לפי המודל, בנוי המחשב מארבע קבוצות רכיבים עיקריות. הרכיבים מחוברים ביניהם על ידי חבילות חוטים הנקראים "אפיקים" (באנגלית: buses). כלל הרכיבים מונָעים, לרוב, על ידי שעון פנימי או "טיימר" (אם כי גם אירועים אחרים יכולים להשפיע על בקרת הפעולה).
ארבע קבוצות הרכיבים הם:
התקני קלט־פלט.
התקני הקלט־פלט הם האמצעים שבעזרתם מתקשר המחשב עם העולם החיצון. בעזרת התקני הקלט מקבל המחשב מידע שלו הוא זקוק מהחוץ, ובאמצעות התקני הפלט הוא שולח החוצה מידע חיוני (תוצאות חישובים או הודעות אחרות שעליו להעביר). מכורח המציאות חייב כל מחשב לפחות מספר התקני קלט־פלט בסיסיים, אחרת לא נוכל להורות לו מה לעשות ולא נוכל לדעת את תוצאות הפעולות שהוא מבצע.
התקני קלט דרושים לשם העברת פקודות ונתונים למחשב. בלעדיהם לא נוכל להעביר למחשב את רצוננו ואז לא יהיה בו שום שימוש עבורנו. בעבר צוידו המחשבים בקורא כרטיסים מנוקבים, המידע הנחוץ הועבר למחשב בצורה בינארית כחורים על גבי הכרטיסים, והקורא תרגם זאת למספרים בזיכרון. כיום, התקני הקלט הבסיסיים, המצויים כמעט בכל מחשב, הם מקלדת ועכבר. במחשבים מסוימים יש התקני קלט נוספים, כמו הסורק ומצלמת האינטרנט, שמטרתם העברת מידע ייחודי יותר למחשב: במקרה של סורק ומצלמת אינטרנט מדובר בתמונות או בסרטים.
התקני פלט דרושים לשם העברת מידע מהמחשב לעולם החיצון, לרוב למשתמש. מידע זה כולל את תוצאות הפעולה שהתבקש המחשב לבצע, הודעה על שגיאות או על אזהרות, בקשות לקלט ובמקרה של מערכת משובצת מחשב, השפעה של ממש, לדוגמה הזזת רובוט. בעבר היה התקן הפלט העיקרי סוג כלשהו של מדפסת, שפלטה את תוצאות המחשב. כיום, התקן הפלט העיקרי הוא הצג, אך גם המדפסת והרמקולים שכיחים למדי. במקרה של מערכת משובצת מחשב, המכונה שעליה שולט המחשב היא התקן הפלט. אם למשל שולט המחשב על רובוט, אז הרובוט עצמו הוא התקן הפלט העיקרי של המחשב. ללא התקני הפלט לא יוכל המחשב לדווח על תוצאות הפעולה שביצע עבורנו והן יאבדו כאילו לא בוצעה הפעולה מעולם.
למרות החלוקה בין התקני קלט להתקני פלט, לעיתים משמש מכשיר אחד לשתי המטרות. לדוגמה, מכשור המשמש להעברת נתונים ממחשב אחד לשני הוא התקן פלט עבור המחשב האחד והתקן קלט עבור השני. כונן התקליטור, למשל, יכול לשמש הן כהתקן פלט (צריבה עבור מחשב אחר), הן כהתקן קלט (קבלת נתונים ממחשב אחר) והן כהתקן אחסון נתונים (שמירת נתונים צרובים עבור אותו מחשב).
קיימות קבוצות רבות של התקני קלט־פלט שונים. קבוצה אחת (נרחבת מאוד) של התקני קלט־פלט היא אמצעי אחסון המידע המשניים. עם קבוצה זו נמנים הדיסק הקשיח, כונן התקליטורים, הדיסק און קי ורבים אחרים שהמשותף ביניהם הוא, שכולם אמצעי אחסון מידע איטיים יחסית אך בעלי קיבולת מידע גבוהה ואמינות גבוהה (בניגוד לזיכרון המחשב המהיר עשרות מונים אך קטן יחסית ומתרוקן בכל הפעלה מחדש של המחשב). קבוצה נוספת היא זו של התקנים המאפשרים תקשורת בין מחשבים בכלל, וגישה לרשתות בפרט, בין אם לרשת מחשבים או לרשת האינטרנט. היכולת להעביר מידע בין קבוצות מחשבים פתחה חלון אפשרויות רחב במיוחד, בייחוד כאשר מדובר על מיליוני מחשבים המחוברים יחדיו ברשת האינטרנט. קיימים התקני קלט־פלט נוספים המיועדים למטרות ממוקדות יותר, החל ממצלמה, עבור הכנסת תמונה למחשב, וכלה במכשירים מתוחכמים יותר לשימושים מקצועיים, כמו התקנים המעבירים למחשב רישומי דופק או נוכחות זיעה ומשמשים, למשל, בעת ביצוע בדיקת פוליגרף.
