rogram (veya mikro-kod) konseptini kullanmaya başladı, ki bu konsept modern MİB’lerın çoğunda hala geniş bir biçimde kullanılmaktadır (Amdahl et al. 1964). System/360 mimarisinin popülerliği, onu birkaç onyıl boyunca anaçatı bilgisayar pazarını ele geçirmesini, ve IBM zSeries gibi benzer modern bilgisayarlarda kullanılır hale getirecek bir efsane olmasını sağladı. Aynı yılda (1964), Digital Equipment Corporation (DEC), bilimsel ve araştırma pazarlarını hedef seçmiş bir başka bilgisayar olan PDP-8’i piyasaya sürdü. Daha sonları ise DEC, SSI tümleşik devrelere kurulmuş olan ancak sonunda LSI bileşenlerin pratikleşmesiyle bunlarla gerçekleştirilmiş ve oldukça popüler olan PDP-11’i piyasaya sunacaktı. SSI ve MSI öncelleriyle sahip olduğu fark ile, PDP-11’in ilk LSI gerçekleştirilmesi, 4 LSI tümleşik devreden oluşan bir MİB’e sahipti (Digital Equipment Corporation 1975).

Transistör bazlı bilgisayarların, öncellerine kıyasla fazla sayıda ve belirgin avantajları vardı. Yüksek güvenilirlik ve az güç tüketiminin yanı sıra, transistörler sayesinde MİB çalışma hızları transistörlerin sahip olduğu düşük geçiş süreleri sayesinde oldukça artış gösterdi. Bu dönemde, yüksek güvenilirlik ve geçiş süresindeki belirgin hız artışı sayesinde, MİB’lerin saat hızlarında MHz'in on katları seviyesine erişildi. Ek olarak, ayrık transistör ve tümleşik devre MİB’leri sık kullanımda iken, SIMD (Tek Komut Çoklu Data) vektör işlemcileri gibi yeni yüksek performans tasarımlar ortaya çıkmaya başladı. Başlarda deneysel tasarım olan bu sistemler, daha sonraları ise Cray Inc. gibi firmalar tarafından üretilmiş, uzmanlaşmış süper bilgisayarların çağına adım atılmasını sağlayacaktı.

Mikroişlemcilerin 1970'lerde ortaya çıkması, MİB tasarımlarını ve kullanımını oldukça etkiledi. İlk mikroişlemci olan Intel 4004'ün çıkması (1970) ve yine ilk geniş çaplı kullanım sağlayan mikroişlemci olan Intel 8080 (1974) ile bu tip MİB'ler, merkez işlem birimini yürütme metotlarını tamamiyle ele geçirmiş oldu. O zamanki tüm üreticiler, bilgisayar mimarilerini geliştirebilmek için tümleşik devre geliştirme programları yayınladılar. Bunun sonucunda da eski yazılım ve donanımlarıyla geri-uyumlu olan komut set uyumlu mikroişlemciler ürettiler. Günümüzün kişisel bilgisayarlarının başarısıyla birleşince de MİB kelimesi genel olarak mikroişlemciler için de kullanılmaya başlandı.

Önceki nesil MİB’ler ayrık parçalardan ve pek çok küçük tümleşik devrelerin bir veya birden çok devre kartlarında bulunmasıyla gerçekleştiriliyordu. Mikroişlemciler ise, MİB’lerin çok az sayıda (genellikle bir) tümleşik devre üzerinde üretiminden oluşuyordu. MİB’lerin tek kalıp üzerinde üretilmesinin getirdiği bu boyut açısından bu küçülme, parasitik sığalık geçitlerinin azalması gibi fiziksel faktörler sebebiyle daha hızlı geçiş sürelerinin olmasına olanak sağladı. Bu sayede de senkron mikroişlemcilerin 10 MHz civarlarında olan saat hızları GHz seviyelerine taşındı. Ayrıca, olabildiğince ufak transistörlerin tümleşik devrelere yerleştirilmedeki artış, tek bir MİB’de sahip olunan transistör sayısını ve karmaşıklığı da artırdı. Bu geniş gözlem, Moore Kuralı ile tanımlanmıştır ve bu kuralın MİB'deki kompleks yapının zamana bağlı olarak artışının oldukça keskin bir tahminini yapabildiği ispatlanmıştır.

