Claude Shannon 1948-ban megjelent információelmélete matematikai kapcsolatot teremtett az információ és a bizonytalanság között.
A valós mérési jeleket az analóg–digitális átalakító (A/D konverter) teszi feldolgozhatóvá. A digitális ábrázolás előnye a megbízható tárolás, másolás és feldolgozás, de a mintavételezés és a kvantálás miatt közelítést tartalmaz.
Méréskor két jellemző különösen fontos:
Ipari példa: egy rezgésdiagnosztikai rendszerben a túl alacsony mintavételi frekvencia elfedheti a csapágyhibára utaló nagyfrekvenciás rezgéseket. A mintavétel előtt ezért analóg aluláteresztő, úgynevezett anti-aliasing szűrőt is alkalmaznak.
A Neumann-architektúra legfontosabb jellemzői:
Az eredeti modell alapvetően egymás után hajtja végre az utasításokat. A modern processzorok ezt többek között futószalagos, többmagos és párhuzamos végrehajtással gyorsítják.
A Turing-gép az algoritmus-végrehajtás elméleti modellje. Fő elemei a cellákra osztott szalag, az olvasó-író fej, az állapotok és az átmeneti szabályok. Nem egy konkrét számítógép felépítését írja le, hanem azt segít meghatározni, hogy egy feladat algoritmikusan kiszámítható-e. https://www.youtube.com/watch?v=gJQTFhkhwPA
Mérnöki példa: egy szenzor 0,01 mm eltérést mér. A vezérlő ezt összehasonlítja a 0,005 mm-es tűréssel, majd szükség esetén leállítja a gépet. A mérési érték adat; a határérték túllépésének felismerése már döntést támogató információ.
A hardver a számítógép fizikai részegységeinek összessége. Feladata az adatok bevitele, feldolgozása, tárolása és továbbítása.
A CPU hajtja végre a program utasításait. Fontos részei:
A teljesítményt nem önmagában az órajel határozza meg. Számít a mikroarchitektúra, a magok száma, a gyorsítótár, a memória-sávszélesség és a futtatott program párhuzamosíthatósága is.
Mérnöki választásnál nem mindig a legnagyobb számítási teljesítmény a döntő. Egy gépvezérlőnél a kiszámítható válaszidő, egy mobil mérőműszernél az energiafogyasztás, egy CAD-munkaállomásnál pedig az egy- és többmagos teljesítmény egyaránt fontos lehet.
Az alaplap kapcsolja össze a CPU-t, a memóriát, a háttértárakat és a perifériákat. A kommunikációhoz különböző összeköttetések tartoznak:
Modern belső összeköttetés például a PCI Express. Az NVMe a PCIe-alapú SSD-khez használt kommunikációs protokoll.
Az összeköttetések két eltérő jellemzője a sávszélesség és a késleltetés. A sávszélesség az időegység alatt átvihető adatmennyiséget, a késleltetés egy művelet megkezdéséhez vagy válaszához szükséges időt jelenti. Nagy felbontású kameránál a sávszélesség, gyors szabályozási körnél gyakran a kis és kiszámítható késleltetés a fontosabb.
Az SoC több funkciót integrál egyetlen lapkára, például CPU-magokat, GPU-t, memóriavezérlőt és kommunikációs vezérlőket. Mobiltelefonokban, beágyazott eszközökben és egykártyás számítógépekben gyakori.
A Raspberry Pi tipikus egykártyás számítógép. SoC-t, RAM-ot, USB-, HDMI- és hálózati csatlakozást, valamint szenzorok és aktuátorok illesztésére használható GPIO-t tartalmaz.
Ezek nem egyszerűen teljesítmény szerinti fokozatok: eltérő célra tervezett rendszerek. Egy szerver például nem feltétlenül gyorsabb minden feladatban egy munkaállomásnál.
Az utasításkészlet-architektúra (ISA) meghatározza, milyen gépi utasításokat ismer a processzor.
