tanszek:oktatas:szamitastechnika:hardver_alapismeretek
Differences
This shows you the differences between two versions of the page.
| Both sides previous revisionPrevious revisionNext revision | Previous revision | ||
| tanszek:oktatas:szamitastechnika:hardver_alapismeretek [2025/09/16 18:53] – knehez | tanszek:oktatas:szamitastechnika:hardver_alapismeretek [2026/09/08 20:58] (current) – [1. Bevezetés és alapfogalmak] knehez | ||
|---|---|---|---|
| Line 2: | Line 2: | ||
| === 1.1 Adat és információ === | === 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**: | ||
| - | *Példa*: „A gép túlhevült, | ||
| - | * **Claude Shannon (1939)**: az információ a bizonytalanság (entrópia) csökkentése. | ||
| - | * **Bit**: a legkisebb információegység, | ||
| - | --- | + | * **Adat:** egy jelenség rögzített leírása, például szám, szöveg, kép vagy mérési érték. |
| + | * Példa: egy szenzor 22,5 °C hőmérsékletet mér. | ||
| + | * **Információ: | ||
| + | * Példa: a 95 °C-os mérés alapján a gép túlmelegedett. | ||
| + | * **Bit:** két állapotot, általában 0-t és 1-et megkülönböztető információegység. | ||
| + | |||
| + | Claude Shannon 1948-ban megjelent információelmélete matematikai kapcsolatot teremtett az információ és a bizonytalanság között. | ||
| === 1.2 Analóg és digitális jelek === | === 1.2 Analóg és digitális jelek === | ||
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | * **Digitális jel**: diszkrét, előre | + | * **Digitális jel:** meghatározott, diszkrét |
| - | | + | |
| - | * A számítógépek digitálisak, | + | A valós mérési jeleket az analóg–digitális |
| - | - zajállóbbak, | + | |
| - | - könnyebben feldolgozhatóak, | + | Méréskor két jellemző különösen fontos: |
| - | | + | |
| + | * **mintavételi frekvencia: | ||
| + | * **felbontás:** hány bit ír le egy mintát. Egy 12 bites átalakító 2< | ||
| + | |||
| + | 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. | ||
| < | < | ||
| - | graph LR | + | flowchart |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | | + | D --> |
| - | C -->|diszkrét| E((0 vagy 1)) | + | |
| </ | </ | ||
| - | === 1.3 Neumann-elv | + | === 1.3 A tárolt program elve === |
| - | Neumann János (1946) öt alapelve: | + | |
| - | | + | A Neumann-architektúra legfontosabb jellemzői: |
| - | * Programok és adatok közös memóriában tárolódnak. | + | |
| - | * Bináris adatreprezentáció. | + | |
| - | * Utasítás-végrehajtási ciklus: beolvasás → értelmezés → végrehajtás. | + | * a CPU beolvassa, értelmezi és végrehajtja az utasításokat; |
| - | * Soros feldolgozás (egyszerre | + | * az adatokat és az utasításokat binárisan ábrázolja; |
| + | * a CPU, a memória és a be-/ | ||
| + | |||
| + | Az eredeti modell alapvetően egymás után hajtja végre az utasításokat. A modern processzorok ezt többek között futószalagos, | ||
| + | |||
| + | === 1.4 Turing-gép === | ||
| + | |||
| + | 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, | ||
| + | |||
| + | Mérnöki példa: egy szenzor 0,01 mm eltérést mér. A vezérlő | ||
| + | |||
| + | ===== 2. A számítógép fő hardverelemei ===== | ||
| + | |||
| + | A hardver a számítógép fizikai részegységeinek összessége. Feladata az adatok bevitele, feldolgozása, | ||
| + | |||
| + | === 2.1 Központi feldolgozó | ||
| + | |||