Her ne kadar MİB’in karmaşıklığı, ebatları, tasarımı ve genel şekli fazlasıyla değişmiş olsa da temel yapısının ve fonksiyonunun değişmediği görülmektedir. Günümüzde yaklaşık her MİB von Neumann kayıtlı-program makineleri olarak adlandırılabilir.

Moore Kuralı geçerli olmaya devam ettiğinden, tümleşik devre transistör teknolojilerinin sahip olabileceği limitleri hakkında endişeler ortaya çıkmaya başladı. Olabildiğince minyatürleme sonucu ortaya çıkabilecek elektron göçü ve eşikaltı voltajı durumları önemsenecek boyutlara gelmeye başladı. Bu tip endişeler, araştırmacıları yeni metotlar aramaya (quantum bilgisayarı, paralelliğin kullanımının gelişimi) yöneltti.

Çoğu MİB’nin temel işlemi, aldıkları fiziksel formdan bağımsız olarak, kayıtlı komut serilerisi dediğimiz programları yürütmektir.. Program, bilgisayar belleğinde saklanan seri sayılar ile gösterilir. Genel olarak von Neumann MİB’leri işlemi 4 adımda gerçekleştirirler: Getirme (fetch), kodçözücü (decode), yürütme (execute) ve geri yazma (writeback).

Bu evre, program belleğinden komutu almayı içerir. Program belleğindeki yer, programın o andaki yerini bir sayıyla tutan program sayıcı tarafından belirlenir. Başka bir deyişle, program sayıcı, MİB'nin o andaki programın hangi kısmında olduğunun yerini tutmaktadır. Bir komut alındıktan sonra program sayıcı, alınan komutun boyunun bellek birim cinsinden değeri kadar artırılır. Bazen getirilmesi gereken komut hızca daha yavaş bir bellekten alınır, böylece MİB'nin komutun geri dönmesini beklerken zaman kazanması sağlanır. Bu konu modern işlemcilerde bellekler ve boru hattı mimarilerinde geniş olarak incelenmektedir.

MİB'nin bellekten getirdiği komut, MİB'nin ne yapacağını belirlemede kullanılır. İşte bu kodçözme evresinde, komut MİB'deki önem oranına göre parçalara ayrılır. Sayısal kodun değerinin yorumlanması, MİB'nin komut set mimarisi (Instruction Set Architecture) ile tanımlanır. Genelde, komuttaki sayiların bir grubu, işlem kodu, hangi işlevin gerçekleştirmesi gerektiğini gösterir. Geri kalan kısımdaki sayılar komut için gerekli bilgileri sağlarlar (örneğin bir toplam işlemi için gereken işlenen değerler). Bu tip işlenenler sabit bir sayı olarak verilebileceği gibi, bazen de bir değeri gösterecek yer olarak (yazmaç veya bellek adresi) olarak verilebilir. Eski tasarımlarda, MİB'nin komut çözme işinde sahip olduğu kısımlar değiştirilemez donanımsal parçalardı. Ancak MİB'lerin ve ISA’ların gelişmesiyle, kodun çözümünde ve gerekli ayarların yapılmasında MİB'ye yardımcı olan mikroprogramlar kullanılmaya başlandı. Bu mikroprogramlar, MİB'nin kodçözme şeklini üretiminden sonra da değiştirebilmek için, bazı durumlarda tekrar yazılabilir olurlardı.

Bu evrede, istenen işin gerçekleşebilmesi için MİB'nin birçok kısmı bağlı haldedir. Örneğin, bir toplama işlemi istendiğinde, aritmetik ve mantık birimi (Arithmetic Logic Unit) bir kısım giriş ve çıkışlara bağlı olacaktır. Girişler toplamada kullanılacak sayıları içerirken, çıkışlar ise sonuç değerini tutacaktır. ALU, girişlerde basit aritmetik ve mantık işlemlerini gerçekleştirecek devre yapılarına sahiptir. Eğer toplama işlemi MİB'nin gerçekleştirebileceğinden çok büyük sonuçlar üretiyorsa, bayrak yazmaçlarındaki aritmetik taşma bayrağı kullanılacaktır.

