===== 1. Bevezetés és alapfogalmak =====

=== 1.1 Adat és információ ===
  * **Adat**: a világ jelenségeinek leírása számokkal, szöveggel, képekkel vagy mérésekkel.  
  * Példa: egy szenzor 22,5 °C hőmérsékletet mér → ez adat.
  * **Információ**: olyan közlés, amely csökkenti a bizonytalanságot, és döntést tesz lehetővé.  
  * Példa: „A gép túlhevült, mert a hőmérséklet 95 °C” → ez információ.
  * **Claude Shannon (1939)**: az információ a bizonytalanság (entrópia) csökkentése.
  * **Bit**: a legkisebb információegység, amely két állapotot különböztet meg (0 vagy 1).

=== 1.2 Analóg és digitális jelek ===
  * **Analóg jel**: folytonos, tetszőleges értéket vehet fel.  
  * Példa: higanyos hőmérő szintje.
  * **Digitális jel**: diszkrét, előre meghatározott értékeket vesz fel.  
  * Példa: digitális hőmérő kijelzője.
  * A számítógépek digitálisak, mert:
    - zajállóbbak,
    - könnyebben feldolgozhatóak,
    - egyszerűbb tárolás és továbbítás.

<mermaid>
graph LR
    A[Valós jelenség] --> B[Analóg jel]
    A --> C[Digitális jel]
    B -->|folytonos| D((∞ érték))
    C -->|diszkrét| E((0 vagy 1))
</mermaid>

=== 1.3 Neumann-elv ===
Neumann János (1946) öt alapelve:

  * Központi vezérlőegység (CPU) irányítja a működést.
  * Programok és adatok közös memóriában tárolódnak.
  * Bináris adatreprezentáció.
  * Utasítás-végrehajtási ciklus: beolvasás → értelmezés → végrehajtás.
  * Soros feldolgozás (egyszerre egy utasítás).

<mermaid>
flowchart TD
    CPU[CPU] --> MEM[Memória]
    CPU --> IO[I/O perifériák]
    MEM --> CPU
    IO --> CPU
</mermaid>

=== 1.4 Turing-gép ===

Alan Turing (1936) megalkotta a Turing-gép modellt.

Elemei:

  * Szalag (memória): adatok és program.
  * Olvasó/író fej: mozog a szalagon, adatot olvas vagy ír.
  * Vezérlőegység: meghatározza, milyen művelet történjen.

A Turing-gép az algoritmusok elméleti alapja → minden mai számítógép működését leírja.

<mermaid>
flowchart LR
    S[Szalag memória] --> F[Olvasó/író fej]
    F --> V[Vezérlőegység]
    V --> F
    F --> S
</mermaid>

=== Mérnöki alkalmazási példák ===

Adat: szenzor 0,01 mm eltérést mér a gyártás során.

Információ: az eltérés nagyobb, mint a megengedett 0,005 mm → selejt.

Digitális feldolgozás: a PLC a mérést kiértékeli és leállítja a gépet.

Neumann-elv alkalmazása: a PLC is CPU + memória + I/O elven működik.

===== 2. Hardver alapjai =====

A számítógép hardvere a fizikai részegységekből áll, amelyek együtt biztosítják az adatok feldolgozását, tárolását és megjelenítését.  

=== 2.1 Központi feldolgozó egység (CPU) ===
  * Az utasítások végrehajtásáért felelős "agy".
  * Fő részei:
    - **ALU (Aritmetikai-logikai egység)**: számításokat és logikai műveleteket végez.
    - **Regiszterek**: a leggyorsabb tárolók, ideiglenes adatokhoz.
    - **Vezérlőegység**: irányítja a teljes működést.
  * Modern CPU-k többmagosak (quad-core, octa-core), párhuzamos feldolgozásra képesek.

<mermaid>
flowchart TD
    A[CPU] --> B[ALU]
    A --> C[Vezérlőegység]
    A --> D[Regiszterek]
    B -->|Számítások| A
    C -->|Irányítás| A
    D -->|Adatok| A
</mermaid>

=== 2.2 Memóriahierarchia ===
  * A CPU különböző sebességű és méretű memóriákat használ:
    - **Regiszterek** – leggyorsabb, nagyon kicsi.
    - **Cache (L1, L2, L3)** – gyorsítótár a CPU közelében.
    - **RAM** – központi memória, ideiglenes adatokhoz.
    - **Háttértár (SSD, HDD, NVMe)** – tartós tárolás.
  * Elv: minél közelebb van a CPU-hoz, annál gyorsabb, de kisebb a kapacitása.