| + | A CPU hajtja végre a program utasításait. Fontos részei: | ||
| + | |||
| + | * **vezérlőegység: | ||
| + | * **aritmetikai-logikai egység (ALU):** számítási és logikai műveleteket végez; | ||
| + | * **regiszterek: | ||
| + | * **gyorsítótárak (cache):** csökkentik a lassabb memória elérésének gyakoriságát. | ||
| + | |||
| + | A teljesítményt nem önmagában az órajel határozza meg. Számít a mikroarchitektúra, | ||
| + | |||
| + | * Az **órajel** azt mutatja meg, hogy a processzor másodpercenként hány működési ciklust végez. Azonos órajelű processzorok teljesítménye eltérhet. | ||
| + | * A **magok száma** akkor jelent előnyt, ha a feladat több részre bontható. | ||
| + | * A **fogyasztási és hőmérsékleti korlátok** tartós terhelésnél csökkenthetik az elérhető órajelet. | ||
| + | |||
| + | Mérnöki választásnál nem mindig a legnagyobb számítási teljesítmény a döntő. Egy gépvezérlőnél a kiszámítható válaszidő, | ||
| + | |||
| + | === 2.2 Alaplap és összeköttetések === | ||
| + | |||
| + | Az alaplap kapcsolja össze a CPU-t, a memóriát, a háttértárakat és a perifériákat. A kommunikációhoz különböző összeköttetések tartoznak: | ||
| + | |||
| + | * **adatvonalak: | ||
| + | * **címzési információk: | ||
| + | * **vezérlőjelek:** például olvasási, írási és megszakítási műveleteket jeleznek. | ||
| + | |||
| + | 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, | ||
| + | |||
| + | === 2.3 System-on-Chip (SoC) === | ||
| + | |||
| + | Az SoC több funkciót integrál egyetlen lapkára, például CPU-magokat, | ||
| + | |||
| + | A Raspberry Pi tipikus egykártyás számítógép. SoC-t, RAM-ot, USB-, HDMI- és hálózati csatlakozást, | ||
| < | < | ||
| flowchart TD | flowchart TD | ||
| - | CPU[CPU] --> MEM[Memória] | + | CPU[CPU] |
| - | CPU --> IO[I/O perifériák] | + | CPU <--> IO[Be- és kiviteli egységek] |
| - | | + | CPU <--> |
| - | IO --> | + | |
| </ | </ | ||
| - | === 1.4 Turing-gép | + | ===== 3. Számítógépkategóriák és architektúrák ===== |
| - | Alan Turing (1936) megalkotta a Turing-gép modellt. | + | === 3.1 Számítógépkategóriák === |
| - | Elemei: | + | * **Mikrokontroller:** vezérlési feladatra készült, kis fogyasztású eszköz, beépített memóriával és perifériákkal. |
| + | * **Személyi számítógép: | ||
| + | * **Munkaállomás: | ||
| + | * **Szerver: | ||
| + | * **Szuperszámítógép: | ||
| - | * Szalag (memória): adatok és program. | + | Ezek nem egyszerűen teljesítmény szerinti fokozatok: eltérő célra tervezett rendszerek. Egy szerver például nem feltétlenül gyorsabb minden feladatban egy munkaállomásnál. |
| - | * Olvasó/ | + | |
| - | * Vezérlőegység: | + | |
| - | A Turing-gép az algoritmusok elméleti alapja → minden mai számítógép | + | === 3.2 Utasításkészlet-architektúrák === |
| + | |||
| + | Az utasításkészlet-architektúra (ISA) meghatározza, | ||
| + | |||
| + | * **x86-64:** PC-kben, munkaállomásokban és szerverekben elterjedt. | ||
| + | * **ARM:** mobil, beágyazott és egyre több asztali, illetve szerverrendszerben használják; | ||
| + | * **RISC-V:** nyílt szabványú ISA, amely oktatási, kutatási és ipari célokra egyaránt használható. | ||
| + | |||
| + | Az ISA nem azonos a konkrét processzor belső felépítésével, | ||
| + | |||
| + | Ipari példa: egy tervezőirodai munkaállomás lehet x86-64 alapú, miközben egy robotba épített vezérlő ARM processzort, | ||
