Os processadores respondem aos comandos do programa (ou, por extensão, do programador) através da linguagem de máquina, na forma de números binários, que representam 0 = 0 Volts e 1 = 5 Volts, por exemplo. Essa linguagem nada mais é do que a interpretação de uma "tabela" de instruções onde cada instrução ("opcode") tem uma tarefa a executar dentro do processador.
Esses "opcodes" ou instruções são armazenadas na memória de programa (ROM ou RAM) e o processador vai lendo, decodificando e executando sequencialmente uma a uma.
Toda a sequência de eventos ocorridos dentro do "chip" do microprocessador, desde a energização do sistema, é comandada pelo relógio ("clock"), que envia pulsos aos componentes eletrônicos arranjados de forma a constituírem uma complexa máquina de estados. Cada 0 e 1 armazenado eletronicamente na memória de programa inicializa e põe em funcionamento essa máquina de estados, dando instruções para o próximo estado.
Normalmente são necessários vários ciclos do relógio para satisfazer (ou estabilizar) completamente o sistema, dependendo do tipo de "instrução" com o qual ele foi alimentado.
A quantidade de instruções desejada pelo projetista do sistema vai determinar o número mínimo de bits (zeros e uns) necessários para completar o conjunto dessas instruções. Assim, com 1 bit só temos 2 estados ou instruções possíveis. Com 2 bits, 4 instruções (00, 01, 10, 11). Com 4 bits, 16 instruções, e assim por diante.
Essa quantidade é a palavra do processador.
Mas quer dizer que com 64 bits são possíveis mais de 18.000.000.000.000.000.000 instruções?
Sim, mas para entender melhor o porquê dessa palavra tão grande, vamos prosseguir...
A operação com cada instrução é feita, normalmente, em duas etapas: busca ("fetch"), onde a instrução é transferida da memória para o circuito do decodificador de instruções; e execução propriamente dita. Veja Ciclo de Instrução.
Tomando-se como exemplo o microprocessador 8085, de 8 bits, as instruções mais rápidas, normalmente de apenas um byte, são executadas em quatro ciclos do relógio ("clock"), e as mais lentas, aquelas em que o processador necessita buscar na memória mais dois bytes de dados, em até 16 ciclos. Ao todo, esse processador possui 74 instruções e o relógio chegava ao máximo de 5 MHz.
Como podemos perceber, os antigos processadores eram pouco eficazes com relação ao tempo de processamento de instruções. O maior desempenho pode ser conseguido: pelo aumento da frequência do relógio ("clock"), tendo limitações físicas (elétricas e magnéticas) dos barramentos (interligações); pelo aumento do número de bits externos, que também possuem limitações quanto ao espaço físico; pela redução do número de ciclos para executar cada instrução, o que atualmente é feito pelo encadeamento dos ciclos de busca de instrução com o de decodificação e/ou pela utilização de memória "cache"; pela execução paralela de instruções ou multiprocessamento ou, por último, pelo aumento do número de bits processados internamente, ou seja, a ALU (Unidade de Lógica e Aritmética) os registradores e o(s) acumulador(es) com capacidade maior: 16 bits, 32 bits, 64 bits...
Revendo a história dos microprocessadores, o primeiro, 4004 da Intel, tinha palavra de 4 bits. As instruções eram divididas em dois "nibbles", ou seja, 4 bits ou meio byte: o primeiro era o "opcode", o segundo o modificador. Mais dois "nibbles" poderiam compor o endereço ou dados de instruções maiores. Veja o manual em PDF desse chip em 4004 datasheet. Apesar de ele ter instruções equivalentes a um processador de 8 bits, só conseguia realizar cálculos (ele foi projetado para calculadora!) diretamente com não mais do que 4 bits.
Atualmente os processadores já não decodificam as instruções apenas por meio de dispositivos físicos de lógica, mas por microprogramas, e utilizam-se da mais avançada e complexa arquitetura.
Dentro de cada "opcode" está embutida muito mais informação do que aquelas antigas instruções. Além disso, o processador, aliás, cada um dos diversos processadores é capaz de manipular e efetuar cálculos com números com muito mais algarismos e casas decimais, em prol de uma maior eficiência.