Basitçe yürütme evresindeki sonucu bir bellek üzerine geri yazma evresidir. Çoğu zaman sonuçlar MİB'nin iç yazmaçlarına, daha sonraki komutlarda kullanımı hızlı olabilsin amacıyla, yazılır. Diğer durumlarda ise sonuçlar daha yavaş ancak daha ucuz ve büyük ana belleklere yazılır. Bazı komut tipleri program sayacını direk sonuç üretmeden sadece işlerler. Bunlara genellikle atlama (jumps) denir ve döngü, durumsal program yürütme ve program fonksiyonları gibi davranırlar. Bazı komutlar ise bayrak yazmaçlarının durum değerlerini değiştirme amaçlı olurlar. Bu bayraklar, işlemlerin sonucunu gösterdiğinden, programın çalışma şeklini etkilemek amaçlı kullanılabilirler. Örneğin, “karşılaştırma” komutunun bir çeşidi, iki değeri kıyaslar ve bayrak yazmaçlarına hangisinin büyük olduğuna dair bir sayı atar. Bu bayrak daha sonra program akışı acısından başka bir komuta atlama amaçlı kullanılabilr.

Yürütme ve geri yazma evresinden sonra, tüm işlemler tekrarlanır. Bir sonraki komut program sayacının onceden artırılması sebebiyle getirme evresiyle başlatılır. Eğer önceden tamamlanan komut bir atlama ise, program sayacı bir sonraki adresi gösterecek şekilde tekrar ayarlanır ve yürütme ona göre yapılır. Burada bahsettiğimiz MİB'lerden daha gelişmiş olanlarında, birden çok komut aynı anda getirilebilir, kodçözme everisine girebilir ve yürütülebilir. Bu kısım genel olarak klasik RISC Boruhattı başlığında incelenen konuları anlatmaktadır, ki birçok elektronik aygıtta (mikrodenetleyici) bu basit MİB kullanılmaktadır.

Kontrol birimi olan MİB, içinde elektrik sinyalini direk bilgisayar sistemine taşınmasını ve kaydedilmesini sağlayan bir döngü sistemine sahiptir. Kontrol ünitesi program direktiflerin çalıştırmaz, bunun yerine sistemin diğer parçalarını bunu yapması için yönetir. Kontrol ünitesi hem aritmetik/logic ünitesi hem de hafıza ile iletişim kurmalıdır.

MİB'nin sayıları gösterme şekli bir dizayn tercihidir ve aygıtın çalışma biçimini etkiler. İlk dijital bilgisayarların bazıları, iç yapılarında sayıları göstermek için ondalık sayı sisteminin elektriksel modelini kullanmışlardır. Bunların dışındaki birkaç model ise üçlü sayı sistemini kullanmıştır. Günümüz MİB'lerinın hemen hemen hepsi ise ikili formu kullanmaktadır. Bu formda her basamak iki değerli bir fiziksel niceliği, örneğin yüksek(High) veya düşük(Low) voltaj, gösterir.

Sayıların gösterim şekli, MİB'nin gösterebileceği sayilarin büyüklüğü ve doğruluğu ile ilişkilidir. İkili sayı kullanan bir MİB'de, MİB'nin ilgilendiği sayilardaki tek bir yerin adına bit denmektedir. MİB'nin sayilari göstermek için kullandığı bit sayisina genelde kelime uzunluğu, bit genişliği, veri yolu genişliği veya tamamen tam sayılarla ilgileniliyorsa tam sayi keskinliği denir. Bu sayi (bit sayisi) mimariler arasında farklılık gösterdiği gibi aynı zamanda da aynı MİB'nin farklı bölümlerinde de bu farklılığı gösterir. Örneğin 8-bit bir MİB, 28 veya 256 ayrı sayı aralığıyla ilgilenmektedir. Bu tam sayı büyüklüğü, bir MİB'nin yazılım çalıştırırken kullanılabilecek tam sayı aralığını belirlemede bir donanımsal kısıtlama olarak iş yapmış olur.

Tam sayı aralığı, MİB'nin adres belirlerken bellekte kullanabileceği yer sayısını da doğrudan etkileyebilir. Örneğin, eğer bir MİB bellek adresini gösterirken 32 bit kullanıyorsa, ve her bellek adresi bir sekizli(8 bit) ile gösteriliyorsa, bu durumda MİB'nin erişebileceği maksimum adres değeri 232 sekizlisi veya 4 GiB dir. Bu akış açısı MİB “Adres Uzayı”’n