Informatika alapjai

Digitális számítógépek legfontosabb jellemzői^⇒

univerzális: bármilyen adatfeldolgozást megvalósító algoritmus elvégzésére képes
automatikus működésű: képes egy vagy több program utasításait önállóan, emberi beavatkozás nélkül végrehajtani

utasításciklus: a program(ok) utasításainak ciklikus végrehajtása (a program által meghatározott sorrendben)
megszakítási rendszer: a működés bármelyik ciklusban megszakítható (kivéve, ha nem: lefagyás, "kék halál")

kívülről vezérelhető: működtető vagy operációs rendszerrel rendelkezik (pl. Microsoft Windows)

szoftver: a számítógépes programok együttműködő rendszere

műszakilag megvalósított rendszer: meghatározott hardver egységei vannak

Neumann elvek

Neumann János részt vett az első generációs^⇒ EDVAC számítógép (1944-1951) tervezésében. Az általa készített kutatási jelentésben meghatározta a digitális, tárolt programú elektronikus számítógépek működésének legfontosabb elveit.

soros (vagy szekvenciális) utasításvégrehajtás: az utasítások végrehajtása időben egymás után történik
megjegyzés: a modern számítógépek nagy részénél párhuzamos utasításvégrehajtás is lehetséges (pl. többprocesszoros gépek esetén, grafikus processzor használatakor, több számítógépet hálózatba kötve stb.)
kettes (bináris) számrendszer használata
belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására (ez az ún. tárolt program elve)

a számítógép meghatározott funkciókat végrehajtó hardver egységekkel rendelkezik

teljesen elektronikus működés: a számítógép központi egységében nincsenek mozgó alkatrészek
széles körű (univerzális) felhasználhatóság (alkalmasság bármilyen adatfeldolgozási feladatra)

a számítógép univerzális Turing-gépként^⇒ működik (a Turing-gép egy absztrakt automata, amely az ún. Church tézis szerint képes bármilyen adatfeldolgozási feladat matematikai leírására, ill. modellezésére)

Digitális számítógépek alapvető funkcionális (hardver) egységei

A Neumann-elvű számítógépek műszaki kialakításának egyik legfontosabb jellemzője, hogy a különböző feladatok (funkciók) megvalósítását meghatározott hardver elemek végzik, amelyek együttműködnek egymással. A fontosabb hardver elemek közül emeljünk ki néhányat:

központi egység (Central Unit)

központi feldolgozó egység (processzor, mikroprocesszor) (Central Processing Unit, CPU)

vezérlő egység (Control Unit, CU)
aritmetikai-logikai egység (ALU)

központi memória vagy operatív tár

háttértárak (pl. belső vagy külső merevlemez (HDD), szilárdtest meghajtó (SSD), CD vagy DVD, pendrive, memóriakártya stb.)
input-output perifériák

beviteli eszközök vagy bemeneti egységek, input perifériák (pl. billentyűzet, egér, kamera, mikrofon stb.)
kiviteli eszközök vagy kimeneti egységek, output perifériák (pl. képernyő, hangszóró, nyomtató stb.)

hálózati kapcsolatok (pl. hálózati kártya, WiFi adapter stb.)

Jegyezzük meg, hogy a cián színnel kiemelt hardver elemek alkotják az ún. Neumann-architektúrát.^⇒ Napjainkban egy személyi számítógép (PC) további hardver elemekkel is rendelkezik.

Egy személyi számítógép összeállítása

Az információs technológia fejlődése lehetővé tette viszonylag olcsón nagy teljesítményű és otthon is használható személyi számítógépek (pc) kialakítását. Ezek a számítógépek már a számítógépek negyedik generációjához^⇒ tartoznak. Ilyen számítógépek manapság mind asztali (desktop) számítógépek, mind hordozható számítógépek (laptopok, notebook-ok stb.) formájában készülnek.
Gyakorlati szempontból a személyi számítógépek talán legfontosabb jellemzője a moduláris felépítés. Ez azt jelenti, hogy a számítógépek egymással kompatibilis hardver elemekből összerakhatók. Egy adott számítógép hardver elemei (a számítógép konfigurációja) és a számítógépet működtető operációs rendszer együtt alkotja a számítógép architektúráját.

az alapvető hardver elemek kiválasztása^⇒

alaplap (pl. gyártó, támogatott processzorok)
processzor (pl. gyártó, sebesség, magok száma)
memória (pl. méret)
merevlemez (pl. típus, méret)
video- vagy monitorkártya (pl. gyártó, grafikus memória)

komplett konfigurációk összeállítása "gépösszerakók" segítségével (pl. PCX, Multimedia Tower^⇒)
egyedi termékek vásárlása (pl. egér, monitor, külső merevlemez stb.)

