Tổ chức và thiết kế vi xử lý là lĩnh vực nơi những nguyên lý tính toán được chuyển hóa thành cấu trúc phần cứng cụ thể. Mỗi quyết định về cách tổ chức thanh ghi, điều khiển luồng lệnh hay thiết kế bộ nhớ đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng, độ trễ và mức tiêu thụ năng lượng của toàn hệ thống. Đây không phải là tri thức có thể nắm vững chỉ bằng việc đọc sơ đồ hay ghi nhớ khái niệm; nó đòi hỏi khả năng phân tích, suy luận và hình dung cơ chế vận hành bên trong.