Chapitre 1 : Le modèle de Von Neumann¶

Programme officiel (B.O.)¶

B.O. spécial n° 1 du 22 janvier 2019 - NSI Première

Contenus	Capacités attendues	Commentaires
Modèle d'architecture séquentielle (von Neumann).	Distinguer les rôles et les caractéristiques des différents constituants d'une machine. Dérouler l'exécution d'une séquence d'instructions simples du type langage machine.	La présentation se limite aux concepts de base : unité arithmétique et logique, unité de commande, mémoire, entrées-sorties.

1. Du transistor au processeur¶

1.1 Le transistor¶

Le transistor est le composant électronique fondamental de tout ordinateur. Inventé en 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain (Bell Labs), il fonctionne comme un interrupteur ultra-rapide qui peut être dans deux états :

État	Signification	Valeur binaire
Passant (laisse passer le courant)	Vrai	1
Bloqué (ne laisse pas passer le courant)	Faux	0

Avant le transistor, les premiers ordinateurs (comme le Colossus en 1943) utilisaient des tubes à vide, beaucoup plus gros, moins fiables et très énergivores.

1.2 Du transistor au circuit intégré¶

Les transistors sont aujourd'hui regroupés par milliards sur des circuits intégrés (puces de silicium). Un processeur moderne contient plus de 10 milliards de transistors sur une surface de quelques centimètres carrés.

Année	Processeur	Nombre de transistors
1971	Intel 4004	2 300
1989	Intel 486	1 200 000
2006	Intel Core 2	291 000 000
2020	Apple M1	16 000 000 000

Cette évolution exponentielle est décrite par la loi de Moore (1965) : le nombre de transistors dans un circuit intégré double environ tous les deux ans.

2. Le modèle de Von Neumann¶

2.1 Origine¶

En 1945, le mathématicien John von Neumann propose un modèle d'architecture pour les ordinateurs. Ce modèle, utilisé dans la quasi-totalité des ordinateurs actuels, repose sur une idée fondamentale : le programme est stocké en mémoire, au même titre que les données.

Avant Von Neumann

Les premiers calculateurs (ENIAC, 1945) devaient être recâblés physiquement pour changer de programme. L'idée de Von Neumann de stocker le programme en mémoire a révolutionné l'informatique : il suffit de charger un nouveau programme pour changer le comportement de la machine.

2.2 Les quatre composants¶

Le modèle de Von Neumann est constitué de quatre éléments principaux :

          ┌─────────────────────────────────┐
          │          PROCESSEUR (CPU)       │
          │                                 │
          │  ┌──────────┐  ┌──────────────┐ │
          │  │   Unité  │  │    Unité     │ │
          │  │    de    │  │ arithmétique │ │
          │  │ commande │  │ et logique   │ │
          │  │   (UC)   │  │   (UAL)     │ │
          │  └──────────┘  └──────────────┘ │
          │       Registres (IP, IR, R0...) │
          └───────────┬─────────────────────┘
                      │ Bus (adresse, données, contrôle)
          ┌───────────┴─────────────────────┐
          │         MÉMOIRE (RAM)           │
          │   Programme + Données           │
          └───────────┬─────────────────────┘
                      │
          ┌───────────┴─────────────────────┐
          │     ENTRÉES / SORTIES           │
          │  Clavier, souris, écran, etc.   │
          └─────────────────────────────────┘

Le processeur (CPU)¶

Le processeur (Central Processing Unit) est le « cerveau » de l'ordinateur. Il se compose de :

L'unité arithmétique et logique (UAL) : effectue les calculs (addition, soustraction, comparaison...) et les opérations logiques (ET, OU, NON).
L'unité de commande (UC) : lit les instructions en mémoire, les décode et coordonne leur exécution.
Les registres : petites mémoires ultra-rapides intégrées au processeur.

La mémoire vive (RAM)¶

La mémoire vive (Random Access Memory) stocke temporairement le programme en cours d'exécution et ses données. Chaque cellule mémoire possède une adresse unique.

Caractéristiques :

Accès direct : on peut lire n'importe quelle cellule sans parcourir les précédentes
Volatile : le contenu est perdu à l'extinction de l'ordinateur
Rapide : temps d'accès de l'ordre de la nanoseconde

Les entrées/sorties¶

Les périphériques d'entrée (clavier, souris, capteurs...) permettent à l'utilisateur d'envoyer des informations à l'ordinateur. Les périphériques de sortie (écran, imprimante, haut-parleurs...) affichent ou transmettent les résultats.

