在冯·诺依曼架构是一个理论上的设计，使一台计算机可以有一个程序存储在内部，作为对当前取得几乎所有计算机的基础。
冯·诺依曼机器由一个中央处理单元组成，该中央处理单元包括一个算术逻辑单元和一个控制单元，以及一个主存储器，辅助存储器和输入/输出设备。
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该体系结构假定每次计算都从内存中提取数据，进行处理，然后将其发送回内存。
在冯·诺依曼体系结构中，相同的存储器和相同的总线用于存储数据和执行程序的指令。
架构改进
由于无法同时访问数据和程序存储器，因此冯·诺依曼体系结构容易出现瓶颈，并且会削弱计算机性能。这就是所谓的冯·诺依曼瓶颈，其中功率，性能和成本都会受到影响。
所做的更改之一涉及重新考虑实际需要将多少数据发送到内存以及可以在本地存储多少数据。
这样，多个缓存和代理缓存无需将所有内容发送到内存，而是可以减少从处理器芯片到不同设备的数据流。
起源
1945年，第二次世界大战后，两位科学家独立提出了如何构建更具延展性的计算机。其中一位是数学家艾伦·图灵（Alan Turing），另一位是同样才华横溢的科学家约翰·冯·诺伊曼（John Von Neumann）。
英国人艾伦·图灵（Alan Turing）曾参与使用“巨像”计算机破解Bletchley Park中的Enigma代码。另一方面，美国人约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）一直在曼哈顿计划中制造第一枚原子弹，这需要大量的人工计算。
在那之前，战时计算机通过重新连接整个机器或多或少地被“编程”，以执行不同的任务。例如，第一台名为ENIAC的计算机需要三周时间才能重新连接以执行不同的计算。
新概念在于，不仅必须将数据存储在存储器中，而且还将处理该数据的程序存储在同一存储器中。
这种内部存储的程序体系结构通常称为“冯·诺依曼”体系结构。
这个新颖的想法意味着具有这种架构的计算机将更易于重新编程。确实，程序本身将与数据一样对待。
模型
冯·诺依曼模型的主要基础是认为程序内部存储在机器中。存储单元包含数据以及程序代码。架构设计包括：
来源：来自UserJaimeGallego-此文件来自冯·诺依曼Architecture.svg，CC BY-SA 3.0，commons.wikimedia.org
-中央处理器（CPU）
数字电路负责执行程序的指令。也称为处理器。CPU包含ALU，控制单元和一组寄存器。
逻辑算术单元
该架构的这一部分仅涉及对数据执行算术和逻辑运算。
可以进行加，乘，除和减法的常规计算，但也可以使用“大于”，“小于”，“等于”之类的数据比较。
控制单元
它控制着计算机的ALU，内存和输入/输出设备的操作，指示它们如何按照您刚刚从内存中读取的程序中的指令进行操作。
控制单元将管理将数据和程序移入和移出内存的过程。它还将照顾一次或顺序执行程序的指令。这包括保存中间值的寄存器的想法。
记录
它们是CPU上的高速存储区域。必须先将所有数据存储在寄存器中，然后才能进行处理。
存储器地址寄存器包含要访问的数据的存储器位置。存储器数据寄存器包含传输到存储器的数据。
-记忆
计算机将具有可以保存数据的存储器以及处理该数据的程序。在现代计算机中，此内存是RAM或主内存。该内存速度很快，CPU可以直接访问。
RAM分为单元。每个单元由一个地址及其内容组成。该地址将唯一标识内存中的每个位置。
-入口出口
这种架构允许捕获人需要通过输入输出设备与机器进行交互的想法。
-巴士
信息必须在计算机的不同部分之间流动。在具有冯·诺依曼（von Neumann）架构的计算机中，信息通过总线从一个设备传输到另一设备，从而将所有CPU单元连接到主存储器。
地址总线在处理器和存储器之间传送数据地址，而不传送数据地址。
数据总线在处理器，内存和输入输出设备之间传送数据。
冯·诺依曼架构如何运作？
冯·诺依曼体系结构的相关原理是，数据和指令都存储在内存中并被相同地对待，这意味着指令和数据是定向的。
它使用四个简单的步骤工作：查找，解码，执行，存储，称为“机器循环”。
指令由CPU从内存中获取。然后，CPU解码并执行这些指令。指令执行周期完成后，结果将存储回内存中。
搜索
在此步骤中，指令是从RAM中获取的，并被缓存以供控制单元访问。
解码
控制单元以逻辑算术单元可以理解的方式对指令进行解码，然后将其发送到逻辑算术单元。
跑
算术逻辑单元执行指令并将结果发送回高速缓存。
库存
一旦程序计数器指示停止，最终结果将下载到主存储器。
瓶颈
如果冯·诺依曼机器希望对内存中的数据执行操作，则必须通过总线将其传送到CPU。完成计算后，需要将结果通过同一总线移至内存。
当当前内存操作完成时，必须持续输入或从内存中删除数据时，将出现冯·诺依曼瓶颈。
也就是说，如果处理器刚刚完成计算并准备执行下一个计算，则它必须将占用总线的完成的计算写入内存，然后才能从也使用同一总线的内存中检索新数据。
随着时间的流逝，这个瓶颈变得越来越严重，因为微处理器提高了速度，另一方面，内存的提升还没有那么快。
优点
-控制单元以相同的方式从内存中检索数据和指令。因此，简化了控制单元的设计和开发，使其更加便宜和快捷。
-以相同的方式检索来自输入/输出设备和主存储器的数据。
-存储器的组织是由程序员进行的，这允许使用所有存储器容量。
-管理单个内存块更容易实现。
-微控制器芯片的设计要简单得多，因为将只访问一个存储器。关于微控制器的最重要的事情是访问RAM，并且在冯·诺依曼（von Neumann）架构中，它既可以用于存储数据，又可以用于存储程序指令。
操作系统开发
程序和数据具有相同的内存的主要优点是可以像对待数据一样处理程序。换句话说，您可以编写数据为其他程序的程序。
数据为另一个程序的程序仅是操作系统。实际上，如果程序和数据不允许在同一存储空间中使用（如冯·诺依曼体系结构那样），就不可能开发操作系统。
缺点
尽管优点远大于缺点，但问题是只有一条总线将存储器连接到处理器，因此一次只能提取一条指令或一条数据项。
这意味着处理器可能必须等待更长的时间才能等待数据或指令到达。这就是所谓的冯·诺依曼瓶颈。由于CPU比数据总线快得多，这意味着它通常处于空闲状态。
-由于指令的顺序处理，因此不允许并行执行程序。
-通过共享内存，有可能由于程序错误而将一条指令覆盖另一条指令，从而导致系统崩溃。
-一些有缺陷的程序用完它们后将无法释放内存，这可能会由于内存不足而导致计算机死机。
-数据和指令共享同一条数据总线，尽管通常必须以不同的速度检索它们。
参考文献
- 半导体工程（2019）。冯·诺依曼建筑。摘自：semiengineering.com
- 斯科特·桑顿（Scott Thornton）（2018）。冯·诺依曼和哈佛建筑之间有什么区别？单片机技巧。摘自：microchiptips.com。
- 教ICT（2019）。冯·诺依曼机器。摘自：teacher-ict.com。
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- 向C先生学习IT（2019）。冯·诺依曼机器。摘自：learnitwithmrc.co.uk。
- 固态媒体（2017）。计算机如何工作？冯·诺依曼建筑。摘自：solidstateblog.com。