הזיכרון.
זיכרון המחשב משמש לאחסון הפקודות והנתונים השונים.
ניתן להמשיל את זיכרון המחשב לרשימת תאים, לדוגמה תאי דואר. לכל תא יש כתובת ויכולת להכיל בתוכו כמות קבועה של מידע. הכתובת היא מספר ייחודי המייצג את התא, ובאמצעותו ניתן לגשת אל התא לשם אחסון מידע או אחזורו. התאים מצויים זה אחר זה בזיכרון, וכתובותיהם עוקבות. המידע יכול להיות פקודה המורה למחשב מה לעשות, או לחלופין נתון. הנתונים יכולים להיות הקלט שעל המחשב לעבד, תוצאות ביניים של חישובים שעשה המחשב ואולי ישתמש בהם בהמשך (מסיבה זו הזיכרון הוא חלק בלתי נפרד מתהליך העיבוד של המעבד), או התוצאות של פעולת המחשב. לפי ארכיטקטורת פון נוימן, לכל תא היכולת להכיל פקודה או נתון ואין צורך בתא מיוחד לכל אחד מסוגי המידע.
היחידה האריתמטית־לוגית.
היחידה האריתמטית־לוגית מסוגלת לבצע שלושה סוגים של פעולות בסיסיות:
יחידת השליטה.
יחידת השליטה היא הגורם הקושר יחדיו את כל הרכיבים. היחידה קוראת פקודות ומידע מהזיכרון או מהתקני הקלט־פלט. היא מפענחת את הפקודות ומתחילה לפעול לפיהן. היא מספקת ליחידה האריתמטית־לוגית את הנתונים הדרושים, לפי הפקודה, ומכוונת אותה לבצע את סוג הפעולה הנדרשת. לאחר מכן שולחת יחידת השליטה את התוצאה בחזרה אל הזיכרון או אל התקני הקלט־פלט המתאימים. בתוך יחידת השליטה ישנו מונה השומר את כתובת הזיכרון שבה שמורה הפקודה הנוכחית עליה עובד המחשב, שמו "מונה הפקודות". קיימות פקודות לבקרת זרימה, שמטרתן שינוי המונה או שינויו תחת תנאים מסוימים (אם מתקיים תנאי מסוים). בכך מתאפשרות חזרות מרובות על מספר פקודות (לולאות) או "קפיצות" לקטעי קוד אחרים (למשל, פונקציות). לעומת זאת, רוב הפקודות אינן משפיעות על המונה ולאחר ביצוען מקודם המונה במספר השקול לגודלה של פקודה (הגודל תלוי במחשב המדובר), דבר המוביל למעבר לפקודה הבאה ברצף הפקודות בזיכרון.
יחידת השליטה והיחידה האריתמטית־לוגית מזוהות לרוב כרכיב אחד הנקרא מעבד (CPU - Central Processing Unit). במרבית המחשבים, החל משנות ה־80 ועד ימינו, נמצאות יחידת השליטה והיחידה האריתמטית־לוגית על גבי רכיב אחד הנקרא מיקרומעבד. במעבד מתרחשות הבאת הפקודות, תרגומן, הבאת הנתונים, עיבודם ולבסוף, שמירת התוצאות בזיכרון.
מבין כל מרכיבי המחשב, המעבד הוא הקובע יותר מכל את אופיו של מחשב זה, ואת התוכניות שניתן לבצע עליו. לפיכך המעבד נחשב ל"מוחו" של המחשב.
אופן פעולת המחשב.
עקרון הפעולה של המחשב פשוט למדי, אולי פשוט עד כדי פליאה יחסית ליכולות המרשימות של מחשבים כיום.
אופן פעולת המחשב הוא פועל יוצא של מבנהו. המעבד קורא פקודה מהזיכרון, מבצע אותה (כאשר הוא נעזר ביחידה האריתמטית־לוגית שבמעבד לשם הביצוע), שומר את התוצאות בזיכרון, במידת הצורך, ואז קורא את הפקודה הבאה. תהליך זה נמשך עד שהמעבד מגיע לפקודת עצירה.