2.3 Les bus¶

Les bus sont des fils électriques qui relient les composants entre eux. Il existe trois types de bus :

Bus	Rôle
Bus d'adresse	Transporte l'adresse mémoire à lire ou écrire
Bus de données	Transporte les données (instructions ou valeurs)
Bus de contrôle	Indique le type d'opération (lecture, écriture)

La largeur du bus (nombre de fils) détermine les capacités de l'ordinateur :

Bus d'adresse à 32 bits → peut adresser 2³² = 4 Go de mémoire
Bus de données à 64 bits → peut transférer 64 bits en une seule opération

3. Les registres du processeur¶

Les registres sont des mémoires minuscules (quelques octets) mais extrêmement rapides, directement intégrées au processeur.

Registre	Nom complet	Rôle
IP	Instruction Pointer	Contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter
IR	Instruction Register	Contient l'instruction en cours de décodage
R0, R1, R2...	Registres généraux	Stockent temporairement les données en cours de traitement

4. Le cycle d'exécution d'une instruction¶

Le processeur exécute les instructions une par une selon un cycle répétitif en trois étapes :

1. Chargement (fetch) : le processeur lit en mémoire l'instruction située à l'adresse contenue dans IP et la place dans IR. IP est incrémenté pour pointer vers l'instruction suivante.

2. Décodage (decode) : l'unité de commande analyse l'instruction contenue dans IR pour déterminer l'opération à effectuer et les données concernées.

3. Exécution (execute) : l'UAL effectue l'opération demandée (calcul, transfert de données, saut...).

     ┌──────────┐
     │ Chargement│◄───── Lire l'instruction à l'adresse IP
     └─────┬─────┘       Placer dans IR, incrémenter IP
           │
     ┌─────▼─────┐
     │  Décodage  │◄───── Analyser l'instruction dans IR
     └─────┬─────┘
           │
     ┌─────▼─────┐
     │ Exécution  │◄───── Effectuer l'opération (UAL)
     └─────┬─────┘
           │
           └──────────► Retour au chargement

Ce cycle est cadencé par une horloge dont la fréquence est exprimée en GHz (milliards de cycles par seconde). Un processeur à 3 GHz exécute 3 milliards de cycles d'horloge par seconde.

5. Mémoire vive et stockage¶

5.1 La hiérarchie des mémoires¶

Les mémoires d'un ordinateur sont organisées en une hiérarchie selon leur vitesse et leur capacité :

Mémoire	Vitesse	Capacité	Volatile ?
Registres	Ultra-rapide	Quelques octets	Oui
Mémoire cache (L1, L2, L3)	Très rapide	Ko à Mo	Oui
Mémoire vive (RAM)	Rapide	Go	Oui
SSD	Moyen	Go à To	Non
Disque dur (HDD)	Lent	To	Non

Plus une mémoire est rapide, plus elle est petite et coûteuse.

5.2 Mémoire volatile vs non volatile¶

Mémoire volatile (RAM, registres, cache) : le contenu est perdu à l'extinction. Sert pour le traitement en temps réel.
Mémoire non volatile (SSD, HDD, clé USB) : le contenu est conservé après l'extinction. Sert pour le stockage permanent.

Principe fondamental

Quand on lance un programme, le système d'exploitation le copie du stockage (SSD/HDD) vers la RAM. Le processeur lit ensuite ses instructions depuis la RAM, conformément au modèle de Von Neumann.

À retenir¶

Le modèle de Von Neumann (1945) décrit l'architecture de la quasi-totalité des ordinateurs.
L'idée clé : le programme est stocké en mémoire au même titre que les données.
Les quatre composants : processeur (UAL + UC + registres), mémoire (RAM), entrées/sorties, bus.
Le processeur exécute un cycle chargement → décodage → exécution cadencé par une horloge.
Les registres (IP, IR, R0...) sont les mémoires les plus rapides, intégrées au processeur.
Les bus (adresse, données, contrôle) relient les composants entre eux.
La hiérarchie des mémoires : registres (rapide, petit) → cache → RAM → SSD → HDD (lent, grand).