폰 노이만 구조

// 폰 노이만 구조의 기본 동작 — Fetch → Decode → Execute

typedef struct {
int memory[256];   // 명령어 + 데이터 동일 메모리
int pc;           // Program Counter (다음 명령어 주소)
int acc;          // Accumulator (누산기)
} CPU;

void run(CPU *cpu) {
    while (1) {
        /* 1. FETCH — PC가 가리키는 메모리에서 명령어를 가져옴 */
        int instr = cpu->memory[cpu->pc++];

        /* 2. DECODE — 명령어 상위 비트로 연산 종류 판별 */
        int opcode  = (instr >> 8) & 0xFF;
        int operand = instr & 0xFF;

        /* 3. EXECUTE — 연산 수행 */
        if      (opcode == 0x01) cpu->acc  = cpu->memory[operand]; // LOAD
        else if (opcode == 0x02) cpu->memory[operand] = cpu->acc;  // STORE
        else if (opcode == 0x03) cpu->acc += cpu->memory[operand]; // ADD
        else if (opcode == 0xFF) break;                            // HALT
    }
}

// 폰 노이만 병목(Von Neumann Bottleneck): CPU와 메모리를 잇는 단일 버스의
// 처리량(bandwidth)이 CPU 연산 속도를 따라가지 못하는 현상.
// — John Backus, 1978 ACM Turing Award 강연에서 정의
//
// 아래 코드는 메모리 계층(캐시) 효과를 통해 병목을 간접 체감합니다.
// 캐시 미스가 잦을수록 CPU가 메인 메모리를 기다리는 시간이 늘어나
// CPU-메모리 간 대역폭 병목이 전체 성능을 제한하는 상황이 재현됩니다.

int[] data = new int[1024 * 1024];

// 순차 접근 — 공간 지역성 높음 → 캐시 히트율 높음 → 버스 대역폭 부담 적음 (빠름)
for (int i = 0; i < data.length; i++) {
    data[i] *= 2;
}

// 랜덤 접근 — 공간 지역성 없음 → 캐시 미스 빈발 → 매 연산마다 메인 메모리 접근
// → CPU가 버스를 통해 메모리를 기다리는 상태 반복 = 폰 노이만 병목 간접 체감
Random rand = new Random();
for (int i = 0; i < data.length; i++) {
    data[rand.nextInt(data.length)] *= 2;
}