在计算机硬件的架构中，CPU作为核心组件，其内部结构起着至关重要的作用。CPU的内部结构可被细分为控制单元、逻辑运算单元以及存储单元，这其中还涉及到了内部总线和缓冲器的运用。
控制单元：是CPU的指挥和调控中心。它负责完成数据处理过程的调配工作，并依据用户预设的程序，依次从存储器中提取指令，放置在指令寄存器中。通过指令译码，确定应进行何种操作，并由操作控制器按照既定的时序，向相应部件发出微操作控制信号。操作控制器内包含节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路以及启停电路等逻辑控制组件。
运算单元：其核心任务是执行指令以获得最终结果。它能够进行算术运算（如加减乘除等基本运算及附加运算），同时也支持逻辑运算（如移位、逻辑测试或值比较）。运算单元的动作均由控制单元发出的控制信号所指挥。
存储单元：主要职责是存储原始数据和运算结果。这包括CPU内部的缓存以及寄存器组。寄存器组是暂时存放数据的区域，存储着待处理或已处理的数据。由于访问寄存器的时间较访问内存为短，因此使用寄存器可减少CPU访问内存的次数，从而加速其工作速度。但因芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量相对有限。寄存器组又可细分为专用寄存器和通用寄存器。
以一个造车工厂为例来阐释CPU的工作原理，其核心可类比为车间。其中，运算器的功能类似于工厂中的工人，负责加工材料和组装车辆等任务。而控制器则担任着协调各部件、调度资源和管理资源的重要角色，如同车间的一般。
随着工作的推进，若发现单个车间的效率不足以应对需求时，便会增加新的车间以提高整体效率，这就是我们常听到的CPU核心数——双核、四核、八核等。当原材料的加工量增加，导致搬运工人不足或距离过远时，工作效率会下降。在车间旁增设一个临时存放原材料的空间变得必要，这便类似于CPU中的存储单元。
在执行存储的指令序列时，即程序执行过程中，会经历取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回等阶段。每个阶段都紧密相连，确保程序的顺利执行。
在取指令阶段，程序计算器PC中的数值指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值会自动递增，以便下一条指令的取出。
而在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式对取回的指令进行拆分和解释，为执行阶段做好准备。
进入执行阶段后，CPU的不同部分将被连接起来以完成指令所规定的操作。根据指令需要可能进入访存取数阶段，从主存中读取操作数进行运算。
最后的结果写回阶段将执行阶段的运行结果数据写入到内部寄存器或主存中。在每个指令周期结束后，若无意外事件发生，计算机将从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环。