CPU主要包括兩個(gè)部分，即控制器、運(yùn)算器，其中還包括高速緩沖存儲(chǔ)器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。電子計(jì)算機(jī)三大核心部件就是CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備。CPU的功效主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)。

注：指令集的軟硬件層次之分：硬件指令集是硬件層次上由CPU自身提供的可執(zhí)行的指令集合。軟件指令集是指語言程序庫所提供的指令，只要安裝了該語言的程序庫，指令就可以執(zhí)行。

CPU控制技術(shù)的主要形式，時(shí)間控制。將時(shí)間定時(shí)應(yīng)用于各種操作中，就是所謂的時(shí)間控制。在執(zhí)行某一指令時(shí)，應(yīng)當(dāng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，CPU的指令是從高速緩沖存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器中取出，之后再進(jìn)行指令譯碼操作，主要是在指令寄存器中實(shí)施，在這個(gè)過程中，需要注意嚴(yán)格控制程序時(shí)間。

更優(yōu)化的CPU架構(gòu)是superscalar架構(gòu)（超標(biāo)量架構(gòu)）。這種架構(gòu)將取指、解了碼、執(zhí)行單元分開，有大量的執(zhí)行單元，然后每個(gè)取指 解了碼的部分都以并行的方式運(yùn)行。比如有2個(gè)取指 解了碼的并行工作線路，每個(gè)工作線路都將解了碼后的指令放入一個(gè)緩存緩沖區(qū)等待執(zhí)行單元去取出執(zhí)行。

用戶態(tài)的CPU，只允許執(zhí)行指令集中的部分指令。一般而言，IO相關(guān)和把內(nèi)存保護(hù)相關(guān)的所有執(zhí)行在用戶態(tài)下都是被禁止的，此外其它一些特權(quán)指令也是被禁止的，比如用戶態(tài)下不能將PSW的模式設(shè)置控制位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)。

控制器之所以知道數(shù)據(jù)放哪里、做什么運(yùn)算(比如是做加法還是邏輯運(yùn)算?)都是由指令告訴控制器的，每個(gè)指令對應(yīng)一個(gè)基本操作，比如加法運(yùn)算對應(yīng)一個(gè)指令。例如，將兩個(gè)MDR寄存器(保存了來自內(nèi)存的兩個(gè)數(shù)據(jù))中的值拷貝到ALU中，然后根據(jù)的操作指令執(zhí)行加法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果拷貝會(huì)一個(gè)MDR寄存器中，后寫入到內(nèi)存。

用戶態(tài)CPU想要執(zhí)行特權(quán)操作，需要發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用來請求內(nèi)核幫忙完成對應(yīng)的操作。其實(shí)是在發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，CPU會(huì)執(zhí)行trap指令陷入(trap)到內(nèi)核。當(dāng)特權(quán)操作完成后，需要執(zhí)行一個(gè)指令讓CPU返回到用戶態(tài)。除了系統(tǒng)調(diào)用會(huì)陷入內(nèi)核，更多的是硬件會(huì)引起trap行為陷入內(nèi)核，使得CPU控制權(quán)可以回到操作系統(tǒng)，以便操作系統(tǒng)去決定如何處理硬件異常。