Az ISA nem azonos a konkrét processzor belső felépítésével, azaz a mikroarchitektúrával. A SoC pedig integrációs megoldás, nem az x86, az ARM vagy a RISC-V melletti negyedik ISA.
Ipari példa: egy tervezőirodai munkaállomás lehet x86-64 alapú, miközben egy robotba épített vezérlő ARM processzort, egy egyedi érzékelőegység pedig RISC-V mikrokontrollert használ. A választásnál a szükséges szoftverek, a fogyasztás, a valós idejű igények, az ár és a hosszú távú beszerezhetőség együtt számít.
A perifériák biztosítják a kapcsolatot a számítógép és a környezete között. Az interfész az összekapcsolás fizikai és kommunikációs szabályait jelenti.
Az USB-C a csatlakozó fizikai kialakítását jelöli; az átvitel sebességét és a támogatott funkciókat a használt USB-verzió és üzemmód határozza meg.
Az interfész és a kommunikációs protokoll nem ugyanaz. Az RS-485 például az elektromos jelátvitelt határozza meg, míg felette Modbus RTU protokoll is használható. Az Ethernet szintén több ipari protokoll, például PROFINET, EtherNet/IP vagy Modbus TCP alapja lehet.
| Megoldás | Jellemző használat | Fontos tulajdonság |
|---|---|---|
| I²C, SPI | Áramköri lapon belüli szenzorok | Rövid távolság, kis költség |
| CAN | Járművek, gépek, elosztott vezérlők | Zavartűrés, prioritásos üzenetek |
| RS-485 | Ipari műszerek, több résztvevős hálózat | Hosszabb kábel, differenciális jelátvitel |
| Ipari Ethernet | PLC-k, hajtások, robotcellák | Nagyobb sebesség, hálózati integráció |
A tárolók között sebesség–kapacitás–költség kompromisszum van. A CPU-hoz közelebbi szintek általában gyorsabbak és kisebbek.
Balról jobbra általában nő a kapacitás és a hozzáférési idő, miközben csökken az egységnyi tárolás költsége. A következő értékek tájékoztató nagyságrendek; processzorgenerációtól és mérési módszertől jelentősen függhetnek.
| Szint | Tipikus kapacitás | Közelítő hozzáférési idő | Szerep |
|---|---|---|---|
| Regiszter | néhány száz bájt/mag nagyságrend | közvetlenül az utasítás használja | az éppen feldolgozott értékek |
| L1 cache | 32–128 KiB/mag | körülbelül 3–5 CPU-ciklus, gyakran 1–2 ns | a leggyakrabban használt utasítások és adatok |
| L2 cache | 256 KiB–2 MiB/mag | körülbelül 10–20 ciklus, néhány ns | nagyobb, de lassabb magközeli gyorsítótár |
| L3 cache | néhány MiB–több tíz MiB, gyakran megosztott | körülbelül 30–80 ciklus, 10–30 ns | a magok által közösen használt adatok |
| RAM | néhány GiB–több száz GiB | körülbelül 50–100 ns | futó programok |
| NVMe SSD | több száz GiB–több TiB | jellemzően több tíz–száz µs | tartós, nagy sebességű tárolás |
| HDD | több TiB | jellemzően 5–15 ms | olcsó, nagy kapacitású tárolás |
Egy 3 GHz-es processzor egy ciklusa körülbelül 0,33 ns. Így a RAM-ból érkező adatra várás alatt a CPU akár több száz ciklust is elveszíthet. A cache ezt a különbséget próbálja áthidalni.
Ipari példa: képfeldolgozásnál egy kamera képének sorfolytonos feldolgozása jobban kihasználhatja a cache-t, mint a képpontok véletlenszerű elérése. Nagyméretű FEM-modellnél pedig előfordulhat, hogy nem a CPU számítási képessége, hanem a RAM sávszélessége korlátozza a sebességet.
Az operációs rendszer virtuális címtartományt biztosít a folyamatoknak, és szükség esetén a háttértárat is bevonhatja a memóriakezelésbe. Ez nem egyszerűen „RAM-bővítés”: többek között elkülöníti a folyamatokat és lehetővé teszi, hogy a programok a fizikai RAM-nál nagyobb címtartományt használjanak. A háttértárra történő lapozás azonban nagyságrendekkel lassabb a RAM elérésénél.
