Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- tanszek:oktatas:szamitastechnika:hardver_alapismeretek [2025/09/16 18:50] – created knehez
+++ tanszek:oktatas:szamitastechnika:hardver_alapismeretek [2025/09/16 19:08] (current) – [2. Hardver alapjai] knehez
@@ Line 3: / Line 3: @@
 === 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.
+  * 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.
+  * 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.
+  * Példa: higanyos hőmérő szintje.
   * **Digitális jel**: diszkrét, előre meghatározott értékeket vesz fel.
-    *Példa*: digitális hőmérő kijelzője.
+  * Példa: digitális hőmérő kijelzője.
   * A számítógépek digitálisak, mert:
     - zajállóbbak,
@@ Line 28: / Line 26: @@
     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.