一、從馮•諾依曼體系說起
馮•諾依曼體系結構將計算機分爲運算器，控制器，存儲器，輸入設備，輸出設備這五個部分。到目前爲止，我們所使用到的計算機基本都是採用馮•諾依曼體系結構所設計的。
採用馮•諾依曼體系結構實現了“存儲程序”的概念，即將程序存儲在計算機的內存中，從程序的第一條指令開始執行，並根據程序所規定的順序執行以後的指令，知道程序執行完成。馮•諾依曼體系結構的五個部分可以對應到計算機的不同部件中，見圖1：運算器和控制器共同構成CPU；存儲器包含內存和硬盤以及CPU中也包含一部分存儲器，比如各類寄存器；輸入設備如鍵盤，麥克風等；輸出設備如屏幕，音響。
CPU是Central Process Unit的縮寫，中文名叫中央處理器。可以認爲它是計算機的大腦。如圖2所示，從功能上分，CPU內部包括控制器，運算器，寄存器和時鐘四個部分。寄存器可用來寄存指令、數據等處理對象。根據種類的不同，一個CPU內部會有20~100個寄存器。控制器負責把內存上的指令、數據等讀入寄存器，並根據指令的執行結果來控制整個計算機。運算器負責運算從內存讀入寄存器的數據。時鐘負責發出CPU開始計時的時鐘信號。
1. CPU看似功能強大，但它只能按照程序指令來運行，而且它能夠執行的指令也很有限。嚴格來說，CPU能夠執行的指令只有以下四種：數據傳送指令，運算指令，跳轉指令，call/return指令。圖3列出了這四種類型指令的功能。
三、硬盤與內存
硬盤和內存同屬於存儲器，但兩者之間有着不小的差別。硬盤是利用磁效應來實現的，因此也成爲磁盤，而內存使用電效應實現的。硬盤廉價而低速，內存則高速高價。除此之外，當計算機斷電時，內存中的數據就全被清空了，而硬盤則可以將數據保存下來。
1. 硬盤的物理結構
硬盤的物理構成如圖4所示。硬盤有許多盤面構成，每個盤片都有很多一圈一圈的磁道，每個磁道又分爲一個一個的扇區。多個盤片上的同一位置的磁道組成了一個柱面。扇區是對磁盤進行物理讀寫的最小單位。在Windows中使用的磁盤，一般一個扇區爲512字節。硬盤中數據的保存，必須以扇區或簇（扇區的整數倍）爲單位。當要對硬盤上的某一個扇區進行訪問時，需要先找到該扇區所在的磁道，然後找到對應扇區。
通過將從硬盤中讀取的數據裝載到內存中可以加快程序的運行速度。這是根據程序的時間局部性和空間局部性原理設計得到的。
- 時間局部性：一條被訪問的指令，在接下來的時間內很可能在此被訪問。
- 空間局部性：如果一條指令被訪問，那麼這條指令臨近的指令接下來也很可能被訪問。
根據局部性原理，當CPU需要讀取一條指令或數據時，可以先訪問內存，如果內存中有，則直接從內存中讀取，否則再從硬盤中讀取，並將其加載入內存。
當內存已經存滿，有一條新的指令或數據要從硬盤寫入內存時，就需要考慮將內存中哪一條指令或數據移除，這就時內存替換算法所需要完成的工作。內存替換算法包括：最近最少使用算法（Least-Recently-Used，LRU），先進先出算法（First in First out，FIFO），隨機替換算法等等。
四、指令
接下來聊一聊計算機的指令。首先我們要對指令本身有一個認識。
指令是指揮計算機工作的命令，CPU的工作就是按照指令的要求來進行相應的操作，我們所寫的程序，就是有一條條指令所構成的。比如MOV [1000] EAX就是一條指令，表示將地址1000出的數取出來放到EAX這個寄存器中（當然，計算機看到的並不是這樣的彙編語言，而是機器語言）。
指令由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼是這條指令所要進行的操作所對應的序列號，比如MOV；而操作數是指令執行該操作時所需用到的數據，這裏的數據往往是內存地址。不同的指令對應的操作不同，但這些指令的執行過程都必須包括以下三個步驟：
- 取指：將指令從內存中取出。計算機中，數據和指令都以二進制不加區分地存放在存儲器中。取值階段將指令從內存中取出，放到CPU內的指令寄存器上。
- 譯碼：對指令進行分析，即確定指令要進行怎樣的操作。
- 執行：執行指令。
這三步是所有指令都必須包含的。對於有些指令，需要將結果寫回存儲器中，那麼就需要在步驟3後再執行兩個步驟，分別是：
4. 訪存：得到寫回到內存中的地址。
5. 寫回：將數據寫入內存。
CPU在執行同一條指令的不同步驟時，所需要用到的部件也是不一樣的。指令流水就是根據這一特點來提升CPU執行指令的速度的。簡單來說就是幾條指令同時在CPU中執行，但出於不同的階段，因此不會造成衝突，從而提高運行速度，減少CPU的空閒率。圖5是指令流水一個簡單示意圖。
圖5. 指令流水示意圖