árak összehasonlítása

Alaplap

BIOS, UEFI
CMOS RAM
alaplapi chipkészlet ("chipset") és sínrendszer
processzorfoglalat
memóriafoglalatok
háttértárak csatlakoztatása
integrált periféria vezérlőkártyák (pl. integrált videokártya, hangkártya stb.)
bővítőhelyek (slot-ok) külső perifériák vezérlőkártyáihoz

nagy teljesítményű monitor- vagy videokártya (pl. számítógépes (video)játékokhoz, 3D grafikákhoz, virtuális valóság szimulációjához stb.)
...

külső (hátlapi) csatlakozó felületek (port-ok)

PS/2 portok a billentyűzet és az egér csatlakoztatására
USB portok (2.0, 3.0, 3.1)
monitor csatlakozók (pl. VGA, DVI, HDMI)
audio csatlakozók (hang be- és kimenetek)
hálózati (LAN) csatlakozás
...

Neumann-elvek; hardver elemek

A digitális számítógépek legfontosabb jellemzői

A fentiekben megadott példában (egy keresőkérdés elküldése a felhasználó számítógépéről a Google számára, amely egy adatbázisból előállítja a választ és visszaküldi az ügyfél számítógépnek) két számítógép kommunikál egymással:
– a kliens vagy "ügyfél" számítógép és
– a szerver vagy "kiszolgáló" számítógép.
Ez az ún. kliens-szerver architektúra, amely a megadott példában az adatbázisban való keresés miatt valójában három rétegű (vagy szintű) architektúrát valósít meg.

A Neumann architektúra (felépítés) olyan számítógépeket jelent, amely meghatározott elvek, az ún. Neumann-elvek alapján működnek (vö. John von Neumann: First Draft of a Report on the EDVAC, 1945).

a Neumann-elvek

Az átlagos felhasználók számára a legnyilvánvalóbb a számítógépek univerzalitása, amely kifejezi, hogy ma már számítógépeket a gazdasági és társadalmi élet, valamint az emberek mindennapjainak szinte minden területén használják, a legkülönbözőbb feladatok elvégzésére (ez az ún. informatizáció^⇒).

Azokat a számítógépeket, amelyek különböző feladatok végrehajtására képesek, általános célú számítógépeknek nevezzük. Az általános célú számítógépek esetén a számítógépen futtatott program határozza meg, hogy a számítógép éppen milyen feladatot végezzen el. Ehhez azonban szükségünk van egy olyan szoftverkörnyezetre, amely működteti a számítógépet, és lehetővé teszi, hogy különböző programokat tudjunk futtatni rajta. Ezt a szoftverkörnyezetet operációs rendszernek^⇒ nevezzük.

Az általános célú számítógépek helyett sokszor gazdaságosabb olyan számítógépek kifejlesztése, amelyek egy jól meghatározott feladat elvégzésére szolgálnak. Az ilyen számítógépeket célszámítógépeknek nevezzük. Például meghatározott célfeladatokat látnak el a háztartási gépekben, autókban, fényképezőgépekben, videokamerákban, játékokban, robotokban, rakétákban stb. működő mikroprocesszorok vagy chipek (és az ezekhez tartozó elektronika).

alapvető hardver egységek, Neumann-architektúra

A Neumann-elvű számítógépek alapvető funkcionális egységei a CPU-t és a memóriát magában foglaló központi egység, valamint az input és output perifériák. Ezeket a hardver fejlődése során további alapvető elemekkel egészítették ki (például háttértárakkal és hálózati kapcsolatokkal).

Az alábbi ábrán egy személyi számítógép (PC) további hardver elemei is megjelennek:

Egy személyi számítógép a fentieken kívül még további hardver elemekkel is rendelkezik. Talán a legfontosabb ezek közül az alaplap, amely a számítógép legfontosabb alkatrészeit (processzor, memória, grafikus vezérlő(kártya), hangkártya, hálózati kártya, további bővítő- vagy vezérlőkártyák, csatlakozók stb.) kapcsolja össze az ún. sínrendszer (vagy "buszrendszer") segítségével. A (adat)síneken adatok, címek és vezérlő jelek áramlanak, ennek megfelelően megkülönböztethetjük az adatsínt, címsínt és vezérlősínt.

Egy személyi számítógép összeállítása

A személyi számítógépek (és főként az IBM PC kompatibilis számítógépek) nagy piaci sikerüket elsősorban annak köszönhetik, hogy moduláris felépítésűek és az egyes részek kapcsolódási felületeit nemzetközi ("de jure") szabványok és a nagy (piacvezető) gyártók által nyilvánosságra hozott specifikációk (ún. "de facto" szabványok) rögzítik (pl. a magyar ékezetes karaktereket tartalmazó Latin-2 kódtáblát az ISO 8859-2 szabvány határozza meg, a magyar nyelvű Windows rendszerekben pedig a Microsoft által használt windows-1250 kódtábla használatos). A szabványok biztosítják a különböző gyártók által kifejlesztett hardver és szoftver komponensek kompatibilitását, amely lehetővé teszi, hogy az egyes számítógépeket a különböző gyártóktól származó egységekből a felhasználók igényei (és pénztárcája) szerint állíthassuk össze. (Sok számítógép forgalmazó cég kínál a webáruházában ún. gépösszerakókat, amelyek segítségével a forgalmazott termékekből komplett számítógépeket állíthatunk össze.)

