Institute of Information Science - University of Miskolc

This is an old revision of the document!

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:
1. zajállóbbak,
2. könnyebben feldolgozhatóak,
3. egyszerűbb tárolás és továbbítás.

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

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).

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

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.

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

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:
1. ALU (Aritmetikai-logikai egység): számításokat és logikai műveleteket végez.
2. Regiszterek: a leggyorsabb tárolók, ideiglenes adatokhoz.
3. Vezérlőegység: irányítja a teljes működést.
Modern CPU-k többmagosak (quad-core, octa-core), párhuzamos feldolgozásra képesek.

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

—

2.2 Memóriahierarchia

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

graph TD R[Regiszterek] --> C1[L1 Cache] --> C2[L2 Cache] --> C3[L3 Cache] --> M[RAM] --> H[Háttértár]

—

2.3 Buszrendszerek

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

—

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.

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]

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).

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

—

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.

—

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).

Table of Contents