T14 – Architektúra počítača a operačné systémy
Vlastnosti
| okruh | TČOZ |
| stav | vypracované |
ARCHITEKTÚRA POČÍTAČA A OPERAČNÉ SYSTÉMY – základné komponenty PC, operačné systémy, blokové schémy rôznych architektúr počítača, druhy pamätí v počítači, aplikačné programy, druhy adries IPv6, objektovo orientované programovanie – trieda, objekt, ...
Základné komponenty počítača
Osobný počítač tvoria najmä:
- CPU — riadiaca jednotka načítava a dekóduje inštrukcie, ALU vykonáva aritmetické a logické operácie, registre držia malé množstvo okamžitých údajov a cache zrýchľuje prístup k často používaným dátam,
- základná doska — prepája komponenty, obsahuje čipset, sloty, zbernice, firmware UEFI a konektory,
- RAM — pracovná, rýchla a spravidla volatilná pamäť,
- úložisko — SSD alebo HDD pre trvalé programy a dáta,
- GPU — vykonáva grafické a paralelné výpočty,
- zdroj (PSU) — mení sieťové napätie na stabilné jednosmerné napätia,
- vstupno-výstupné zariadenia, sieťový adaptér a chladiaci systém.
Architektúry a blokové schémy
Vo von Neumannovej architektúre sú program aj dáta v spoločnej pamäti a komunikujú s CPU po spoločnej zbernici. Jednoduchá bloková schéma je CPU ↔ zbernica ↔ pamäť + vstup/výstup. Výhodou je flexibilita, nevýhodou zdieľaná cesta a takzvané von Neumannovo hrdlo.
V Harvardskej architektúre sú programová a dátová pamäť oddelené a môžu mať samostatné zbernice. Modifikovaná Harvardova architektúra kombinuje princípy; používa sa v mnohých procesoroch s oddelenými cache pre inštrukcie a dáta. Pri návrhu blokovej schémy treba označiť CPU, pamäť, zbernice, radiče a I/O, nie iba jednotlivé periférie.
Druhy pamätí
Hierarchia od najrýchlejšej po pomalšiu je približne registre → cache → RAM → SSD/HDD. Registre a cache sú malé a volatilné, RAM po vypnutí stráca obsah. ROM, EEPROM a flash sú nevolatilné; firmware sa uchová aj bez napájania. SSD používa flash bez mechanických častí, HDD magnetické platne a hlavičky. Pri pamäti posudzujeme kapacitu, latenciu, priepustnosť, cenu a volatilitu.
Operačné systémy a aplikačné programy
Operačný systém spravuje procesy a vlákna, virtuálnu pamäť, súborový systém, ovládače, používateľov, oprávnenia, sieť a bezpečnosť. Poskytuje služby, ktoré aplikácia využíva cez API. Poznáme desktopové, serverové, mobilné, embedded a real-time operačné systémy; rozdiel je v účele a požiadavkách na odozvu.
Aplikačný program rieši konkrétnu úlohu používateľa, napríklad kancelársky editor, prehliadač, databázový klient, CAD alebo vývojové prostredie. Nie je to to isté ako ovládač či jadro operačného systému.
Druhy adries IPv6
IPv6 používa 128-bitové adresy. Global unicast je verejne smerovateľná, link-local fe80::/10 platí iba na lokálnom linku a unique local fc00::/7 je určená pre interné použitie. Multicast začína ff00::/8 a nahrádza broadcast. Anycast priraďuje rovnakú adresu viacerým uzlom a smerovanie vyberie najbližší. ::1 je loopback a :: je neurčená adresa.
OOP: trieda a objekt
V objektovo orientovanom programovaní je trieda predloha so stavom a správaním; objekt je konkrétna inštancia. Atribúty uchovávajú stav a metódy definujú správanie. Zapuzdrenie obmedzuje priamy prístup, abstrakcia ukazuje podstatné vlastnosti, dedičnosť zdieľa spoločný základ a polymorfizmus umožňuje rovnaké rozhranie s rôznou implementáciou.
Bloková schéma a zbernice
┌───────────────────────┐
│ CPU │
│ riadiaca jednotka, │
│ ALU, registre, cache │
└───────────┬───────────┘
│ dátová + adresová + riadiaca zbernica
┌───────────────┼────────────────┐
┌─────┴─────┐ ┌─────┴─────┐ ┌──────┴──────┐
│ pamäť │ │ vstup │ │ výstup │
│ RAM, ROM │ │ klávesnica│ │ monitor │
└───────────┘ └───────────┘ └─────────────┘
| Zbernica | Smer | Čo prenáša |
|---|---|---|
| dátová | obojsmerne | samotné dáta a inštrukcie |
| adresová | z CPU | adresu pamäťového miesta alebo zariadenia |
| riadiaca | obojsmerne | signály čítaj/zapíš, hodiny, prerušenia |
Šírka adresovej zbernice určuje adresovateľnú pamäť: 32 bitov → 2³² B = 4 GB, preto 32-bitové systémy nevyužijú viac než 4 GB RAM.
Cyklus procesora
- Fetch – načítanie inštrukcie z pamäte na adrese v programovom čítači (PC)
- Decode – riadiaca jednotka inštrukciu dekóduje
- Execute – ALU ju vykoná
- (Write back) – výsledok sa zapíše do registra alebo pamäte, PC sa posunie
Výkon zvyšuje frekvencia, počet jadier, veľkosť cache a pipelining (prekrývanie fáz viacerých inštrukcií).