בשל פשטות אופי פעולתו של המעבד ניתן היה לצפות שכוחו הרב של המחשב נובע מאוסף פקודות רחב, אך למעשה מדובר במספר מצומצם של פקודות מוגדרות היטב ופשוטות למדי. כל פקודה ניתנת לסיווג לאחד או יותר מארבעת התחומים הבאים:
נראה שיש מכנה משותף בין סוגי הפקודות. העברת מידע ממקום למקום דומה למדי לביצוע הליך אריתמטי או לוגי על נתונים (למשל, חבר 0 לתוכנו של תא זיכרון 57 ושים את התוצאה בתא זיכרון 80, זהה להעתקת תוכנו של תא זיכרון 57 לתא זיכרון 80). שינוי רצף הפקודות נראה כאילו הוא מוכל בתחום של בדיקת נתונים (תמיד ניתן לשאול האם תא זהה לעצמו, ואם כן - לקפוץ לפקודה אחרת בזיכרון). הסיבה לכך נעוצה במבנה הפקודות. כמו הנתונים, מיוצגות גם הפקודות בקוד בינארי, רצף של 0 ו־1. לדוגמה, אחת מפקודות ההעתקה במעבדי אינטל x86 מיוצגת כך: 10110000. כל פקודה היא מספר מסוים שאותו מבין המעבד ולפיו הוא פועל. בנוסף, כל פקודה היא אטומית. כלומר, הפקודה "בדוק האם תוכנו של תא זיכרון מספר 73 קטן מתוכנו של תא זיכרון מספר 15 והכנס את התשובה לתא זיכרון מספר 14" היא פקודה אחת בודדת מבחינתו של המחשב. אין מדובר ברצף של פקודות ולא ניתן לבקש מהמחשב לבצע רק בדיקה או רק הכנסה. הפקודה "הכנס לתא זיכרון" היא פקודה נפרדת בעלת ייצוג בינארי שונה. אטומיות הפקודה משמעה שהמעבד יודע לבצע את הפקודה ברמת החומרה, כלומר, הרכיב עצמו מקבל את הפקודה ומאותו רגע מבצע אותה לבדו. הדבר שונה מהמקרה שבו צריך לקבל פקודה אחת להשוואה ופקודה אחרת להכנסה, משום שבמקרה שכזה היה צריך לגשת לזיכרון פעמים רבות יותר, וגישה לזיכרון היא תהליך איטי בהרבה מאשר ביצוע ברמת החומרה.
לכל מעבד אוסף פקודות שאותן הוא מבין. אוסף זה נקרא "שפת המכונה" של אותו מעבד. כפי שנאמר קודם, גישה לזיכרון לשם קבלת פקודה היא תהליך איטי יחסית ולכן פקודה אחת שמכילה בתוכה שתי פעולות תתבצע מהר יותר מאשר קבלת כל אחת מהפעולות בתור פקודה נפרדת. מצד שני, יקר יותר ומסורבל יותר לבנות מעבד המבין סוגים רבים של פקודות שונות. פרט לכך, הוספת פקודת ענק מקטינה את יעילותן של פקודות קטנות יותר. כל יצרן מעבדים בוחר לעצמו היכן עובר הגבול ועד כמה מורכבות תהיינה פקודותיו. למרות זאת, ישנן פקודות רבות שניתן למוצאן בנוסחים שונים בכל מעבד כמעט, הן בשל הצורך בהן והן בשל נסיבות היסטוריות: התרגלות ציבור המתכנתים לפקודות אלה.
מחשבים גדולים יותר כמו מחשבי־העל, שרתי חברות וכדומה, נבדלים מהדגם לעיל בעיקר במספר מעבדיהם: במקום מעבד אחד הם מכילים מספר מעבדים. מחשבי־על מסוימים מחזיקים אף אלפי מעבדים.
מעבר למעבד ולזיכרון מכילים מחשבים רבים חומרה נוספת לשם פעולות ייחודיות הנדרשות על ידי מערכות ההפעלה. רכיבים אלה תורמים בעיקר לביצועים מהירים יותר ולאו דווקא מוסיפים למחשב יכולות נוספות. המחשב מבצע בצורה רציפה את הפקודות שניתנות לו, יכולות החישוב שלו גדולות מאלה של האדם פי כמה אך לא כאן מסתכם כוחו הרב. הרבה מהיכולות המיוחסות למחשב נובעות לאו דווקא מיכולותיו המכניות אלא מהאלגוריתמים שנכתבו במיוחד כדי לנצל יכולות אלה. כתיבת תוכניות מורכבות על סמך הפקודות הבסיסיות שהוצגו כאן, מהווה חלק אינטגרלי בפעולת המחשב.
סיווג מחשבים.