Introduction
Quand on écrit un programme en Python ou dans un autre langage, on oublie souvent que derrière chaque instruction se cache une machine qui fonctionne de manière bien précise. Pour comprendre comment un ordinateur exécute un programme, il faut se tourner vers le modèle de von Neumann, qui est encore aujourd’hui la base de la plupart des architectures de machines. Ce modèle, proposé en 1945 par le mathématicien John von Neumann, décrit l’organisation interne d’un ordinateur et la manière dont il enchaîne les instructions. Saisir ce fonctionnement est essentiel pour comprendre pourquoi certains programmes sont plus rapides, pourquoi la mémoire est limitée et comment une machine traduit nos lignes de code en opérations simples.
Le modèle de von Neumann : une architecture universelle
Le modèle de von Neumann repose sur une idée clé : une machine peut exécuter n’importe quel algorithme si elle est organisée autour de composants bien définis. Ces composants sont encore au cœur des ordinateurs modernes.
Le processeur (CPU) : il contient l’unité de contrôle, qui lit les instructions, et l’unité arithmétique et logique (UAL), qui effectue les calculs et les comparaisons.
La mémoire : elle contient à la fois les données et les instructions du programme. Cela signifie qu’un programme n’est qu’une suite de nombres, stockée et manipulée comme les données.
Les entrées-sorties : elles permettent à la machine de communiquer avec l’extérieur (clavier, écran, disque dur, réseau).
Le bus : c’est le système de communication interne qui relie processeur, mémoire et périphériques.
L’ordinateur exécute un programme en suivant le cycle fetch-decode-execute :
1. Fetch : l’unité de contrôle va chercher en mémoire la prochaine instruction à exécuter.
2. Decode : l’instruction est traduite en signaux compréhensibles par le processeur.
3. Execute : l’UAL effectue l’opération demandée (addition, comparaison, déplacement de données, etc.).
Puis le cycle recommence, instruction après instruction, des millions ou milliards de fois par seconde.
À retenir
Le modèle de von Neumann organise l’ordinateur autour d’un processeur, d’une mémoire et d’entrées-sorties. Chaque programme est exécuté en boucle grâce au cycle fetch-decode-execute.
Exemple concret : additionner deux nombres
Prenons un exemple simple : un programme qui additionne deux nombres entrés par l’utilisateur.
En Python :
Dans le modèle de von Neumann :
Les valeurs de `a` et `b` sont stockées en mémoire après lecture au clavier.
L’instruction « addition » est récupérée par l’unité de contrôle (fetch), traduite (decode) puis exécutée (execute) par l’UAL.
Le résultat est stocké en mémoire puis envoyé vers la sortie (l’écran).
Ainsi, une opération aussi simple que `a + b` correspond en réalité à plusieurs dizaines d’instructions élémentaires exécutées par le processeur.
À retenir
Chaque ligne de code correspond à une suite d’instructions élémentaires qui sont chargées, décodées et exécutées par le processeur. C’est le cycle de von Neumann qui permet cette exécution séquentielle.
Forces et limites du modèle
Le modèle de von Neumann a permis l’explosion de l’informatique moderne grâce à sa simplicité et sa généralité. Il présente néanmoins certaines limites.
Forces : il est universel, simple à comprendre et a permis de concevoir des ordinateurs programmables capables de tout type de calcul.
Limites : le fait que la mémoire contienne à la fois instructions et données crée ce qu’on appelle le goulot d’étranglement de von Neumann : le processeur doit attendre que la mémoire lui transmette les informations, ce qui peut ralentir l’exécution.
Dans les ordinateurs modernes, des solutions comme les caches mémoire ou le parallélisme (processeurs multi-cœurs) ont été développées pour réduire ces limites.
À retenir
Le modèle de von Neumann est simple et universel, mais il impose des limites de vitesse dues aux échanges constants entre mémoire et processeur.
Conclusion
Comprendre comment une machine exécute un programme grâce au modèle de von Neumann, c’est voir ce qu’il y a derrière chaque ligne de code : un processeur qui lit, décode et exécute des instructions, en manipulant des données stockées en mémoire. Ce modèle explique à la fois la puissance et les limites des ordinateurs actuels. Dans la suite du parcours, l’étude des systèmes d’exploitation et des architectures matérielles permettra de mieux saisir comment ces concepts se déclinent dans les machines modernes, des smartphones aux supercalculateurs.