クロック同期型のCPUは、[[クロック|クロック信号]]によって規則正しいタイミングで各部の動作を統制されている。同じアーキテクチャのCPUであればクロック[[周波数]]が高い方が高速に動作し、一定時間に多くのことを処理できる。ただしその代わりに消費電力や発熱が大きくなるという問題も発生する。多くのCPUでは、大まかに言って[[制御装置]]が命令の解釈と[[プログラム(コンピュータ)|プログラム]]の制御の流れを制御し、[[演算装置]]が演算を実行する。高性能なCPUや、非ノイマン型のCPUや、画像処理向けのCPUは、同時に複数の命令を実行できるように複数の実行部を同一IC内に持っているものがある。動作.ノイマン型CPUの基本的な動作は、その実装に関わらずプログラムと呼ばれる命令列を順番に実行することである。最初の段階であるフェッチとは、実行すべき命令(ある数値または数値の並び)をプログラムの置かれたメモリから取り出すことである。メモリ上の実行すべき命令の位置は[[プログラムカウンタ]]で指定される。プログラムカウンタはCPUが現在見ているプログラム上の位置を示しているとも言える。命令フェッチに使用されると、プログラムカウンタはフェッチしたぶんだけ増加させられる。CPUがメモリからフェッチした命令によってCPUの次にすべきことが決定される。デコードでは、命令をCPUにとって意味のある形式に分割する。命令を表す数値をどう分割するかは、予めそのCPUの[[命令セット]]で決定される。命令の一部の数値は命令コードと呼ばれ、実行すべき処理を指定する。その他の部分はオペランドと呼ばれ、その命令で使用する情報を示している。たとえば加算命令のオペランドは加算すべき数値を示している。オペランドには数値そのものが書かれていたり、数値のある場所(メモリのアドレスかレジスタの番号)が書かれている。古い設計では、デコーダ(デコードを行う部分)は変更不可能なハードウェア部品だった。しかし、より複雑で抽象的なCPUや命令セットでは[[マイクロプログラム方式]]がしばしば使われ、命令を様々な信号に変換するのを助けている。このマイクロプログラムは書き換え可能な場合があり、製造後でも命令デコード方法を変更することができる。