<mermaid>
graph LR
    R[Regiszterek] --> C1[L1 Cache] --> C2[L2 Cache] --> C3[L3 Cache] --> M[RAM] --> H[Háttértár]
</mermaid>

=== 2.3 Buszrendszerek ===
  * A számítógép részegységei **buszokon** keresztül kommunikálnak.
  * Fő busztípusok:
    - **Adatbusz** – adatokat visz a komponensek között.
    - **Címbusz** – meghatározza, honnan hova kerül az adat.
    - **Vezérlőbusz** – irányító jeleket továbbít.
  * Modern buszok: **PCI Express, USB-C, Thunderbolt, NVMe**.

<mermaid>
flowchart LR
    CPU[CPU] -->|Adatbusz| MEM[Memória]
    CPU -->|Címbusz| MEM
    CPU -->|Vezérlőbusz| IO[I/O perifériák]
</mermaid>

=== 2.4 Példa: Raspberry Pi felépítése ===
  * **SoC (System-on-Chip)**: CPU + GPU + memória vezérlő egyetlen chipben.
  * **GPIO (General Purpose I/O)**: mérnökök által használt szenzor- és aktuátorvezérlés.
  * Beépített interfészek: HDMI, USB, Ethernet, kamera csatlakozó.

<mermaid>
flowchart TD
    SOC[System-on-Chip] --> CPU1[CPU magok]
    SOC --> GPU[Grafikus egység]
    SOC --> MEMV[Memóriavezérlő]
    SOC --> GPIO[GPIO csatlakozók]
    SOC --> USB[USB portok]
    SOC --> NET[Ethernet/WiFi]
    SOC --> HDMI[HDMI kimenet]
</mermaid>

===== 3. Számítógépkategóriák és architektúrák =====

A számítógépek többféle kategóriába sorolhatók teljesítményük, méretük és felhasználási területük alapján.  
Emellett különböző architektúrák léteznek (x86, ARM, RISC-V, SoC), amelyek a mérnöki alkalmazások szempontjából is fontosak.

=== 3.1 Számítógépkategóriák ===
  * **Mikroszámítógép**: egyszerű, beágyazott vezérlők (pl. mikrokontroller, Arduino).  
  * **Személyi számítógép (PC)**: általános felhasználásra, mérnöki tervezéshez, szimulációhoz.  
  * **Munkaállomás**: nagy teljesítményű PC, gyakran erős GPU-val → CAD, FEM, szimuláció.  
  * **Szerver**: adatfeldolgozás, hálózati szolgáltatások, felhő alapú számítás.  
  * **Szuperszámítógép**: extrém számítási igényekhez (pl. időjárás-modellezés, molekuláris dinamika).  

<mermaid>
graph TD
    A[Mikroszámítógép] --> B[PC]
    B --> C[Munkaállomás]
    C --> D[Szerver]
    D --> E[Szuperszámítógép]
</mermaid>

=== 3.2 Architektúrák ===
  * **x86** – Intel és AMD processzorok, PC-k és szerverek alapja.
  * **ARM** – energiatakarékos, mobil eszközökben és beágyazott rendszerekben.
  * **RISC-V** – nyílt forrású architektúra, gyorsan fejlődő kutatási és ipari terület.
  * **SoC (System-on-Chip)** – CPU, GPU, memóriavezérlő, kommunikációs egységek egyetlen chipben.

<mermaid>
flowchart TD
    X[x86 - PC/Szerver] -->|Teljesítmény| P[Munkaállomás]
    A[ARM - Mobil/Beágyazott] -->|Energiatakarékosság| M[Okostelefonok, IoT]
    R[RISC-V - Nyílt ISA] -->|Kísérletezés| K[Kutatás, ipar]
    S[SoC - System on Chip] -->|Integráció| I[Mobil, Raspberry Pi, IoT]
</mermaid>

=== 3.3 Példák mérnöki alkalmazásokban ===
  * **Mikrokontroller**: egyszerű vezérlési feladatok (pl. motor szabályozás, szenzoradatok gyűjtése).  
  * **Munkaállomás**: CAD tervezés, végeselemes szimuláció (FEM).  
  * **Szerver**: ipari adatgyűjtés, gyártási adatok feldolgozása.  
  * **Szuperszámítógép**: komplex mérnöki számítások (áramlástan, anyagszerkezet szimuláció).  

