口來下載應用程序到應用 Flash存儲器。在更新應用Flash存儲器時引導Flash區的程序繼續運行，實現RWW操作。通過將 8 位 RISC CPU 與系統內可編程的 Flash 集成在一個芯片內， ATmega128 為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。

　　ATmega128 AVR有整套的開發工具，包括C編譯器，宏匯編，程序調試器 /仿真器和評估板。

　　ATmega128 是一個很復雜的微處理器，其 I/O 數目為 AVR 指令集所保留的 64 個 I/O 的超集。為了保持對 ATmega103 的兼容性， ATmega103 的 I/O 位置在 ATmega128 得到了保留。多數添加的 I/O 位于擴展的 I/O 空間 $60 到 $FF （ 即位于 ATmega103 的內部 RAM 空間 ）。這些地址可以通過指令 LD/LDS/LDD 和 ST/STS/STD 來訪問，而不是 IN/OUT 指令。對于 ATmega103 用戶而言，內部 RAM 可能還是個問題。此外，由于中斷向量的增加，若程序使用了絕對地址可能也是個問題。為了解決這些問題，ATmega128 設置了一個熔絲位 M103C。此熔絲位編程后就可以使 ATmega128 工作于 ATmega103 兼容模式。此時擴展 I/O 空間將無法使用，而內部 RAM 正好與 ATmega103 的一致。同時擴展的中斷向量也被取消了。

　　ATmega128百分之百與ATmega103引腳兼容，可以在PCB上取代ATmega103。應用手冊 “Replacing ATmega103 by ATmega128” 詳細告訴用戶在用 ATmega128 取代 ATmega103 時需要注意的地方。

　　通過編程熔絲位 M103C，從 RAM、 I/O 引腳和中斷向量的角度 ATmega128 將與 ATmega103 相兼容。但是， ATmega128 的一些新特點也就無法使用了。如下所示：

　　? 只剩下一個 USART，而且只支持異步模式。波特率寄存器只有低 8 位可用。

　　? 只有一個16位的定時器/計數器，兩個比較寄存器，而不是兩個16位定時器/計數器，三個比較寄存器。

　　? 不支持兩線接口。

　　? 端口 C 只能輸出。

　　? 端口 G 只能用做第二功能，而不能作為通用 I/O 端口。

　　? 端口 F 只能作為輸入，而不能作為 ADC 的模擬輸入引腳。

　　? 不支持引導程序功能。

　　? 不能夠調節片內 RC 振蕩器的頻率。

　　? 外部存儲器接口無法釋放任何一個地址引腳作為通用 I/O，也不能夠為不同的外部存儲器地址區配置不同的等待周期。下面的內容則使 ATmega128 更兼容 ATmega103：

　　? 在 MCUCSR 里只有 EXTRF 和 PORF。

　　? 改變看門狗溢出時間沒有時序要求。

　　? 外部中斷引腳 3 - 0 只能作為電平中斷。

　　? USART 沒有 FIFO 緩沖器。

　　在寫操作中， ATmega103 沒有使用的 I/O 應該寫 0。