معمارية فون نيومان
المكونات الأساسية

تَصف البنية حاسبًا ذا أربعة أقسام رئيسية:
- وحدة الحساب والمنطق (ALU)، وهي المسؤولة عن تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية.
- ودائرة التحكم، وهي المسؤولة عن تنسيق أنشطة الحاسب وتنفيذ الأوامر.
- الذاكرة، وهي المسؤولة عن تخزين الأوامر والبيانات.
- أجهزة الإدخال والإخراج (I/O)، وهي المسؤولة عن إدخال البيانات إلى الحاسب وإخراج النتائج منه.
هذه الأجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الأسلاك (تسمى «النواقل» عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات)، وتكون في العادة مساقه بمؤقت أو ساعة (مع أن الأحداث الأخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).
فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسب كأنها قائمة من الخلايا ولكل خلية لها عنوان مرقم وتستطيع الخلية تخزين كمية قليلة وثابتة من المعلومات. هذه المعلومات من الممكن أن تكون إما تعليمه (أمر) والتي تخبر الحاسب بما يجب أن يفعله وإما أن تكون بيانات وهي المعلومات التي يقوم الحاسب بمعالجتها باستخدام الأوامر التي تم وضعها على الذاكرة عموما، يمكن استخدام أي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.
إن وحدة الحساب هي قلب الحاسب؛ فهي قادرة على تنفيذ نوعين من العمليات الأساسية: الأولى هي العمليات الحسابية، جمع أو طرح رقمين سويا. إن مجموعة العمليات الحسابية قد تكون محدودة جدا، حتى أن بعض التصميمات لا تدعم عمليتا الضرب والقسمة بطريقة مباشرة (عوضا عن الدعم المباشر، يستطيع المستخدمون دعم عمليتي الضرب والقسمة وذلك من خلال برامج تقوم بمعالجات متعددة للجمع والطرح والأرقام الأخرى). القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب والمنطق هي عمليات المقارنة: بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي أو عدم تساوي الرقمين وتحديد أي الرقمين هو الأكبر.
أنظمة الإدخال والإخراج هي الوسائل التي تجعل الحاسب يستقبل المعلومات من الخارج ويقرر النتائج ثانية. في الحاسب الشخصي العادي تتضمن أجهزة الإدخال مكونات مثل لوحة المفاتيح والفأرة وتتضمن أجهزة الإخراج الشاشات والطابعات وما يشابهها، ولكن من الممكن توصيل مجموعة ضخمة ومتنوعة من الأجهزة إلى الحاسب وتعمل كأجهزة إدخال وإخراج.
نظام التحكم يجمع كل ذلك. إن وظيفته هي قراءة الأوامر والبيانات من الذاكرة أو من أجهزة الإدخال والإخراج، وكذلك فك شفرة الأوامر، تغذي وحدة الحساب والمنطق بالمدخلات الصحيحة طبقا للأوامر، تخبر وحدة الحساب والمنطق بالعملية الواجب تنفيذها على تلك المدخلات وتعيد إرسال النتائج إلى الذاكرة أو إلى أجهزة الإدخال والإخراج. يعتبر العداد من المكونات الرئيسية في نظام التحكم والذي يقوم بمتابعة عنوان الأمر الحالي، في العادة يزداد قيمة العنوان في كل مرة يتم فيها تنفيذ الأمر إلا إذا أشار الأمر نفسه إلى أن الأمر التالي يجب أن يكون في عنوان آخر (ذلك يسمح للحاسب بتنفيذ نفس الأوامر بطريقة متكررة).
بدءًا من ثمانينات القرن العشرين، صارت كل من وحدة الحساب والمنطق ووحدة التحكم (يسميان مجتمعان بوحدة المعالجة المركزية CPU) في المعتاد موجودتان في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الدقيق (المايكروبروسيسور)(microprocessor).
إن آلية عمل أي حاسب في الأساس تكون واضحة تماما. في المعتاد، في كل دورة زمنية يقوم الحاسب بجلب الأوامر والبيانات من الذاكرة الخاصة به. يتم تنفيذ الأوامر، يتم تخزين النتائج، ثم يتم جلب الأمر التالي. هذا الإجراء يتكرر حتى تتم مقابلة أمر التوقف.
إن الأوامر التي تقوم وحدة التحكم بتفسيرها وتقوم وحدة الحساب والمنطق بتنفيذها يكون عددها محدود، ومحددة بدقة وتكون عمليات بسيطة جدا. بصفة عامة، فإنها تندرج ضمن واحد أو أكثر من أربعة أقسام:
نقل بيانات من مكان لآخر (مثال على ذلك أمر «يخبر» وحدة المعالجة المركزية أن «تنسخ محتويات الخلية 5 من الذاكرة ووضع النسخة في الخلية 10»)
تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية على بيانات (على سبيل المثال «قم بإضافة محتويات الخلية 7 إلى محتويات الخلية 13 وضع الناتج في الخلية 20»)
اختبار حالة البيانات («لو أن محتويات الخلية 999 هي 0 فإن الأمر التالي يكون موجود في الخلية 30»)
تغيير تسلسل العمليات (يغير المثال السابق تسلسل العمليات ولكن الأوامر مثل «الأمر التالي يوجد في الخلية 100» تكون أيضا قياسية).
إن الأوامر تكون ممثلة مثل البيانات في صورة شفرة ثنائية (نظام للعد قاعدته الرقم 2). على سبيل المثال، الشفرة لنوع من أنواع عملية «نسخ» في المعالجات الدقيقة من نوع Intel x86 هي 10110000. إن الأمر الجزئي يكون معد بحيث أن حاسب معين يدعم ما يعرف بلغة آلة الحاسب. إن استخدام لغة الآلة سابقة التبسيط جعلها أكثر سهولة لتشغيل برامج موجودة على آلة جديدة: وهكذا في الأسواق حيثما تكون إتاحة البرامج التجارية أمرا ضروريا فإن المزودين يتفقون على واحد أو عدد صغير جدا من لغات الآلة البارزة.
إن الحاسبات الأكبر مثل (minicomputers و mainframe computers و servers) تختلف عن الأنواع السابقة في أمر هام هو أن بدلا من وجود وحدة معالجة مركزية واحدة فإنه في الغالب يوجد أكثر من وحدة. غالبا ما تمتلك الحاسبات السوبر بنيات غير عادية بدرجة كبيرة وهذه البنيات مختلفة اختلافاً ملحوظاً عن بنية البرنامج المخزن الأساسية وفي بعض الأحيان تحتوي على الآلاف من وحدة المعالجة المركزية، ولكن مثل هذه التصميمات تصبح ذات فائدة فقط لأغراض متخصصة.