<mermaid>
flowchart LR
    MC[Mikrokontroller] -->|Vezérlés| S1[Szenzor/aktuátor]
    WS[Munkaállomás] -->|Számítás| FEM[FEM szimuláció]
    SR[Szerver] -->|Adatfeldolgozás| DB[Gyártási adatok]
    SC[Szuperszámítógép] -->|Komplex szimuláció| CFD[Áramlástan, anyagtudomány]
</mermaid>

===== 4. Perifériák és interfészek =====

A perifériák a számítógéphez csatlakozó eszközök, amelyek adatbevitelre, megjelenítésre, adattárolásra vagy kommunikációra szolgálnak.  
Az interfészek biztosítják az összeköttetést a központi egység és a perifériák között.

=== 4.1 Input (adatbevitel) ===
  * Billentyűzet, egér, érintőképernyő.
  * Szenzorok (hőmérséklet, nyomás, kamera, mikrofon).
  * Vonalkód- és QR-olvasó, ipari mérőeszközök.

<mermaid>
graph TD
    IN1[Billentyűzet] --> CPU
    IN2[Egér] --> CPU
    IN3[Érintőképernyő] --> CPU
    IN4[Szenzorok] --> CPU
    IN5[Videokamera] --> CPU
</mermaid>

=== 4.2 Output (eredménykivitel) ===
  * Monitor, projektor, VR szemüveg.
  * Nyomtató, 3D nyomtató.
  * Hangszóró, ipari kijelzők.

<mermaid>
graph TD
    CPU --> OUT1[Monitor]
    CPU --> OUT2[Nyomtató]
    CPU --> OUT3[3D nyomtató]
    CPU --> OUT4[Hangszóró]
</mermaid>

=== 4.3 Input/Output kombinált eszközök ===
  * Hálózati kártya (Ethernet, WiFi).
  * Hangkártya (mikrofon + hangszóró).
  * Érintőképernyő (adatbevitel + megjelenítés).
  * USB eszközök (pendrive, külső HDD).

<mermaid>
flowchart LR
    CPU <--> NET[Hálózati kártya]
    CPU <--> SOUND[Hangkártya]
    CPU <--> TOUCH[Érintőképernyő]
    CPU <--> USB[USB eszköz]
</mermaid>

=== 4.4 Modern interfészek ===
  * **USB-C / USB 3.2 / USB4** – univerzális, gyors adatátvitel és energiaellátás.
  * **Thunderbolt** – nagy sávszélesség, külső GPU és kijelzők támogatása.
  * **HDMI / DisplayPort** – digitális hang- és videóátvitel.
  * **Ethernet / WiFi / Bluetooth** – hálózati kapcsolatok.
  * **I²C, SPI, CAN busz** – ipari és beágyazott rendszerek szenzor- és vezérlőcsatolói.

<mermaid>
graph TD
    CPU --> USB[USB-C / USB4]
    CPU --> TB[Thunderbolt]
    CPU --> HDMI[HDMI / DisplayPort]
    CPU --> ETH[Ethernet]
    CPU --> WIFI[WiFi / Bluetooth]
    CPU --> I2C[I²C / SPI / CAN]
</mermaid>

===== 5. Adattárolás és memória =====

A számítógép működéséhez szükség van gyors, átmeneti és tartós adattárolásra is.  
Az eltérő tárolók különböző sebességűek, kapacitásúak és feladatúak.

=== 5.1 Memóriahierarchia ===
  * **Regiszterek** – leggyorsabb, közvetlenül a CPU-ban, nagyon kicsi méret.
  * **Cache (L1, L2, L3)** – gyorsítótár, a CPU közelében, kis méret, nagy sebesség.
  * **RAM (Random Access Memory)** – központi memória, ideiglenes adattárolás, áramtalanításkor törlődik.
  * **Háttértár** – tartós tárolás: SSD, HDD, NVMe.

<mermaid>
graph LR
    R[Regiszterek<br/>pár bájt] --> C1[L1 Cache<br/>~32-64 KB]
    C1 --> C2[L2 Cache<br/>~256 KB - 1 MB]
    C2 --> C3[L3 Cache<br/>~4-64 MB]
    C3 --> RAM[RAM<br/>~8-64 GB]
    RAM --> SSD[SSD/NVMe<br/>~256 GB - 4 TB]
    SSD --> HDD[HDD<br/>~1-20 TB]
</mermaid>

=== 5.2 RAM típusai ===
  * **DRAM (Dynamic RAM)** – olcsóbb, frissítést igényel → fő memória.  
  * **SRAM (Static RAM)** – gyors, drága → cache.  
  * **SDRAM, DDR, DDR4, DDR5** – modern, szinkronizált RAM-típusok.

