一、从冯•诺依曼体系说起
冯•诺依曼体系结构将计算机分为运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备这五个部分。到目前为止，我们所使用到的计算机基本都是采用冯•诺依曼体系结构所设计的。
采用冯•诺依曼体系结构实现了“存储程序”的概念，即将程序存储在计算机的内存中，从程序的第一条指令开始执行，并根据程序所规定的顺序执行以后的指令，知道程序执行完成。冯•诺依曼体系结构的五个部分可以对应到计算机的不同部件中，见图1：运算器和控制器共同构成CPU；存储器包含内存和硬盘以及CPU中也包含一部分存储器，比如各类寄存器；输入设备如键盘，麦克风等；输出设备如屏幕，音响。
CPU是Central Process Unit的缩写，中文名叫中央处理器。可以认为它是计算机的大脑。如图2所示，从功能上分，CPU内部包括控制器，运算器，寄存器和时钟四个部分。寄存器可用来寄存指令、数据等处理对象。根据种类的不同，一个CPU内部会有20~100个寄存器。控制器负责把内存上的指令、数据等读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。运算器负责运算从内存读入寄存器的数据。时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号。
1. CPU看似功能强大，但它只能按照程序指令来运行，而且它能够执行的指令也很有限。严格来说，CPU能够执行的指令只有以下四种：数据传送指令，运算指令，跳转指令，call/return指令。图3列出了这四种类型指令的功能。
三、硬盘与内存
硬盘和内存同属于存储器，但两者之间有着不小的差别。硬盘是利用磁效应来实现的，因此也成为磁盘，而内存使用电效应实现的。硬盘廉价而低速，内存则高速高价。除此之外，当计算机断电时，内存中的数据就全被清空了，而硬盘则可以将数据保存下来。
1. 硬盘的物理结构
硬盘的物理构成如图4所示。硬盘有许多盘面构成，每个盘片都有很多一圈一圈的磁道，每个磁道又分为一个一个的扇区。多个盘片上的同一位置的磁道组成了一个柱面。扇区是对磁盘进行物理读写的最小单位。在Windows中使用的磁盘，一般一个扇区为512字节。硬盘中数据的保存，必须以扇区或簇（扇区的整数倍）为单位。当要对硬盘上的某一个扇区进行访问时，需要先找到该扇区所在的磁道，然后找到对应扇区。
通过将从硬盘中读取的数据装载到内存中可以加快程序的运行速度。这是根据程序的时间局部性和空间局部性原理设计得到的。
- 时间局部性：一条被访问的指令，在接下来的时间内很可能在此被访问。
- 空间局部性：如果一条指令被访问，那么这条指令临近的指令接下来也很可能被访问。
根据局部性原理，当CPU需要读取一条指令或数据时，可以先访问内存，如果内存中有，则直接从内存中读取，否则再从硬盘中读取，并将其加载入内存。
当内存已经存满，有一条新的指令或数据要从硬盘写入内存时，就需要考虑将内存中哪一条指令或数据移除，这就时内存替换算法所需要完成的工作。内存替换算法包括：最近最少使用算法（Least-Recently-Used，LRU），先进先出算法（First in First out，FIFO），随机替换算法等等。
四、指令
接下来聊一聊计算机的指令。首先我们要对指令本身有一个认识。
指令是指挥计算机工作的命令，CPU的工作就是按照指令的要求来进行相应的操作，我们所写的程序，就是有一条条指令所构成的。比如MOV [1000] EAX就是一条指令，表示将地址1000出的数取出来放到EAX这个寄存器中（当然，计算机看到的并不是这样的汇编语言，而是机器语言）。
指令由操作码和操作数两部分组成。操作码是这条指令所要进行的操作所对应的序列号，比如MOV；而操作数是指令执行该操作时所需用到的数据，这里的数据往往是内存地址。不同的指令对应的操作不同，但这些指令的执行过程都必须包括以下三个步骤：
- 取指：将指令从内存中取出。计算机中，数据和指令都以二进制不加区分地存放在存储器中。取值阶段将指令从内存中取出，放到CPU内的指令寄存器上。
- 译码：对指令进行分析，即确定指令要进行怎样的操作。
- 执行：执行指令。
这三步是所有指令都必须包含的。对于有些指令，需要将结果写回存储器中，那么就需要在步骤3后再执行两个步骤，分别是：
4. 访存：得到写回到内存中的地址。
5. 写回：将数据写入内存。
CPU在执行同一条指令的不同步骤时，所需要用到的部件也是不一样的。指令流水就是根据这一特点来提升CPU执行指令的速度的。简单来说就是几条指令同时在CPU中执行，但出于不同的阶段，因此不会造成冲突，从而提高运行速度，减少CPU的空闲率。图5是指令流水一个简单示意图。
图5. 指令流水示意图