Mérnöki szimulációnál a RAM kapacitása korlátozhatja a modell méretét, míg az SSD sebessége a nagy adathalmazok beolvasását és mentését befolyásolja.
Ipari adatgyűjtő rendszernél nemcsak a tároló kapacitását kell méretezni, hanem a folyamatos írási sebességet, az adatmegőrzési időt, a meghibásodás hatását és a mentési eljárást is.
A teljesítmény növelésének fontos eszköze, hogy több művelet részben vagy teljesen egy időben fusson.
A gyorsulás mértékét korlátozza, hogy a feladat mekkora része párhuzamosítható, továbbá az adatmozgatás és a szálak összehangolásának költsége.
Nem minden program gyorsul GPU-n vagy más gyorsítón: a megfelelő párhuzamosság mellett az adatátvitel költségét is figyelembe kell venni.
Mérnöki példák:
Egy hibrid rendszerben ezek együtt is dolgozhatnak: a CPU szervezi a folyamatot, a GPU vagy az FPGA elvégzi a jól párhuzamosítható részt, a CPU pedig feldolgozza az eredményt.
A beágyazott rendszer egy nagyobb berendezés meghatározott funkcióját végző számítógép. Gyakran korlátozott memóriával és fogyasztással, valamint valós idejű követelményekkel működik.
Az Arduino elsősorban fejlesztőplatform és ökoszisztéma; nem egyetlen mikrokontroller-típus.
A PLC ipari gépek és folyamatok megbízható vezérlésére készült számítógép. Ipari I/O-modulokhoz kapcsolódik, ciklikusan hajtja végre a vezérlőprogramot, és folyamatos üzemre tervezték. Gyártósorok, robotcellák és szállítórendszerek vezérlésében gyakori.
A PLC tipikus működési ciklusa: bemenetek beolvasása → vezérlőprogram végrehajtása → kimenetek frissítése → diagnosztika és kommunikáció. A ciklusidőnek elég rövidnek és kiszámíthatónak kell lennie a vezérelt folyamathoz. Egy gyors hajtásszabályozás és egy tartály lassú szintszabályozása ezért eltérő hardvert és időzítést igényelhet.
Az IoT hálózatba kapcsolt fizikai eszközökből áll, amelyek adatot gyűjtenek, továbbítanak vagy beavatkozást végeznek. Edge computing esetén az adatok egy részét a szenzor vagy a gép közelében dolgozzák fel. Ez csökkentheti a késleltetést és a hálózati terhelést, valamint internetkapcsolat nélkül is lehetővé tehet bizonyos helyi funkciókat.
Ipari példák: állapotfelügyelet, prediktív karbantartás, energiafigyelés és minőség-ellenőrzés. Egy rezgésérzékelő edge eszköze például helyben kiszámíthatja a jellemző frekvenciákat, és a teljes nagysebességű jelfolyam helyett csak a diagnosztikai eredményt küldi tovább.
A HPC sok processzort, gyorsítót és számítási csomópontot kapcsol össze nagy számításigényű feladatokhoz. Tipikus alkalmazás a végeselemes analízis (FEM), az áramlástani szimuláció (CFD), az időjárás-modellezés és a molekuláris dinamika.
HPC-rendszernél a processzorok száma mellett a memória mérete és sávszélessége, a csomópontok közötti hálózat, a gyorsítók, valamint az adattárolás sebessége is meghatározó. Egy túl nagy FEM-modell például már nem fér el egy munkaállomás memóriájában, ezért több csomópont között kell felosztani.
A megfelelő rendszer kiválasztását mindig a feladat határozza meg: egyszerű vezérléshez mikrokontroller vagy PLC, helyi adatfeldolgozáshoz edge eszköz, CAD-hez munkaállomás, nagyméretű szimulációhoz pedig többmagos, GPU-s vagy HPC-rendszer lehet célszerű.