Numérique et sciences informatiques (spécialité) · Première
Le modèle d'architecture de von Neumann : cours de 1re NSI
Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur
L'essentiel
- Dans le modèle de von Neumann, une seule mémoire conserve à la fois les instructions du programme et les données 5.
- L'ordinateur se décompose en quatre parties : unité arithmétique et logique, unité de contrôle, mémoire, dispositifs d'entrée-sortie 5.
- Une instruction s'exécute en séquence : on la cherche en mémoire, on la décode, on l'exécute, puis on passe à la suivante.
- Mémoire unifiée = matériel plus simple et moins coûteux, mais performance limitée par le goulot d'étranglement de von Neumann 5.
- Ce modèle reste la base de la plupart des ordinateurs modernes, avec des caches en plus 5.
Pourquoi étudier ce modèle ?
Quand tu lances un jeu, un navigateur ou un programme Python, il se passe quelque chose de très concret à l'intérieur de la machine : des instructions sont lues, des calculs sont faits, des résultats sont rangés quelque part. Le modèle d'architecture de von Neumann décrit cette organisation de manière simple et claire. C'est un outil pour comprendre ce que fait vraiment un ordinateur quand il exécute un programme.
Le programme de NSI de Première demande justement de connaître ce modèle d'architecture séquentielle et de savoir dérouler l'exécution d'une séquence d'instructions simples 2. Ce cours te donne les deux : le modèle, puis la manière de le faire fonctionner pas à pas sur un petit exemple.
Dans ce cours, tu vas :
- découvrir d'où vient le modèle et ce qui le caractérise ;
- identifier les quatre parties d'un ordinateur et le rôle de chacune ;
- comprendre pourquoi programme et données partagent la même mémoire ;
- dérouler à la main l'exécution d'un petit programme ;
- voir les avantages et la limite principale de cette architecture.
Origine du modèle
Ce modèle porte le nom du mathématicien John von Neumann. En juin 1945, dans le projet EDVAC, il a rédigé la toute première description d'une machine qui garde son propre programme dans sa mémoire 5. Ce document est connu sous le titre First Draft of a Report on the EDVAC 6.
« ordinateur à programme enregistré » 5
Retiens l'idée centrale : avant de parler de composants, le modèle pose un principe. Le programme lui-même est une information stockée en mémoire, comme n'importe quelle donnée. Cette idée a l'air banale aujourd'hui ; elle était extrêmement innovante pour l'époque 6.
Une mémoire unique pour les instructions et les données
Autrement dit, dans la mémoire vive, il y a une seule zone de stockage, et c'est là que se trouvent à la fois le programme et les données qu'il manipule 1. Pour qu'une instruction soit exécutée, elle est d'abord copiée de la mémoire vers un registre du processeur 1.
Imaginons une mémoire comme une grande armoire de tiroirs numérotés. Chaque tiroir a une adresse et contient un nombre écrit en binaire. Dans le modèle de von Neumann, l'armoire est unique :
- certains tiroirs contiennent des instructions (par exemple « additionne le contenu du tiroir 11 ») ;
- d'autres tiroirs contiennent des données (par exemple le nombre 7).
Le contenu d'un tiroir est toujours un nombre. Ce qui décide si ce nombre est traité comme une instruction ou comme une donnée, c'est la manière dont l'ordinateur l'utilise, pas le tiroir dans lequel il se trouve.
| Adresse | Contenu | Rôle |
|---|---|---|
| 0 | LOAD 10 | Instruction |
| 1 | ADD 11 | Instruction |
| 10 | 7 | Donnée |
| 11 | 5 | Donnée |
Les quatre composants de l'ordinateur
Le modèle découpe l'ordinateur en quatre parties bien distinctes 5 6. Voici leur rôle, que tu dois savoir expliquer.
| Partie | Rôle |
|---|---|
| UAL | Effectuer les opérations élémentaires |
| Unité de contrôle | Organiser le déroulement du programme |
| Mémoire | Conserver instructions et données |
| Entrées-sorties | Communiquer avec l'extérieur |
Dérouler l'exécution d'un programme
Le programme de Première demande de savoir dérouler l'exécution d'une séquence d'instructions simples 2. Pour s'entraîner, on utilise une machine d'étude simplifiée, inventée pour ce cours. Ses instructions ne sont pas celles d'un vrai processeur, mais la logique est la même.
