冯·诺依曼架构（Von Neumann Architecture）

冯·诺依曼架构是一种将程序指令和数据存放在同一存储器中、由中央处理器按顺序取出并执行的计算机体系结构，因数学家约翰·冯·诺依曼在1945年的《EDVAC报告书的第一份草案》中系统阐述而得名，是现代通用计算机的理论基石。

概述

在冯·诺依曼架构出现之前，早期计算机（如ENIAC）通过重新接线来改变计算任务，修改程序极为繁琐。冯·诺依曼提出存储程序的概念：把程序也当作数据一样编码后放进存储器，机器即可自动逐条读取并执行指令。这一思想让计算机第一次具备了通用性，只需更换软件就能完成不同任务。此后的EDSAC、EDVAC以及今天的个人电脑、服务器和手机处理器，本质上都遵循这一架构。

核心特点

• 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
• 存储程序：指令与数据以二进制形式共同存放在同一存储器中，地址统一编码。
• 顺序执行：处理器按程序计数器指示的地址依次取指、译码、执行，遇到跳转指令时改变执行流。
• 单一总线：指令和数据共用同一条访存通路，同一时刻只能进行一种访问。

冯·诺依曼瓶颈

由于指令与数据共享同一条存储通路，处理器速度再快也必须等待存储器传输，存储带宽成为性能上限，这被称为冯·诺依曼瓶颈。现代计算机通过多级缓存、指令预取、分支预测、哈佛式的分离一级缓存等手段大幅缓解了这一问题，但没有从根本上改变架构。近年来的存算一体、神经形态芯片等研究方向，正是试图突破这一瓶颈。

应用场景

从台式机、笔记本电脑、服务器到智能手机的主处理器，绝大多数通用计算设备都采用冯·诺依曼架构或其改良形式。它与哈佛架构相对：后者将指令存储与数据存储物理分离，多见于单片机和数字信号处理器。

常见问题

问：现代CPU还是纯粹的冯·诺依曼架构吗？答：不完全是。主存层面仍是统一编址的冯·诺依曼结构，但一级缓存普遍分为指令缓存和数据缓存，属于改良的哈佛结构，学界常称之为混合架构。

问：冯·诺依曼架构最大的缺点是什么？答：是存储器访问速度远低于处理器运算速度造成的瓶颈，处理器大量时间花在等待数据上，因此需要缓存等层层加速机制。

问：这一架构是冯·诺依曼一个人发明的吗？答：存储程序思想是当时多位科学家（包括埃克特、莫奇利等）共同工作的成果，冯·诺依曼因执笔总结报告而使该架构以他的名字命名，这一署名问题在计算机史上一直存在争议。