| + | |||
| + | ===== 4. Perifériák és interfészek ===== | ||
| + | |||
| + | A perifériák biztosítják a kapcsolatot a számítógép | ||
| + | |||
| + | === 4.1 Perifériák feladat szerint === | ||
| + | |||
| + | * **Bemeneti eszközök: | ||
| + | * **Kimeneti eszközök: | ||
| + | * **Kétirányú eszközök: | ||
| + | |||
| + | === 4.2 Interfészek felhasználási terület szerint === | ||
| + | |||
| + | * **Általános perifériák: | ||
| + | * **Kijelző és hang:** HDMI, DisplayPort. | ||
| + | * **Nagy sebességű külső kapcsolat: | ||
| + | * **Hálózat: | ||
| + | * **Beágyazott és ipari kommunikáció: | ||
| + | |||
| + | 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, | ||
| + | | RS-485 | Ipari műszerek, több résztvevős hálózat | Hosszabb kábel, differenciális jelátvitel | | ||
| + | | Ipari Ethernet | PLC-k, hajtások, robotcellák | Nagyobb sebesség, hálózati integráció | | ||
| < | < | ||
| flowchart LR | flowchart LR | ||
| - | S[Szalag memória] --> | + | S[Szenzorok és bemenetek] --> |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | F --> S | + | |
| </ | </ | ||
| - | === Mérnöki | + | ===== 5. Memória és adattárolás ===== |
| + | |||
| + | === 5.1 Memóriahierarchia === | ||
| + | |||
| + | A tárolók között sebesség–kapacitás–költség kompromisszum van. A CPU-hoz közelebbi szintek általában gyorsabbak és kisebbek. | ||
| + | |||
| + | * **Regiszterek: | ||
| + | * **Cache (L1, L2, L3):** a gyakran használt adatok gyorsítótára. | ||
| + | * **RAM:** a futó programok és adataik átmeneti tárolója; kikapcsoláskor tartalma elvész. | ||
| + | * **SSD vagy HDD:** nagy kapacitású, | ||
| + | |||
| + | < | ||
| + | flowchart LR | ||
| + | R[Regiszter] --> C[Cache] --> RAM[RAM] --> SSD[SSD] --> HDD[HDD] | ||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Balról jobbra általában nő a kapacitás és a hozzáférési idő, miközben csökken az egységnyi tárolás költsége. A következő értékek tájékoztató nagyságrendek; | ||
| + | |||
| + | ^ 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. | ||
| + | |||
| + | * **Cache-találat (hit):** a keresett adat megtalálható a cache-ben. | ||
| + | * **Cache-hiba (miss):** az adatot egy lassabb szintről kell betölteni. | ||
| + | * **Időbeli lokalitás: | ||
| + | * **Térbeli lokalitás: | ||
| + | |||
| + | Ipari példa: képfeldolgozásnál egy kamera képének sorfolytonos feldolgozása jobban kihasználhatja a cache-t, mint a képpontok véletlenszerű elérése. Nagyméretű FEM-modellnél pedig előfordulhat, | ||
| + | |||
| + | === 5.2 RAM és háttértárak === | ||
| + | |||
| + | * **DRAM:** a főmemória leggyakoribb technológiája; | ||
| + | * **SRAM:** gyorsabb és drágább; elsősorban gyorsítótárakban használják. | ||
| + | * **DDR4, DDR5:** a DRAM szabványainak különböző generációi. | ||
| + | * **HDD:** mágneses, nagy kapacitású és olcsó, de mechanikus működése miatt lassabb. | ||
| + | * **SSD:** flashmemóriát használ, nincs mozgó alkatrésze. | ||
| + | * **NVMe SSD:** PCIe-kapcsolaton kommunikáló, | ||
| + | * **Pendrive és memóriakártya: | ||
| + | |||
| + | === 5.3 Virtuális memória === | ||
| + | |||
| + | Az operációs rendszer virtuális címtartományt biztosít a folyamatoknak, | ||
| + | |||
| + | 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, | ||
