馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種将程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數據的寬度相同，數學家馮·諾依曼提出了計算機制造的三個基本原則，即采用二進制邏輯、程序存儲執行以及計算機由五個部分組成（運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備），這套理論被稱為馮·諾依曼體系結構。

現代計算機發展所遵循的基本結構形式始終是馮·諾依曼機結構。這種結構特點是“程序存儲，共享數據，順序執行”，CPU 從存儲器裡取出指令和數據進行相應的計算。 主要特點有：

• （1）單處理機結構，機器以運算器為中心；
• （2）采用程序存儲思想；
• （3）指令和數據一樣可以參與運算；
• （4） 數據以二進制表示；
• （5）将軟件和硬件完全分離；
• （6） 指令由操作碼和操作數組成；
• （7）指令順序執行。

（1）運算器：計算機中執行各種算術和邏輯運算操作的部件。運算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術邏輯部件（ALU）；

（2）控制器：由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序産生器和操作控制器組成，它是發布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。運算器和控制器統稱中央處理器，也叫做CPU。中央處理器是電腦的心髒；

（3）存儲器：存儲器分為内存和外存。内存是電腦的記憶部件，用于存放電腦運行中的原始數據、中間結果以及指示電腦工作的程序。外存就像筆記本一樣，用來存放一些需要長期保存的程序或數據，斷電後也不會丢失，容量比較大，但存取速度慢。當電腦要執行外存裡的程序，處理外存中的數據時，需要先把外存裡的數據讀入内存，然後中央處理器才能進行處理。外存儲器包括硬盤、光盤和優盤；

（4）輸入設備：輸入設備是向計算機輸入數據和信息的設備。是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。輸入設備是用戶和計算機系統之間進行信息交換的主要裝置之一。鍵盤，鼠标，攝像頭，掃描儀，光筆等都屬于輸入設備。

（5）輸出設備：是計算機硬件系統的終端設備，用于接收計算機數據的輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設備操作等。也是把各種計算結果數據或信息以數字、字符、圖像、聲音等形式表現出來。常見的輸出設備有顯示器、打印機等。

馮.諾依曼體系結構是現代計算機的基礎，現在大多計算機仍是馮.諾依曼計算機的組織結構，隻是作了一些改進而已，并沒有從根本上突破馮體系結構的束縛。馮.諾依曼也因此被人們稱為“計算機之父”。

然而由于傳統馮.諾依曼計算機體系結構天然所具有的局限性，從根本上限制了計算機的發展。根據馮·諾依曼體系結構構成的計算機，必須具有如下功能：把需要的程序和數據送至計算機中。必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力。能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。能夠根據需要控制程序走向，并能根據指令控制機器的各部件協調操作。能夠按照要求将處理結果輸出給用戶。 将指令和數據同時存放在存儲器中，是馮·諾依曼計算機方案的特點之一。

馮·諾依曼提出的計算機體系結構，奠定了現代計算機的結構理念。

說到馮諾依曼結構，就不得不談到哈佛結構。 馮·諾依曼結構的特點是：數字計算機的數制采用二進制；計算機應該按照程序順序執行；計算機由輸入設備，輸出設備，運算器，控制器，存儲器五部分組成.

哈佛結構的計算機由CPU；程序存儲器；數據存儲器。是為了高速數據處理而采用的，它的特點是将程序指令和數據分開存儲，由于數據存儲器與程序存儲器采用不同的總線，因而較大的提高了存儲器的帶寬，使之數字信号處理性能更加優越。

簡而言之，如果你的計算機是哈佛結構的，你就得在電腦安裝兩塊硬盤，一塊裝程序，一塊裝數據，内存裝兩根，一根儲存指令，一根存儲數據，而馮·諾依曼指令和數據是混合存儲的，結構上簡單，成本低，這成為現在主流計算機是馮·諾依曼結構而不是哈佛結構的一個重要原因。

早期由于種種軟硬件等種種方面的原因，馮·諾依曼體系結構從計算機的發展史中脫穎而出，但由于科技的發展已經人們計算需求的提升，馮·諾依曼體系結構的弊端也暴露出來了。

馮·諾依曼計算機的軟件和硬件完全分離，适用于作數值計算。這種計算機的機器語言同高級語言在語義上存在很大的間隔，稱之為馮.依曼語義間隔。造成這個差距的其中一個重要原因就是存儲器組織方式不同，馮·諾依曼機存儲器是一維的線性排列的單元，按順序排列的地址訪問。而高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調用變量，不考慮訪問方法，而且數據結構經常是多維的（如數組，表格）。

在大多數高級語言中，數據和指令截然不同，并無指令可以像數據一樣進行運算操作的概念。同時，高級語言中的每種操作對于任何數據類型都是通用的，數據類型屬于數據本身，而·諾依曼機的數據本身沒有屬性标志，同一種操作要用不同的操作碼來對數據加以區分。這些因素導緻了語義的差距。如何消除如此大的語義間隔，這成了計算機面臨的一大難題和發展障礙。

馮·諾依曼結構開啟了計算機系統結構發展的先河，但是因為其集中、順序地的控制而成為性能提高的瓶頸，馮·諾依曼體系結構的局限已經嚴重束縛了現代計算機的進一步發展，而非數值處理應用領域對計算機性能的要求越來越高，這就亟待需要突破傳統計算機體系結構的框架，尋求新的體系結構來解決實際應用問題。

因此各國科學家仍然在探索各種非馮·諾依曼結構目前在體系結構方面已經有了重大的變化和改進，如并行計算機、數據流計算機以及量子計算機、 函數式編程語言計算機等非馮計算機，它們部分或完全不同于傳統的馮.諾依曼型計算機，很大程度上提高了計算機的計算性能。

近幾年來人們努力謀求突破傳統馮·諾依曼體制的局限，各類非諾依曼化計算機的研究如雨後春筍蓬勃發展，主要表現在以下四個方面：

• （1）對傳統馮·諾依曼機進行改良，如傳統體系計算機隻有一個處理部件是串行執行的，改成多處理部件形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率。
• （2）由多個處理器構成系統，形成多指令流多數據流支持并行算法結構。這方面的研究目前已經取得一些成功。
• （3）否定馮·諾依曼的控制流驅動方式。設計數據流驅動工作方式的數據流計算機，隻要數據已經準備好，有關的指令就可并行地執行。這是真正非諾依曼化的計算機，這樣的研究還在進行中，已獲得階段性的成果，如神經計算機。
• （4）徹底跳出電子的範疇，以其它物質作為信息載體和執行部件，如光子、生物分子、量子等。 衆多科學家正在進行這些前瞻性的研究。

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