CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后宣布各种操控指令，履行微操作系列，然后完结一条指令的履行。指令是计算机规则履行操作的类型和操作数的根本指令。指令是由一个字节或许多个字节组成，这中心还包含操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状况的状况字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数自身。

  第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令(为数值或一系列数值)。由程序计数器(Program Counter)指定存储器的方位，程序计数器保存供辨认现在程序方位的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在现在程序里的踪影。提取指令之后，程序计数器依据指令长度添加存储器单元。指令的提取有必要常常从相对较慢的存储器寻觅，因而导致CPU等候指令的送入。这样的一个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

  CPU依据存储器提取到的指令来决议其履行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。依据CPU的指令集架构(ISA)界说将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码(Opcode)，其指示要进行哪些运算。其它的数值一般供应指令必要的信息，比方一个加法(Addition)运算的运算方针。这样的运算方针或许供给一个常数值(即当即值)，或是一个空间的定址值：暂存器或存储器位址，以定址形式决议。在旧的规划中，CPU里的指令解码部分是无法改动的硬件设备。不过在很多笼统且杂乱的CPU和指令集架构中，一个微程序经常用来协助转化指令为各种形状的信号。这些微程序在已制品的CPU中往往能够重写，便利改动解码指令。

  在提取和解码阶段之后，接着进入履行阶段。该阶段中，连接到各种能够有用的进行所需运算的CPU部件。例如，要求一个加法运算，管用逻辑单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)将会连接到一组输入和一组输出。输入供给了要相加的数值，而输出将含有总和的成果。ALU内含电路系统，易于输出端完结简略的一般运算和逻辑运算(比方加法和位元运算)。假如加法运算发生一个对该CPU处理而言过大的成果，在标志暂存器里，运算溢出(Arithmetic Overflow)标志或许会被设置。

  终究阶段，写回，以必定格局将履行阶段的成果简略的写回。运算成果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它事例中，运算成果或许写进速度较慢，但容量较大且较廉价的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接发生成果。这些一般称作跳转”(Jumps)，并在程式中带来循环行为、条件性履行(透过条件跳转)和函式。许多指令也会改动标志暂存器的状况位元。这些标志可用来影响程式行为，缘因为它们经常显出各种运算成果。例如，以一个“比较”指令判别两个值的巨细，依据比较成果在标志暂存器上设置一个数值。这一个标志可藉由随后的跳转指令来决议程式意向。在履行指令并写回成果之后，程序计数器的值会递加，反覆整一个完好的进程，下一个指令周期正常的提取下一个次序指令。假如完结的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程序持续正常履行。许多杂乱的CPU能够一次提取多个指令、解码，而且一起履行。这个部分一般触及“经典RISC管线”，那些其实就是在很多运用简略CPU的电子设备中快速遍及(常称为微操控(Microcontrollers))。

  运算逻辑部件，能够履行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可履行地址的运算和转化。

  寄存器部件，包含通用寄存器、专用寄存器和操控寄存器。通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作成果。通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决议计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。专用寄存器是为了履行一些特别操作所需用的寄存器。操控寄存器一般用来指示机器履行的状况，或许坚持某些指针，有处理状况寄存器、地址转化目录的基地址寄存器、特权状况寄存器、条件码寄存器、处理反常事端寄存器以及检错寄存器等。有些时分，中央处理器中还有一些缓存，用来暂时寄存一些数据指令，缓存越大，阐明CPU的运算速度越快，现在市场上的中高端中央处理器都有2M左右的二级缓存，高端中央处理器有4M左右的二级缓存。

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