=== 5.3 Háttértárak ===
  * **HDD (merevlemez)**: mágneses elven működik, olcsó, nagy kapacitás, de lassú.  
  * **SSD (Solid State Drive)**: flash-alapú, gyorsabb, nincs mozgó alkatrész.  
  * **NVMe SSD**: PCIe buszon keresztül → extrém sebesség (GB/s).  
  * **Optikai tárolók**: CD, DVD, Blu-ray – ma inkább archiválásra.  
  * **Flash eszközök**: pendrive, SD-kártya.  

<mermaid>
flowchart LR
    HDD[HDD<br/>olcsó, lassú] -->|Kiváltja| SSD[SSD<br/>gyorsabb]
    SSD --> NVMe[NVMe SSD<br/>PCIe alapú]
    SSD --> Flash[Flash tárolók<br/>pendrive, SD-kártya]
    HDD -.-> Archive[Optikai lemezek<br/>CD/DVD/Blu-ray]
</mermaid>

=== 5.4 Virtuális memória ===
  * Az operációs rendszer a háttértár egy részét **RAM kiegészítésére** használja.  
  * Lehetővé teszi, hogy több program fusson egyszerre, mint amennyi a fizikai RAM-ban elfér.  
  * Hátránya: lassabb, mert a háttértár sebessége korlátozó tényező.  

<mermaid>
flowchart TD
    CPU --> RAM
    RAM -->|Ha megtelik| VM[Virtuális memória SSD/HDD]
</mermaid>

=== 5.5 Mérnöki alkalmazási példa ===
  * **FEM szimuláció**: RAM korlátozhatja a futtatható modell méretét.  
  * **Nagy adatgyűjtés (pl. szenzorhálózat)**: SSD szükséges a gyors íráshoz.  
  * **Beágyazott rendszerek**: kis méretű RAM és flash → optimalizált programozás kell.

===== 6. Párhuzamos feldolgozás és gyorsítók =====

A számítógépek teljesítményének növelését ma már nem elsősorban az órajel emelése, hanem a **párhuzamos feldolgozás** és a **speciális gyorsítók** biztosítják.  

=== 6.1 Többmagos processzorok ===
  * A CPU több maggal rendelkezik → egyszerre több utasítást hajthat végre.  
  * Példák:
    - **Dual-core, Quad-core, Octa-core** CPU-k.
    - Mobil eszközökben: heterogén architektúrák (pl. ARM big.LITTLE).  
  * Előny: több szál (thread) futtatható egyidőben.

<mermaid>
graph TD
    CPU[Processzor] --> C1[Mag 1]
    CPU --> C2[Mag 2]
    CPU --> C3[Mag 3]
    CPU --> C4[Mag 4]
    C1 & C2 & C3 & C4 --> OS[Operációs rendszer<br/>többszálúság]
</mermaid>

=== 6.2 Párhuzamos feldolgozási technikák ===
  * **Pipeline (csővezetékes feldolgozás)** – egy utasítás több részfeladatra oszlik, amelyek átfedésben hajthatók végre.  
  * **SIMD (Single Instruction, Multiple Data)** – egy utasítással több adaton művelet (pl. vektorműveletek).  
  * **MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)** – több mag különböző programrészeket futtat párhuzamosan.  

<mermaid>
flowchart LR
    A[Pipeline] -->|lépések egymásra tolva| B[Gyorsabb végrehajtás]
    C[SIMD] -->|egy utasítás<br/>több adaton| B
    D[MIMD] -->|különböző utasítások<br/>különböző adatokon| B
</mermaid>

=== 6.3 GPU-k (Grafikus processzorok) ===
  * Eredetileg grafikai számításokra (3D, játékok).  
  * Ma: **általános célú számításokra is** (GPGPU).  
  * Több ezer feldolgozó egység → kiváló párhuzamosítás nagy adathalmazokon.  
  * Használat: gépi tanulás, képfeldolgozás, FEM/CFD szimulációk gyorsítása.  

<mermaid>
graph TD
    GPU[GPU] --> C1[1000+ mag]
    GPU --> AI[AI és ML számítások]
    GPU --> SIM[Szimulációk]
    GPU --> GFX[Grafika és 3D megjelenítés]
</mermaid>

=== 6.4 Egyéb gyorsítók ===
  * **FPGA (Field Programmable Gate Array)**: újraprogramozható hardver, ipari alkalmazásokban gyors, testreszabott feldolgozásra.  
  * **TPU (Tensor Processing Unit)**: mesterséges intelligenciára optimalizált chip.  
  * **NPU (Neural Processing Unit)**: neurális hálók futtatására mobil eszközökben.  

