处理机的处理能力有多种指标和参数。通常用每秒最快执行的百万条指令数(MIPS)来度量。对具有向量处理能力的处理机，则用每秒最多能给出的百万个浮点处理结果数（MFLOPS）来度量。此外，还常用处理数据率(PDR)来评价处理机的处理能力。处理数据率(PDR)的定义是执行每条指令传送的平均位数与指令处理平均速率的乘积。在早期的计算机中，处理机的结构是以运算器为中心的，大多采用串行工作方式。数据的输入－输出(I/O)传送都要经过运算器。随着固态电子器件替代真空电子器件,中央处理器(CPU)的数据处理能力大为提高。机电式外围设备的数据传送速度已无法与它相比。因而输入－输出操作的传输控制部件从中央处理器分离出来成为接口部件、通道或直接存储器存取（DMA）部件,并且出现了中断系统的设计技术，从而有效地增强了处理机的处理能力。同时，处理机结构转变成为以主存储器为中心。之后，又出现了互连处理机各部件的总线结构。随着微电子技术的进步和计算机系统结构的发展，已能用大规模集成电路构成不同结构的和适应不同用途的处理机，如阵列处理机、向量处理机、数组处理机、数据库处理机、输入－输出处理机和将整个处理机制作在几个硅片上的微处理器等。
处理机的操作是首先将用户程序和数据通过输入－输出设备输入到主存储器（主存）或辅助存储器。中央处理器从主存取出指令，完成对指令的解释，执行控制操作；若是运算型指令，还须从主存取出数据，由运算器完成运算。结果通常暂存在运算器或送回主存。
处理机执行程序过程涉及输入-输出操作、主存-辅存的信息交换，这些都要经过输入、输出接口部件。处理机与外界的这种信息交换有三种方式。①中断方式：即程序I/O。每传送一个位组（如一个字或字节）产生一次中断,由CPU执行相应的中断程序完成。这种方式主要用于慢速输入-输出设备。②直接存储器存取(DMA)方式:在硬件线路控制下直接在快速输入-输出设备和主存之间完成一条输入－输出指令规定的信息量交换。③通道控制方式：各通道各有自己的通道程序,实现输入-输出指令规定的主存和输入-输出设备之间的信息交换。
从系统结构角度，按处理机执行的指令流和与指令流相关的数据流的关系，有单指令流单数据流（SISD）处理机、单指令流多数据流（SIMD）处理机和多指令流多数据流（MIMD）处理机。SISD处理机的程序是按单一指令序列执行的，操作数据亦按对应的指令确定的单一顺序逐个处理。大多数处理机都属于这一类。SIMD和MIMD处理机又称并行处理机。并行处理机的目的在于提高处理机的数据处理能力。SIMD处理机以处理向量数据为主，故又称向量处理机。其中以单个指令执行部件和多个相同的运算处理器构成的处理机称为阵列（式）处理机,如美国的伊利阿克ILLIAC-Ⅳ。以生产流水线方式组织指令部件(称先行控制)和运算功能部件的SIMD处理机，称为流水线处理机，如中国1983年研制成功的“银河”计算机的处理机。联想处理机则是采用按内容检索的联想存储器为主要特征的SIMD处理机。至于MIMD处理机，实际上是多处理机系统，它是多个相同的处理机通过公共主存储器相互耦合构成有多重处理能力的系统。