A személyi számítógépek teljesítménye folyamatosan nő. Ennek érdekében fontos trend, hogy egyre több, korábban külön eszközzel (pl. bővítőkártyán) megvalósított funkciót integrálnak a CPU-ba, ill. az alaplapba. Emellett egyre több, korábban a számítógép házában elhelyezett eszköz, ill. bővítőkártya helyett használunk külső eszközöket.

A személyi számítógépek fontosabb hardver elemei

Egy lehetséges alapkonfiguráció (2020-04-15)

Példák fontosabb hardver elemekre

Az Intel PCH architektúra

Az architektúra középpontjában a központi feldolgozó egység (CPU) és az alaplapi vezérlő chip, az ún. platformvezérlő hub (PCH, korábban ún. déli híd vagy southbridge) áll. Ezeket az egységeket az ábrán

sematikus képe jelöli. A CPU és a PCH között az adatforgalom a DMI sinen vagy buszon keresztül történik. A (CPU-ba integrált) grafikus processzor (GPU) és a PCH közötti kapcsolat az FDI interfészen keresztül valósul meg. A CPU tartalmazza a memóriavezérlőt (az ábrán DDR3 típusú rendszermemória szerepel, de a modern CPU-k támogatják a DDR4 típusú memóriát is), a PCIe interfészen keresztül támogatja például egy külső grafikus kártya használatát (amely egyebek közt elegendően nagy grafikus memóriával rendelkezik), továbbá (e)DP, DVI, ill. HDMI portokat biztosít a monitor számára.

kiegészítés: az Intel PCH architektúra kialakulásának néhány mérföldköve

Az első alaplapi chipset, amely az Intel PCH architektúrát valósította meg, az Ibex Peak kódnevű, 2009-ben forgalomba hozott P55 Express chipset volt. Ez támogatta a Nehalem processzor mikroarchitektúrát, amelyben a memóriavezérlőt, a grafikus kártya és a CPU közötti kapcsolatot létrehozó PCI Express busz vezérlését, valamint a CPU és az alaplapi vezérlő chip (PCH) közötti kapcsolatot megvalósító DMI busz vezérlését a mikroprocesszorba integrálták. Az Intel PCH architektúra a korábbi Intel HUB architektúrát váltotta fel, amelyben az alaplapi chipset tartalmazott egy ún. északi hídat (northbridge) és egy ún. déli hidat (southbridge). A PCH architektúrában az északi híd funkcióit a CPU, a déli híd funkcióit pedig a PCH vette át. A Nehalem architektúra 2008-as forgalomba hozását követte 2011-ben a második generációs Sandy Bridge mikroarchitektúra, majd a 2012-ben a harmadik generációs Ivy Bridge mikroarchitektúra bevezetése.

Az Intel 2013-tól forgalomba hozott negyedik generációs processzorainak (Intel Core ix-4xxx) kódneve Haswell. Ezek a processzorok egyebek közt továbbfejlesztett integrált grafikus vezérlővel rendelkeznek, ami lehetővé teszi az ultranagy felbontású (UHD) megjelenítést külső grafikus kártya nélkül is. Az Intel ötödik generációs processzorainak (Intel Core ix-5xxx) kódneve Broadwell, a hatodik generációs processzorok (Intel Core ix-6xxx) kódneve pedig Skylake

A 8-as sorozatú Intel gyártmányú alaplapi chipek kódneve Lynx Point, ezeket főként az LGA 1150 foglalatú Haswell processzorok támogatása céljából fejlesztették ki. A Lynx Point PCH chipek (pl. Intel DH82H87 PCH) egyebek közt kezelik az analóg VGA kimenetet a monitor számára, max. 8 sávos (x1, x2, x4) PCIe 2.0 csatolófelülettel, hat 6Gbit/s SATA porttal, max. 14 (ebből nyolc USB 2.0, hat USB 3.0) USB porttal, és egyes típusok integrált LAN vezérlővel is rendelkeznek. A 9-es sorozatú Intel gyártmányú alaplapi chipek kódneve Wildcat Point, amelyeket a Broadwell processzorok támogatására fejlesztettek ki. Egyes Haswell és Broadwell processzorok számára az Intel kifejlesztette a C610 sorozatú, Wellsburg kódnevű alaplapi vezérlő chipeket. A 100-as sorozatú Intel gyártmányú alaplapi vezérlő chipek kódneve Sunrise Point, ezek főként a Skylake processzorokat szolgálják ki.

