Die Von-Neumann-Architektur besteht aus dem Rechenwerk (führt arithmetische und logische Operationen aus), dem Steuerwerk (liest Befehle und steuert den Ablauf), dem Speicherwerk (Hauptspeicher aus nummerierten Zellen), der Ein- und Ausgabe und den Leitungen dazwischen, den Bussen. Ihr Kern: Befehle und Daten liegen im selben Speicher als Bitmuster. Rechenwerk und Steuerwerk bilden den Prozessor mit schnellen Registern.

Der Adressbus trägt die Adresse der gewünschten Zelle vom Prozessor zum Speicher. Der Datenbus trägt den Inhalt der Zelle, in beide Richtungen. Ein Steuerbus meldet, ob gelesen oder geschrieben wird. Hat der Adressbus n Leitungen, lassen sich $2^n$ Zellen unterscheiden. Eine Modellmaschine ist eine vereinfachte Von-Neumann-Maschine, an der man den Ablauf von Hand durchspielt.

Eine Registermaschine rechnet mit Registern und Speicherzellen. Unsere Modellmaschine hat den Akkumulator AKK (Register für Zwischenergebnisse) und den Befehlszähler BZ (Adresse des nächsten Befehls). Z(a) ist die Zelle mit der Adresse a.

Der Befehlszyklus hat drei Phasen. Holen: Der Befehl in Z(BZ) kommt ins Befehlsregister BR, und BZ wird um 1 erhöht. Dekodieren: Das Steuerwerk erkennt Operation und Operand. Ausführen: Das Rechenwerk führt die Operation aus. Sprungbefehle überschreiben BZ und erzeugen Verzweigungen und Schleifen.

Der Prozessor führt nur Maschinensprache aus. Jeder Befehl ist ein Bitmuster aus Opcode (welche Operation) und Operand (meist eine Adresse). In unserer Maschine hat ein Befehl 8 Bit: 4 Bit Opcode und 4 Bit Adresse. Die Assemblersprache gibt jedem Opcode einen lesbaren Namen, und ein Assembler übersetzt sie eins zu eins in Maschinencode. Sie hängt vom Prozessortyp ab.

Das Steuerwerk führt jeden Maschinenbefehl als Folge von Mikrooperationen aus. Holen besteht aus AR := BZ, DR := Z(AR), BR := DR und BZ := BZ + 1 (AR ist das Adressregister, DR das Datenregister). Ausführen von ADD a ist AR := a, DR := Z(AR) und AKK := AKK + DR. Beim fest verdrahteten Steuerwerk erzeugen Gatter die Steuersignale. Bei einem Mikroprogramm steht die Folge der Mikrooperationen je Befehl in einem Festspeicher im Prozessor. Das macht den Befehlssatz leichter änderbar, ist aber tendenziell langsamer.

Programme entstehen auf mehreren Sprachebenen. Oben stehen Hochsprachen wie Python oder Java, lesbar und unabhängig vom Prozessor. Darunter liegen die Assemblersprache, die Maschinensprache, das Mikroprogramm und zuletzt die Hardware aus Gattern. Zwischen den Ebenen wird übersetzt. Ein Compiler übersetzt ein ganzes Programm vor der Ausführung in Maschinencode. Ein Interpreter liest das Programm und führt es Schritt für Schritt aus. Java und Python übersetzen zuerst in einen Zwischencode, den Bytecode, den eine virtuelle Maschine ausführt. Eine Anweisung einer Hochsprache wird zu mehreren Maschinenbefehlen: Aus $z = x + y$ werden LOAD, ADD und STORE.

Bei der Harvard-Architektur haben Befehle und Daten getrennte Speicher mit eigenen Bussen. Der Prozessor holt einen Befehl und liest oder schreibt zugleich Daten. Beim Von-Neumann-Rechner teilen sich beide einen Bus, der zum Flaschenhals wird. Der Preis der Trennung: Der Speicher lässt sich nicht flexibel zwischen Programm und Daten aufteilen, und Programme lassen sich nicht ohne Weiteres wie Daten in den Befehlsspeicher schreiben. Viele Mikrocontroller sind nach Harvard gebaut. Ein PC ist nach außen ein Von-Neumann-Rechner, hat aber im Prozessor getrennte Caches für Befehle und Daten.

Die Taktfrequenz nennt die Arbeitstakte je Sekunde. Ein Befehl braucht einen oder mehrere Takte. Beim Pipelining überlappen sich die Phasen: Während ein Befehl ausgeführt wird, wird der nächste schon dekodiert und der übernächste geholt. Mehrere Kerne führen Befehlsströme gleichzeitig aus.

Speicher kann nicht zugleich groß, schnell und billig sein. Darum gibt es eine Speicherhierarchie (die Zeiten sind Größenordnungen und je nach Gerät sehr verschieden):

Der Cache hält Kopien zuletzt benutzter Speicherbereiche nahe am Prozessor. Er hilft, weil Programme dieselben Daten oft wieder benutzen (zeitliche Lokalität) und danach die Nachbarn der Daten (räumliche Lokalität). Liest ein Programm ein Feld von vorn nach hinten, liegt der nächste Wert meist schon im Cache. Ein Programm, das im Speicher springt, verfehlt den Cache oft und wartet auf den Hauptspeicher.