定义

冯诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也称为普林斯顿体系结构（Princeton architecture），是一种计算机架构理论，由匈牙利数学家和物理学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）在1945年提出。这一体系结构是现代计算机设计的基础，其核心思想是将程序指令和数据存储在同一个读写内存中，使计算机能够按照存储的指令顺序自动执行操作。

该体系结构由五大部件组成：

1. 存储器是用来存放数据和程序的。
2. 算术逻辑单元主要运行算数运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到运算器中。
3. 控制单元主要用来控制和指挥程序和数据的输入运行，以及处理运算结果。
4. 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等。
5. 输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等。

这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要 CPU 从存储器取出指令和数据进行相应的计算，计算后又把结果写回存储器。

主要特点：

1. 存储程序控制：这是冯诺依曼体系结构最核心的特点之一。在这种架构中，计算机程序的指令和所需数据预先存储在同一个可读写的内存中。计算机按照程序存储的指令顺序执行操作，这意味着可以通过改变存储在内存中的指令来改变计算机的行为，而无需更改硬件。

2. 处理单元：冯诺依曼体系结构包含一个中央处理单元（CPU），它由两个主要部分组成：算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）。ALU负责执行所有的算术运算和逻辑运算，而CU解释内存中的指令并控制数据在系统中的流动。

3. 顺序处理：在冯诺依曼体系结构中，指令被顺序地处理。每次操作过程中，计算机从内存中取出一条指令，解码，然后执行。这种顺序执行模式简化了计算机设计，但也导致了所谓的“冯诺依曼瓶颈”，限制了数据和指令传输速度。

4. 统一的存储结构：指令和数据在内存中共享相同的空间，没有物理上的区分。这种设计简化了计算机架构，但也使得指令和数据必须通过同一条通路进行传输，进一步加剧了冯诺依曼瓶颈问题。

5. 输入/输出机制：冯诺依曼体系结构还包括输入/输出设备，允许计算机与外界进行数据交换。这些设备通过I/O接口与CPU和内存通信，使得计算机能够接收输入数据和发送输出结果。

6. 二进制系统：冯诺依曼体系结构的计算机使用二进制数制来表示数据和指令。这种使用0和1的系统简化了计算机的电子设计，并使得数据处理和存储变得高效。

缺陷：

冯诺依曼体系结构虽然奠定了现代计算机设计的基础，但随着计算需求的不断增长和技术的发展，其固有的一些缺陷也逐渐显现出来。以下是冯诺依曼体系结构的主要缺陷：

1. 冯诺依曼瓶颈：这是最主要的局限之一。在冯诺依曼体系结构中，CPU（中央处理单元）通过一个单独的总线从内存中获取数据和指令。由于数据和指令共享同一通道，导致数据传输速度受到限制，这就是所谓的“冯诺依曼瓶颈”。随着处理器速度的提升，内存访问速度成为系统性能的瓶颈。

2. 顺序执行限制：冯诺依曼体系结构的另一个核心特点是程序指令必须顺序执行。尽管现代计算机采用了指令预取、流水线等技术来改善执行效率，但顺序执行的原则限制了并行处理的可能性，影响了处理速度。

3. 安全性问题：由于程序和数据使用相同的存储空间，恶意软件可以更容易地修改程序代码，引发安全问题。例如，缓冲区溢出攻击就是利用这一点来执行恶意代码。

4. 资源利用率：在某些情况下，冯诺依曼体系结构可能无法充分利用所有硬件资源。例如，当执行大量的输入/输出操作或等待外部设备时，CPU可能会出现空闲状态，从而降低了资源的利用效率。

为了克服这些缺陷，研究人员和工程师们开发了多种不同的计算机架构，如哈佛架构（在此架构中，数据和指令被分开存储在不同的内存中，减轻了冯诺依曼瓶颈的影响）、数据流架构、并行计算架构等。此外，现代计算机系统也采用了各种技术和策略，如缓存、多级存储结构、多核处理器、向量处理等，来提高性能和安全性，减少冯诺依曼体系结构的限制。