<mermaid>
flowchart TD
    FPGA -->|Rugalmasság| Ipari[Ipari vezérlés]
    TPU -->|AI felhő| Cloud[Felhőszolgáltatások]
    NPU -->|Mobil AI| Mobile[Okostelefonok, IoT]
</mermaid>

=== 6.5 Mérnöki alkalmazási példák ===
  * **FEM szimuláció** – CPU + GPU együttműködésével gyorsabb számítás.  
  * **Képfeldolgozás** – GPU gyorsítással valós idejű hibadetektálás gyártásban.  
  * **FPGA** – ipari robotvezérlés, valós idejű adatfeldolgozás.  
  * **TPU/NPU** – prediktív karbantartás, IoT érzékelők adatfeldolgozása.

===== 7. Ipari és mérnöki alkalmazások =====

A számítástechnika nemcsak irodai környezetben, hanem ipari és mérnöki területeken is kulcsfontosságú.  
A mérnökök számára a legfontosabb alkalmazási területek: beágyazott rendszerek, ipari vezérlők, IoT, valamint nagy teljesítményű szimulációk.

=== 7.1 Beágyazott rendszerek ===
  * Speciális célú, kisméretű számítógépek.  
  * Tipikus eszközök: **mikrokontroller**, **Arduino**, **ESP32**, **Raspberry Pi**.  
  * Alkalmazások:
    - Szenzoradatok gyűjtése és feldolgozása.
    - Motorok, aktuátorok vezérlése.
    - Egyszerű ipari automatizálási feladatok.

<mermaid>
flowchart TD
    S[Szenzorok] --> MCU[Mikrokontroller]
    MCU --> ACT[Motorok / aktuátorok]
    MCU --> NET[Kommunikáció pl. \(WiFi, Bluetooth\)]
</mermaid>

=== 7.2 PLC-k és ipari vezérlőrendszerek ===
  * **PLC (Programmable Logic Controller)**: ipari gépek és folyamatok vezérlésére kifejlesztett számítógép.  
  * Jellemzők:
    - Robusztus, megbízható, folyamatos üzemre tervezett.
    - I/O csatlakozások ipari szabvány szerint (pl. 24V, relékimenet).
    - Egyszerű logikai programozás (létra diagram).  
  * Alkalmazások: gyártósorok, robotok, szállítószalagok.

<mermaid>
graph LR
    SENSOR[Szenzorok] --> PLC[PLC]
    PLC --> MOTOR[Motorvezérlés]
    PLC --> HMI[Kezelőpanel / HMI]
    PLC --> NET[Hálózati kommunikáció]
</mermaid>

=== 7.3 IoT és edge computing ===
  * **IoT (Internet of Things)**: szenzorok hálózata, amely adatokat gyűjt és továbbít.  
  * **Edge computing**: adatfeldolgozás a hálózat szélén, a szenzor közelében → csökkenti a késleltetést.  
  * Példák:
    - Okosgyár (smart factory).
    - Prediktív karbantartás (hibák előrejelzése).
    - Energiagazdálkodás.

<mermaid>
flowchart LR
    S1[Szenzor] --> EDGE[Edge eszköz]
    EDGE --> CLOUD[Felhő]
    CLOUD --> USER[Felhasználó / Mérnök]
</mermaid>

=== 7.4 Nagy teljesítményű számítások (HPC) ===
  * Mérnöki tervezésben és kutatásban szükség van extrém számításokra:
    - **FEM (végeselemes módszer)** szilárdságtanhoz.
    - **CFD (Computational Fluid Dynamics)** áramlástanhoz.
    - Molekuláris szimulációk, anyagvizsgálatok.
  * Ezekhez munkaállomások és szuperszámítógépek szükségesek, gyakran GPU gyorsítással.

<mermaid>
flowchart LR
    MODEL[3D mérnöki modell] --> FEM[FEM szimuláció]
    MODEL --> CFD[CFD szimuláció]
    FEM --> HPC[Munkaállomás / Szuperszámítógép]
    CFD --> HPC
</mermaid>

=== 7.5 Példák mérnöki gyakorlatból ===
  * **Gépészmérnökök**: 3D CAD modellezés, végeselemes analízis.  
  * **Villamosmérnökök**: vezérlőelektronika, PLC programozás, ipari kommunikációs hálózatok.  
  * **Anyagmérnökök**: mikroszkópos képfeldolgozás, szimulációs modellek.  
  * **Mechatronikus mérnökök**: robotvezérlés, szenzorhálózatok, IoT integráció.