CISC a RISC
| CISC | RISC | |
|---|---|---|
| inštrukcie | veľa zložitých, rôznej dĺžky | málo jednoduchých, rovnakej dĺžky |
| príklad | x86 (Intel, AMD) | ARM (mobily, Apple M), RISC-V |
| spotreba | vyššia | nižšia |
Druhy pamätí – prehľad
| Pamäť | Volatilná | Rýchlosť | Použitie |
|---|---|---|---|
| registre | áno | najvyššia | operandy v CPU |
| cache L1/L2/L3 (SRAM) | áno | veľmi vysoká | kópie často používaných dát |
| RAM (DRAM, DDR4/DDR5) | áno | vysoká | bežiace programy |
| ROM / flash (UEFI) | nie | nízka | firmvér |
| SSD (flash, NVMe) | nie | stredná | trvalé úložisko |
| HDD | nie | nízka | lacná veľká kapacita |
Podrobnosti o moduloch, kanáloch a ECC: Pamäť, adaptérové karty a rozširujúce sloty.
Operačné systémy – príklady a funkcie
| Typ | Príklady |
|---|---|
| desktopové | Windows 11, macOS, Linux (Ubuntu, Fedora) |
| serverové | Windows Server, Linux (Debian, RHEL) |
| mobilné | Android, iOS |
| sieťové / embedded | Cisco IOS, firmvér routerov, RTOS v mikrokontroléroch |
Spustenie PC: zapnutie → POST (test hardvéru) → UEFI/BIOS nájde zavádzač → bootloader (napr. Windows Boot Manager, GRUB) → jadro OS → služby → prihlásenie.
- Proces = spustený program s vlastnou pamäťou; vlákno = časť procesu, vlákna zdieľajú pamäť procesu.
- Súborové systémy: NTFS (Windows), FAT32 (max. súbor 4 GB), exFAT (USB kľúče), ext4 (Linux), APFS (macOS).
- Softvér: systémový (OS, ovládače, utility) vs. aplikačný (kancelária, prehliadač, hry).
Trieda a objekt v C#
class Pocitac
{
public string Nazov;
public int RamGB;
public void Vypis()
{
Console.WriteLine($"{Nazov}: {RamGB} GB RAM");
}
}
Pocitac pc1 = new Pocitac(); // objekt (inštancia) triedy
pc1.Nazov = "Učebňa 12";
pc1.RamGB = 16;
pc1.Vypis(); // Učebňa 12: 16 GB RAM
Trieda je predloha (ako výkres), objekt je konkrétny výrobok podľa nej. Z jednej triedy môže vzniknúť veľa objektov s rôznymi hodnotami atribútov.
Krátka ústna odpoveď
PC sa skladá z CPU, základnej dosky, RAM, úložiska, zdroja, GPU, sieťového a I/O hardvéru. Von Neumannova architektúra zdieľa pamäť programu a dát, Harvardova ich oddeľuje; pamäťová hierarchia ide od registrov cez cache a RAM po SSD/HDD. OS spravuje procesy, pamäť, súbory, ovládače a bezpečnosť, aplikácie využívajú jeho služby. IPv6 pozná global unicast, link-local, unique local, multicast a anycast. OOP používa triedy, objekty, atribúty a metódy.
Súvisiace poznámky
- Hardvér: Elektrická bezpečnosť a hardvér PC · Pamäť, adaptérové karty a rozširujúce sloty · Pamäte · Základná doska
- CCNA2: M08 – SLAAC and DHCPv6 — rozcestník CCNA2 – SRWE
Kontrolné otázky
Z akých komponentov sa skladá PC?
CPU, základná doska (čipset, UEFI, sloty), RAM, úložisko SSD/HDD, zdroj, GPU, sieťová karta, chladenie, vstupno-výstupné zariadenia.
Porovnaj von Neumannovu a Harvardskú architektúru.
Von Neumann: spoločná pamäť a zbernica pre program aj dáta, flexibilná, ale úzke hrdlo. Harvard: oddelená pamäť programu a dát, súčasný prístup, mikrokontroléry a cache L1.
Aké zbernice poznáš a čo prenášajú?
Dátová (dáta), adresová (adresy, z CPU), riadiaca (riadiace signály).
Opíš cyklus vykonania inštrukcie.
Fetch (načítanie podľa programového čítača), decode (dekódovanie), execute (vykonanie v ALU), zápis výsledku.
Zoraď pamäte podľa rýchlosti.
Registre → cache → RAM → SSD → HDD. Rýchlejšie sú menšie a drahšie.
Aké funkcie má operačný systém?
Správa procesov, pamäte, súborov, zariadení (ovládače), používateľov a oprávnení, siete a bezpečnosti; poskytuje rozhranie (GUI/CLI, API).
Aký je rozdiel medzi triedou a objektom?
Trieda je predloha (atribúty a metódy), objekt je konkrétna inštancia
vytvorená cez new.
Aké typy IPv6 adries poznáš?
Global unicast, link-local fe80::/10, unique local fc00::/7, multicast
ff00::/8, anycast, loopback ::1.