Ein Computer nach Von-Neumann-Architektur besteht im Wesentlichen aus einem Hauptprozessor und einem Hauptspeicher, die über ein Bus-System verbunden sind.
Der Hauptprozessor besteht aus der ALU, aus Registern (auf die schneller zugegriffen werden kann als auf den Hauptspeicher) sowie aus einer Steuerungseinheit bestehend aus Programmzähler und einem Schaltnetz, dass die ausgeführte Maschineninstruktion mit Hilfe der ALU verarbeitet und dabei Ein- und Ausgabe der ALU geeignet adressiert. In der Regel wird nach einer Instruktion der Programmzähler erhöht, um die nächste Instruktion auszuführen. Bei Sprungbefehlen wird er stattdessen auf die in der Instruktion angegebene Sprungadresse gesetzt.
Alle Komponenten eines Computers können letztendlich auf NAND-Gatter und Flip-Flops zurückgeführt werden. NAND- Gatter zu komplexen Schaltnetzen zusammenzuschalten ist ein wesentliches Abstraktionsmittel, um Operationen auf Binärdaten in Hardware zu realisieren. Schaltnetze mit Flip-Flops zu synchronen Schaltwerken zu kombinieren ist das andere wesentliche Abstraktionsmittel für den Bau von Computern, denn es ermöglicht, Ergebnisse zu speichern und komplexe Instruktionen durch Hintereinader-Ausführung einfacherer Instruktionen zu implementieren.
Das bisher vorgestellte Rechner-Modell bietet scheinbar keine Möglichkeit, Daten in den Computer einzugeben oder von diesem ausgeben zu lassen. Für eine informationsverarbeitende Maschine, deren einzige Aufgabe es ist, Eingabe-Information in Ausgabe-Information zu transformieren, erscheint das als ein nicht unerheblicher Nachteil.
Glücklicherweise brauchen wir die bisher vorgestellte Architektur konzeptuell nicht zu erweitern, um Ein- und Ausgabe von Daten zu ermöglichen. Durch sogenanntes Memory-Mapped I/O (I/O für Input/Output) kann der Computer auf Ein- und Ausgabegeräte zugreifen, wie auf den Hauptspeicher und so Daten einlesen oder ausgeben. Dabei wird einem angeschlossenen Gerät ein festgelegter Speicherbereich zugewiesen, der zu jedem Zeitpunkt den aktuellen Zustand des Geräts reflektiert.
Zum Beispiel kann einer Tastatur ein Register des Hauptspeichers zugeordnet werden, in dem zu jedem Zeitpunkt eine binäre Kodierung der gerade gedrückten Taste abgelegt wird. Der Computer kann dann durch Lesen dieses Registers Tastatureingaben verarbeiten.
Zur Ausgabe kann einem Bildschirm ein festgelegter Speicherbereich (zum Beispiel mit einem Register pro Bildpunkt) zugeordnet werden. Der Computer kann dann durch Schreiben in diesen Speicherbereich Ausgaben auf dem Bildschirm erzeugen.