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CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發出各種控制命令，執行微操作系列，從而完成一條指令的執行。指令是計算機規定執行操作的類型和操作數的基本命令。指令是由一個字節或者多個字節組成，其中包括操作碼字段、一個或多個有關操作數地址的字段以及一些表征機器狀態的狀態字以及特征碼。有的指令中也直接包含操作數本身。
提取
第一階段，提取，從存儲器或高速緩沖存儲器中檢索指令(為數值或一系列數值)。由程序計數器(Program Counter)指定存儲器的位置，程序計數器保存供識別目前程序位置的數值。換言之，程序計數器記錄了CPU在目前程序里的蹤跡。提取指令之后，程序計數器根據指令長度增加存儲器單元。指令的提取必須常常從相對較慢的存儲器尋找，因此導致CPU等候指令的送入。這個問題主要被論及在現代處理器的快取和管線化架構。
解碼
CPU根據存儲器提取到的指令來決定其執行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片斷。根據CPU的指令集架構(ISA)定義將數值解譯為指令。一部分的指令數值為運算碼(Opcode)，其指示要進行哪些運算。其它的數值通常供給指令必要的信息，諸如一個加法(Addition)運算的運算目標。這樣的運算目標也許提供一個常數值(即立即值)，或是一個空間的定址值：暫存器或存儲器位址，以定址模式決定。在舊的設計中，CPU里的指令解碼部分是無法改變的硬件設備。不過在眾多抽象且復雜的CPU和指令集架構中，一個微程序時常用來幫助轉換指令為各種形態的訊號。這些微程序在已成品的CPU中往往可以重寫，方便變更解碼指令。
執行
在提取和解碼階段之后，接著進入執行階段。該階段中，連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。例如，要求一個加法運算，算數邏輯單元(ALU，Arithmetic Logic Unit)將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數值，而輸出將含有總和的結果。ALU內含電路系統，易于輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算(比如加法和位元運算)。如果加法運算產生一個對該CPU處理而言過大的結果，在標志暫存器里，運算溢出(Arithmetic Overflow)標志可能會被設置。
寫回
最終階段，寫回，以一定格式將執行階段的結果簡單的寫回。運算結果經常被寫進CPU內部的暫存器，以供隨后指令快速存取。在其它案例中，運算結果可能寫進速度較慢，但容量較大且較便宜的主記憶體中。某些類型的指令會操作程序計數器，而不直接產生結果。這些一般稱作“跳轉”(Jumps)，并在程式中帶來循環行為、條件性執行(透過條件跳轉)和函式。許多指令也會改變標志暫存器的狀態位元。這些標志可用來影響程式行為，緣由于它們時常顯出各種運算結果。例如，以一個“比較”指令判斷兩個值的大小，根據比較結果在標志暫存器上設置一個數值。這個標志可藉由隨后的跳轉指令來決定程式動向。在執行指令并寫回結果之后，程序計數器的值會遞增，反覆整個過程，下一個指令周期正常的提取下一個順序指令。如果完成的是跳轉指令，程序計數器將會修改成跳轉到的指令位址，且程序繼續正常執行。許多復雜的CPU可以一次提取多個指令、解碼，并且同時執行。這個部分一般涉及“經典RISC管線”，那些實際上是在眾多使用簡單CPU的電子裝置中快速普及(常稱為微控制(Microcontrollers))。
基本結構
CPU包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。
運算邏輯部件
運算邏輯部件，可以執行定點或浮點的算術運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執行地址的運算和轉換。
寄存器部件
寄存器部件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定點數和浮點數兩類，它們用來保存指令中的寄存器操作數和操作結果。通用寄存器是中央處理器的重要組成部分，大多數指令都要訪問到通用寄存器。通用寄存器的寬度決定計算機內部的數據通路寬度，其端口數目往往可影響內部操作的并行性。專用寄存器是為了執行一些特殊操作所需用的寄存器。控制寄存器通常用來指示機器執行的狀態，或者保持某些指針，有處理狀態寄存器、地址轉換目錄的基地址寄存器、特權狀態寄存器、條件碼寄存器、處理異常事故寄存器以及檢錯寄存器等。有的時候，中央處理器中還有一些緩存，用來暫時存放一些數據指令，緩存越大，說明CPU的運算速度越快，目前市場上的中高端中央處理器都有2M左右的二級緩存，高端中央處理器有4M左右的二級緩存。
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