A 8-as sorozatú ("szériájú") Intel Express Chipset (PCH) architektúrája

Példa egy alaplapra: ASUS H110M-A

Példa egy (mikro)processzorra: Intel Core i5-6500

Az Intel Core i7 processzorok architektúrája

DRAM rendszermemória példa: Crucial 16GB DDR4 2666MHz UDIMM (az ASUS H110M-A alaplappal kompatibilis memória)

Gyakorlati feladat

(1) A korábban létrehozott szocikkek nevű mappában hozzon létre egy új, hardver nevű mappát, és ebben dolgozzon!

(2) Keresse meg 10 különböző hardver eszköz részletes leírását az interneten! Mindegyik eszközhöz hozzon létre egy mappát, amelynek a neve megegyezik az eszköz általános nevével (pl. processzor, merevlemez stb.), ebben pedig egy szövegfájlt (pl. processzor.txt, merevlemez.txt stb.). A szövegfájlban az eszköz weblapja alapján írjon (vagy másoljon be) néhány, az eszközre jellemző sort, és ezután írja le az eszköz legalább négy fontos jellemzőjét. Majd (új sorban kezdve) feltétlenül írja le annak a weblapnak az adatait is, ahonnan az információk származnak. (Tipp: a legtöbb eladói weboldalon megtalálhatók a vásárlók kommentjei és/vagy értékelései is, amelyekből a legtöbbször könnyen kiválaszthathatunk az eszközre jellemző, érdekes adatokat.)

A weblapok képernyőképét a szokásos módon mentse le 600 képpont magasságú gif képként (a megfelelő mappába, pl. processzor.gif, merevlemez.gif stb. néven).

(3) Keressen egy jellemző és legalább 500 képpont szélességű/magasságú képet az interneten az adott eszközhöz, és a képet mentse le az adott mappába (ha a mentéskor a fájl neve értelmetlen vagy túl hosszú, nyugodtan nevezze át, de ne felejtse el, hogy a fájl kiterjesztése mentéskor nem változtatható meg). Például az Intel Core i7-9700K processzor esetén egy lehetséges kép:

(4) Hozzon létre egy montazs nevű mappát, és ebben egy 1024x768 méretű, tetszőleges háttérszínű, üres képet. Mentse le a képet montazs.jpg néven (tehát jpg fájlként). A korábbi feladatban lementett eszközképeket felhasználva másolja be különböző méretekben, torzítás nélkül, egymás után a képeket a montazs.jpg fájlba úgy, hogy egy szép, esztétikus montázskép alakuljon ki (a képek természetesen átfedhetuk egymást!). Végül a kép jobb alsó sarkába írja be a nevét és a dátumot.

A feladatok elvégzése után tömörítse össze a hardver mappa tartalmát egy zip állományba, nevezze át a tömörített fájlt a saját neve felhasználásával (pl. puk_kata.zip), és az így kapott állományt küldje el e-mail csatolmányként.

univerzális, meghatározott feladatok nagy sebességű és precíz elvégzésére szolgál	széles körben alkalmazható, (elvileg) bármilyen adatfeldolgozást megvalósító utasítássorozat, algoritmus elvégzésére képes
automatikus működésű	programozható (képes egy vagy több utasítássorozatvagy program utasításait önállóan, emberi beavatkozás nélkül végrehajtani)
kívülről vezérelhető, a működése nyomon követhető és megváltoztatható (indítható, leállítható, megszakítható stb.)	működtető vagy operációs rendszerrel rendelkezik
gép, azaz műszakilag megvalósított rendszer	meghatározott feladatokat ellátó hardver egységei vannak

Hardver

Neumann-elvek; hardver elemek

A digitális számítógépek legfontosabb jellemzői

a Neumann-elvek

alapvető hardver egységek, Neumann-architektúra

Egy személyi számítógép összeállítása

A személyi számítógépek fontosabb hardver elemei

Egy lehetséges alapkonfiguráció (2020-04-15)

Példák fontosabb hardver elemekre

Az Intel PCH architektúra

kiegészítés: az Intel PCH architektúra kialakulásának néhány mérföldköve

A 8-as sorozatú ("szériájú") Intel Express Chipset (PCH) architektúrája

Példa egy alaplapra: ASUS H110M-A

Példa egy (mikro)processzorra: Intel Core i5-6500

Az Intel Core i7 processzorok architektúrája

DRAM rendszermemória példa: Crucial 16GB DDR4 2666MHz UDIMM (az ASUS H110M-A alaplappal kompatibilis memória)

Gyakorlati feladat