- ChercherCopier l'instruction depuis la mémoire
- DécoderComprendre l'action demandée
- ExécuterFaire le calcul ou l'accès mémoire
- SuivreMettre le compteur sur l'instruction suivante
Le cycle se répète tant que le programme n'est pas terminé. Comme les instructions sont exécutées l'une après l'autre, dans l'ordre des adresses sauf mention contraire, on parle d'une architecture séquentielle 2.
Modifier des instructions et faire des boucles
Puisque les instructions sont rangées dans la même mémoire que les données, elles peuvent être lues comme des données, et donc modifiées par un programme. Cet aspect est important dans l'histoire du modèle.
Avantages, limite et comparaison avec Harvard
Traiter instructions et données de la même manière a deux conséquences, l'une pratique, l'autre sur la performance.
Pour comprendre l'image du goulot, pense à une bouteille : même pleine d'eau, le liquide ne sort que par le col étroit. Ici, le « col » est le passage entre la mémoire et le processeur. Les instructions et les données doivent toutes passer par la même voie, donc elles se gênent mutuellement.
| Critère | Von Neumann | Harvard |
|---|---|---|
| Mémoire | Unifiée : instructions et données ensemble | Gestion différente de la mémoire |
| Matériel | Plus simple, moins coûteux | Non précisé dans le cours |
| Performance | Limitée par le goulot d'étranglement | Non précisé dans le cours |
Ce modèle dans les ordinateurs d'aujourd'hui
La plupart des ordinateurs modernes reposent sur l'architecture de von Neumann : on y retrouve les quatre composants de la publication originale de 1945 5. Une autre source va jusqu'à dire qu'elle équipe la quasi-totalité d'entre eux 6.
Suivant les modèles, d'autres composants s'ajoutent, en particulier plusieurs niveaux de mémoire avec la généralisation des caches 5.
Von Neumann
- Mémoire unique
- Instructions
- Données
- Mémoire unifiée
- Composants
- UAL
- Contrôle
- Entrées-sorties
- Exécution
- Séquentielle
- Cycle répété
- Limite
- Goulot
- Caches
Exercices corrigés
Exercice 1 Dérouler un programme d'addition
Sur la machine d'étude du cours, la mémoire contient au départ :
| Adresse | Contenu |
|---|---|
| 0 | LOAD 20 |
| 1 | ADD 21 |
| 2 | STORE 23 |
| 3 | HALT |
| 20 | 9 |
| 21 | 14 |
| 23 | 0 |
On lance le programme avec le compteur à 0. Quelle valeur contient l'adresse 23 à la fin ?
Indice 1
Écris l'accumulateur après chaque instruction.
Indice 2
Seule l'instruction STORE modifie la mémoire.
Voir la correction pas à pas
Le compteur vaut 0 : LOAD 20 copie 9 dans l'accumulateur, qui vaut 9.
Le compteur vaut 1 : ADD 21 ajoute 14 à l'accumulateur, qui vaut .
Le compteur vaut 2 : STORE 23 copie l'accumulateur à l'adresse 23, qui contient alors 23.
Le compteur vaut 3 : HALT arrête le programme.
L'adresse 23 contient 23. Remarque que les adresses 20 et 21 n'ont pas changé : LOAD et ADD ne font que lire la mémoire.
Exercice 2 Compter les accès à la mémoire
Dans une machine de von Neumann, instructions et données se trouvent dans la même mémoire. On suppose que :
- chaque instruction exécutée est lue une fois en mémoire ;
- chaque instruction LOAD, ADD ou STORE provoque en plus un accès à une donnée.
Une boucle contient 4 instructions, dont 3 sont des LOAD, ADD ou STORE. Elle est exécutée 10 fois. Combien d'accès à la mémoire sont faits en tout ?
Indice 1
Compte d'abord les accès pour un seul passage dans la boucle.
Indice 2
Un accès pour lire l'instruction, plus un accès à une donnée pour chacune des trois instructions concernées.
Voir la correction pas à pas
Pour un passage : 4 lectures d'instructions.
Pour un passage : 3 accès aux données, un par instruction LOAD, ADD ou STORE.
Un passage coûte donc accès.
Pour 10 passages : accès.
Il y a 70 accès à la même mémoire. Comme tous ces accès passent par la même voie entre mémoire et processeur, on comprend l'origine du goulot d'étranglement de von Neumann 5.
Exercice 3 Où est quoi ?
Un élève affirme : « Le programme est dans le processeur, et les données sont dans la mémoire. » Corrige cette phrase en t'appuyant sur le modèle de von Neumann, puis cite la partie qui additionne deux nombres.
Indice 1
Pense à la définition de la mémoire unifiée.
Indice 2
Quelle partie effectue les opérations de base ?