| + | |||
| + | ===== 6. Párhuzamos feldolgozás és gyorsítók ===== | ||
| + | |||
| + | A teljesítmény növelésének fontos eszköze, hogy több művelet részben vagy teljesen egy időben fusson. | ||
| + | |||
| + | === 6.1 Párhuzamosság a CPU-ban === | ||
| + | |||
| + | * **Futószalag (pipeline): | ||
| + | * **SIMD:** egy utasítás több adatelemen hajt végre azonos műveletet. | ||
| + | * **Többmagos feldolgozás: | ||
| + | * **MIMD:** különböző utasításfolyamok különböző adatokon futnak; többmagos és többprocesszoros rendszerekre jellemző. | ||
| + | |||
| + | A gyorsulás mértékét korlátozza, | ||
| + | |||
| + | === 6.2 Speciális gyorsítók === | ||
| + | |||
| + | * **GPU:** sok hasonló művelet párhuzamos végrehajtására alkalmas; grafika, gépi tanulás, képfeldolgozás, | ||
| + | * **FPGA:** újrakonfigurálható logikai áramkör; kis késleltetésű, | ||
| + | * **TPU és NPU:** neurális hálók műveleteire optimalizált gyorsítók. | ||
| + | |||
| + | < | ||
| + | flowchart TD | ||
| + | FEL[Számítási feladat] --> CPU[CPU: általános vezérlés] | ||
| + | FEL --> GPU[GPU: tömeges párhuzamosság] | ||
| + | FEL --> FPGA[FPGA: testreszabott adatút] | ||
| + | FEL --> NPU[NPU/ | ||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Nem minden program gyorsul GPU-n vagy más gyorsítón: | ||
| + | |||
| + | Mérnöki példák: | ||
| + | |||
| + | * **CPU:** vezérlési logika, operációs rendszer, változatos számítási lépések; | ||
| + | * **GPU:** képfeldolgozás, | ||
| + | * **FPGA:** nagy sebességű kameraadatok előfeldolgozása, | ||
| + | * **NPU:** helyi hibafelismerés intelligens kamerában vagy edge eszközben. | ||
| + | |||
| + | Egy hibrid rendszerben ezek együtt is dolgozhatnak: | ||
| + | |||
| + | ===== 7. Ipari és mérnöki számítógépes rendszerek ===== | ||
| + | |||
| + | === 7.1 Beágyazott rendszerek === | ||
| + | |||
| + | A beágyazott rendszer egy nagyobb berendezés meghatározott funkcióját végző számítógép. Gyakran korlátozott memóriával és fogyasztással, | ||
| + | |||
| + | * **Mikrokontrollerek**, | ||
| + | * **Egykártyás számítógépek**, | ||
| + | |||
| + | Az Arduino elsősorban fejlesztőplatform és ökoszisztéma; | ||
| + | |||
| + | === 7.2 PLC és ipari vezérlés === | ||
| + | |||
| + | A **PLC** ipari gépek és folyamatok megbízható vezérlésére készült számítógép. Ipari I/ | ||
| + | |||
| + | 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. | ||
| + | |||
| + | < | ||
| + | flowchart LR | ||
| + | S[Szenzorok] --> PLC[PLC vagy beágyazott vezérlő] | ||
| + | PLC --> A[Aktuátorok] | ||
| + | PLC <--> HMI[HMI] | ||
| + | PLC <--> NET[Ipari hálózat] | ||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | === 7.3 IoT és edge computing === | ||
| + | |||
| + | 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, | ||
| - | Adat: szenzor 0,01 mm eltérést mér a gyártás során. | + | === 7.4 Nagy teljesítményű számítástechnika (HPC) === |
| - | Információ: | + | A HPC sok processzort, gyorsítót és számítási csomópontot kapcsol össze nagy számításigényű feladatokhoz. Tipikus alkalmazás |
| - | Digitális feldolgozás: | + | HPC-rendszernél |
| - | Neumann-elv alkalmazása: | + | A megfelelő rendszer kiválasztását mindig |
tanszek/oktatas/szamitastechnika/hardver_alapismeretek.1758048831.txt.gz · Last modified: by knehez
