パイプライン処理は、現代的なマイクロアーキテクチャで最も使われているデータ処理方法である。この手法はほとんどの近代的なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、DSPに用いられている。パイプライン設計は複数の重複した実行処理ができ、あたかも工場の組み立てラインのようにふるまう。マイクロアーキテクチャ設計におけるパイプライン処理にはいくつかの基本的なステージがある。ステージにはフェッチ、デコード、実行、そして書き出しなどがあり、それ以外の、たとえばメモリアクセスなどのステージを含むアーキテクチャもある。パイプラインの設計は、マイクロアークテクチャ設計で行う中心的な仕事の一つである。
システムレベルの設計事項のうち、たとえばメモリコントローラなどの周辺回路を含むかどうか、といったこともマイクロアーキテクチャ設計プロセスの一部と考えられている。これにはパフォーマンスや接続方法についての選択も含まれる。
アーキテクチャ設計とは異なり、特定のパフォーマンスレベルを目指す際、マイクロアーキテクチャ設計では、制約条件により綿密に注意が払われる。マイクロアークテクチャの設計上の決定事項は直結的にシステムに影響するため、以下のような問題に注意を払わなければならない。
マイクロアーキテクチャの設計概念.
一般的に全てのCPUは、シングルチップでもマルチチップのマイクロプロセッサでも、プログラムを走らせるとき次のような段階的な演算をする。
以下は、現代的なCPUに一般的なマイクロアーキテクチャ技術についての調査である。
命令セットの選択.
パイプライン処理（パイプライン化）.
パフォーマンスを向上させるための最も重要な、そしてもっとも強力な手法の一つは命令パイプラインを用いることである。初期のプロセッサの設計では、プロセッサは上記のステップのすべてを次の命令に移る前に実行していた。これでは回路の大部分が上記の各ステップで待機状態になってしまう。たとえば実行やそのほかの段階では命令でコードの回路は待機状態になる。
キャッシュ.