Voir la correction pas à pas
Dans le modèle, le programme n'est pas dans le processeur : instructions et données sont stockées dans une même mémoire unique 5.
Le processeur lit les instructions une à une depuis cette mémoire.
La partie chargée des opérations élémentaires, dont l'addition, est l'unité arithmétique et logique 5.
La phrase corrigée : « Le programme et les données sont dans la mémoire ; l'UAL effectue les calculs. »
Quiz
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Le modèle range instructions et données dans un unique espace de stockage 5. La réponse « deux mémoires séparées » décrit au contraire l'architecture de Harvard, avec laquelle on la compare souvent.
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L'UAL est chargée des opérations élémentaires, comme additionner ou comparer 5. La communication avec l'extérieur relève des dispositifs d'entrée-sortie, que l'on confond parfois avec elle.
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Le modèle décompose l'ordinateur en quatre parties : UAL, unité de contrôle, mémoire et entrées-sorties 5. Écran, clavier et souris ne sont que des exemples de périphériques d'entrée-sortie, pas les quatre parties.
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La mémoire unifiée bride en théorie la performance : c'est le goulot d'étranglement de von Neumann 5. Elle rend au contraire le matériel plus simple et moins coûteux, et elle permet de modifier les instructions, donc les deux premières réponses sont fausses.
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LOAD 10 place 6 dans l'accumulateur, ADD 11 lui ajoute 4, soit , et STORE 12 recopie 10 à l'adresse 12. Répondre 4 ou 6 revient à oublier une des deux étapes.
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C'est vrai : pour la mémoire, une instruction et une donnée reçoivent un traitement identique, ce qui définit la mémoire unifiée 5. L'idée inverse, des traitements séparés, correspond à l'architecture de Harvard.
-
La mémoire unifiée allège le matériel nécessaire, donc le coût, et autorise la réécriture des instructions 5. Elle ne supprime pas le goulot d'étranglement, elle en est justement la cause, et les entrées-sorties restent indispensables pour communiquer avec l'extérieur.
Les questions qu'on se pose
Quelle différence entre architecture de von Neumann et architecture de Harvard ?
La différence essentielle porte sur la gestion de la mémoire. Chez von Neumann, instructions et données partagent un même espace et reçoivent le même traitement 5. L'architecture de Harvard sert de point de comparaison ; retiens surtout que la mémoire unique est le trait distinctif de von Neumann.
À quoi sert le modèle de von Neumann si les ordinateurs réels sont plus compliqués ?
Il donne une image simple et juste de ce que fait la machine : lire une instruction en mémoire, la faire exécuter, passer à la suivante. Les ordinateurs actuels en sont dérivés, avec des composants ajoutés comme les caches 5. Comprendre le modèle de base permet ensuite de comprendre les ajouts.
Faut-il apprendre par cœur les instructions de la machine d'étude ?
Non. Ce sont des instructions inventées pour s'entraîner. Dans un exercice, le jeu d'instructions est normalement donné avec le sujet. Ce qu'on attend de toi, c'est de savoir dérouler l'exécution d'une séquence d'instructions simples 2 : suivre le compteur, l'accumulateur et la mémoire sans te tromper.
Pourquoi parle-t-on de goulot d'étranglement ?
Parce que instructions et données partagent la même voie entre la mémoire et le processeur. Cette organisation bride en théorie la performance 5. L'image de la bouteille aide : un col étroit freine l'écoulement, même si la bouteille est pleine.
Le programme est-il vraiment modifiable pendant qu'il s'exécute ?
Dans le modèle, oui : puisque les instructions sont gérées comme des données, un ordinateur peut réécrire ses instructions, par exemple l'adresse inscrite dedans pour créer des boucles 5. En pratique, cette technique est moins utilisée aujourd'hui, et des protections existent contre l'injection d'instruction 5.
Sources
- Modèle d'architecture de von Neumann - Ressources pédagogiques NSI Première, Éduscol / Ministère de l'Éducation nationale. Consulté le 6 novembre 2026.
- Vademecum - Sciences numériques et technologie, Numérique et Sciences Informatiques, Éduscol / Ministère de l'Éducation nationale. Consulté le 6 novembre 2026.
- Calcul Haute Performance - Architectures et modèles de programmation, CNRS - Groupe Calcul. Consulté le 6 novembre 2026.
- Introduction à l'Informatique - Cours 2 : Architecture, CNRS - Laboratoire de Mathématiques Fondamentales. Consulté le 6 novembre 2026.
- Architecture de von Neumann, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.
- John von Neumann, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.
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