واحد پردازش مرکزی
تاریخچه

کامپیوترهای ابتدایی همچون انیاک، برای انجام کارهای مختلف باید سیم‌کشی مجدد می‌شدند، از این جهت به آن‌ها «کامپیوترهای برنامه-ثابت» می‌گفتند. اصطلاح «واحد پردازش مرکزی»، از اوایل سال ۱۹۵۵ استفاده شده‌است. از آنجایی که اصطلاح CPU به‌طور کلی، به ابزاری برای اجرای نرم‌افزار (برنامهٔ کامپیوتر) گفته می‌شود، ابتدایی‌ترین ابزارهایی که به درستی CPU نام گرفتند، در واقع با ابداع رایانه‌های با قابلیت ذخیرهٔ برنامه به وجود آمدند.
ایدهٔ یک کامپیوتر ذخیره کنندهٔ برنامه، قبل از این در طراحی سیستم انیاک آقای جان پرسپر اکرت و جان ماکلی وجود داشت، اما در ابتدا حذف شد تا پروژه زودتر تمام شود. در ۳۰ ژوئن ۱۹۴۵ و قبل از ساخت انیاک، ریاضیدانی به نام جان فون نویمان مقاله‌ای را با عنوان "اولین پیش‌نویس یک گزارش در رابطه با ادواک (EDVAC)" منتشر کرد، که توصیفی کلی از یک کامپیوتر ذخیره‌کنندهٔ برنامه بود که سرانجام، در اوت ۱۹۴۹ کامل شد. کامپیوتر ادواک طوری طراحی شد تا تعداد خاصی از دستورالعمل‌ها (یا عملیات) مختلف را اجرا کند. با تفاوت چشمگیر، برنامه‌های نوشته شده برای EDVAC قابل ذخیره‌سازی در حافظهٔ سریع کامپیوتر بود و نه به شکل سیم‌کشی فیزیکی در کامپیوتر. این نوآوری موجب برطرف شدن برخی محدودیت‌های شدید انیاک شد، که عبارت بودند از: مدت زمان و تلاش زیاد برای پیکربندی مجدد کامپیوتر برای انجام یک کار جدید. با استفاده از طراحی جان فون نویمان، برنامه‌ای که کامپیوتر EDVAC می‌توانست اجرا کند، به سادگی با تغییر دادن محتویات حافظه قابل تغییر بود. با این وجود، EDVAC اولین کامپیوتر ذخیره‌کنندهٔ برنامه نبود. منچستر بیبی یک کامپیوتر کوچک تحقیقاتی با قابلیت ذخیره‌سازی برنامه بود که اولین برنامه را در ۲۱ ژوئن ۱۹۴۸ اجرا کرد و کامپیوتر Manchester Mark 1 اولین برنامهٔ خود را در شب ۱۶ یا ۱۷ ژوئن ۱۹۴۵ اجرا کرد.
اولین CPUها دارای طراحی سلیقه‌ای بودند و به‌عنوان بخشی از یک کامپیوتر بزرگ‌تر و گاهی خاص استفاده می‌شدند. با این حال، این روش سلیقه‌ای طراحی CPUها برای کاربری خاص، به‌طور چشمگیری راه را برای تولید پردازنده‌هایی با کاربرد چندگانه و به صورت انبوه هموار کرد. این استانداردسازی، در دورهٔ رایانه‌های بزرگ (Mainframe) ترانزیستوری گسسته و ریزرایانه‌ها (Minicomputer) شروع شد و با فراگیری مدارهای مجتمع (آی‌سی‌ها)، به‌سرعت شتاب پیدا کرد. آی‌سی، امکان طراحی و تولید CPUهای پیچیده‌تر را تا حد تحمل نانومتری فراهم کرد. هم کوچک‌سازی و هم استانداردسازی CPUها، موجب افزایش و فراگیری ابزارهای دیجیتال در زندگی مدرن شد، که بسیار بیشتر از کاربرد محدود آن‌ها در ماشین‌های محاسباتی اختصاصی بود. ریزپردازنده‌های جدید در ابزارهای الکترونیک، از خودروها گرفته تا گوشی‌های همراه و حتی گاهی در اسباب‌بازی‌ها وجود دارند.
جان وان نویمان، به دلیل طراحی کامپیوتر ذخیره کنندهٔ برنامه شناخته شده‌است، که به خاطر تلاش وی برای ساخت EDVAC است. بعدها این طراحی، معماری وان نویمان نام گرفت. با این وجود، افرادی قبل از او، نظیر کنراد تسوزه ایده‌های مشابهی را پیشنهاد و پیاده‌سازی کردند. معماری هاروارد نیز، که مربوط به Harvard Mark I است و قبل از EDVAC کامل شد، از طراحی ذخیره‌سازی برنامه استفاده کرد، که به جای حافظهٔ الکترونیک، از نوار کاغذی سوراخ شده استفاده می‌کرد. تفاوت کلیدی بین معماری‌های جان فون نویمان و هاروارد این است که در معماری هاروارد، ذخیره‌سازی و استفاده از دستورالعمل‌های CPU از داده‌ها جدا شده‌است، درحالی‌که در معماری جان فون نویمان از حافظهٔ یکسانی برای ذخیرهٔ داده‌ها و دستورالعمل‌ها استفاده می‌شود. بیشتر CPUهای جدید برمبنای جان فون نویمان طراحی شده‌اند. اما معماری هاروارد نیز وجود دارد، خصوصاً در کاربردهای نهفته، برای مثال، میکروکنترلرهای ای وی آر Atmel، در واقع پردازنده‌های مبتنی بر معماری هاروارد هستند.
رله‌ها و لامپ‌های خلاء یا همان لوله‌های ترمیونیک به‌طور شایعی به عنوان عناصر سوئیچ استفاده می‌شدند. یک کامپیوتر کاربردی نیاز به هزاران یا ده‌ها هزار ابزار سوئیچ دارد. سرعت کلی یک سیستم وابسته به سرعت سوئیچ‌ها است. کامپیوترهای لامپ خلاء (نظیر EDVAC) به‌طور میانگین ۸ ساعت از یک شکست تا شکست بعدی زمان می‌بردند، درحالی‌که کامپیوترهای رله‌ای نظیر، Harvard Mark I (که کندتر اما قدیمی‌تر است) به‌ندرت دچار شکست می‌شدند. درنهایت، CPUهای مبتنی بر لامپ‌های خلاء غلبه پیدا کردند، زیرا مزایای سرعت چشمگیر بیشتر از مشکل قابل اعتماد بودن است. بیشتر این CPUهای همگام، در مقایسه با طراحی‌های میکروالکترونیک جدید دارای سرعت‌های ساعتی پایین بودند. در آن زمان، فرکانس‌های سیگنال ساعت به‌طور شایع در محدودهٔ ۱۰۰ کیلو هرتز تا ۴ مگاهرتز بود که این سرعت، به میزان زیادی به دلیل سرعت ابزارهای سوئیچ مورد استفاده در داخل آن‌ها، محدود می‌شد.