Počítačová architektura

Adresa v paměti je číslo, kterým procesor jednoznačně označuje konkrétní buňku operační paměti, obvykle jeden bajt. Program pomocí adresy říká, odkud má data načíst nebo kam je zapsat. Adresy tvoří souvislý číselný rozsah, jehož velikost určuje šířka adresní sběrnice a architektura, typicky 32 nebo 64 bitů.

Android je operační systém postavený nad linuxovým jádrem, který vyvíjí Google a otevřeně uvolňuje jako projekt AOSP. Android pohání převážnou většinu chytrých telefonů, dále tablety, televize, hodinky i palubní systémy aut. Aplikace se pro něj píší hlavně v Kotlinu nebo Javě a distribuují přes Google Play i alternativní obchody.

Bit a byte znamená dvojici základních jednotek digitálních dat: bit vyjadřuje jednu binární hodnotu 0 nebo 1, zatímco byte je skupina osmi bitů používaná jako praktická jednotka paměti a souborů. Rozdíl je důležitý při počítání kapacity, síťové rychlosti, kódování textu i práci s nízkoúrovňovými daty.

Booleovské operace jsou logické operace nad hodnotami pravda a nepravda, především AND (konjunkce), OR (disjunkce), NOT (negace) a XOR (nonekvivalence). Tvoří základ Booleovy algebry, řídí podmínky v programovacím kódu, filtry ve vyhledávání i klauzuli WHERE v SQL a na úrovni hardwaru je realizují logická hradla procesoru.

Bootování je proces, kterým se počítač po zapnutí dostane od několika instrukcí v paměti ROM až k plně běžícímu operačnímu systému. Firmware (UEFI nebo BIOS) otestuje a inicializuje hardware, najde bootovatelné zařízení, spustí zavaděč a ten načte jádro systému do RAM a předá mu řízení.

Bufferování je dočasné shromažďování dat ve vyhrazené oblasti paměti (bufferu) mezi dvěma částmi systému, které pracují různou rychlostí nebo po různě velkých dávkách. Zápis se hromadí, dokud se buffer nezaplní nebo dokud ho program nevyprázdní, a teprve pak odchází dál. Cílem je méně drahých operací a plynulejší tok dat.

CPU je hlavní výpočetní část počítače, která načítá a vykonává instrukce programů, řídí tok dat mezi pamětí a periferiemi a provádí aritmetické i logické operace. V praxi rozhoduje o tom, jak rychle běží sekvenční kód, kolik úloh lze obsluhovat paralelně a kde vzniká výpočetní úzké hrdlo.

Culling je technika v grafickém programování, která před vykreslením vyřazuje objekty, plochy nebo fragmenty považované za neviditelné či nepodstatné pro aktuální záběr. Cílem je snížit počet výpočtů pro GPU, šetřit paměťovou propustnost a udržet stabilní snímkovou frekvenci bez změny viditelného výsledku.

Deadlock je stav, kdy se dva nebo více procesů, vláken nebo transakcí navzájem blokují, protože každý drží prostředek, který potřebuje někdo další. Výpočet pak nemůže pokračovat bez zásahu plánovače, databáze nebo aplikace, typicky u zámků, mutexů, souborů či řádků v databázi.

Endianita je pravidlo, v jakém pořadí se bajty vícebajtového čísla ukládají do paměti nebo posílají po síti. Big endian zapisuje nejvýznamnější bajt jako první, little endian naopak nejméně významný. Rozdíl se projeví vždy, když jeden systém čte binární data zapsaná jiným systémem s opačnou konvencí.

Firmware je software uložený přímo v paměti zařízení, který ovládá jeho hardware a spouští se dřív než operační systém nebo aplikace. Najdete ho v routerech, discích, klávesnicích, platebních terminálech i v čipech uvnitř počítače. Aktualizuje se zvláštním postupem zvaným flashování a jeho selhání může zařízení vyřadit z provozu.

GPU je specializovaný procesor navržený pro masivně paralelní výpočty, zejména vykreslování grafiky a zpracování maticových operací. Oproti CPU má mnoho jednodušších výpočetních jednotek, které současně provádějí podobné instrukce nad velkým objemem dat, například pixely, vertexy, texturami nebo tenzory ve strojovém učení.

Instrukční sada je formální soubor strojových instrukcí, registrů, datových typů a pravidel, kterým procesor nebo virtuální stroj rozumí. Tvoří hranici mezi hardwarem a softwarem: kompilátor do ní překládá program a procesor podle ní provádí operace, například aritmetiku, skoky nebo práci s pamětí.

Kontejner je izolované běhové prostředí pro aplikaci, které obsahuje její kód, knihovny a nastavení, ale obvykle sdílí jádro operačního systému hostitele. V praxi umožňuje spustit stejný software lokálně, na serveru i v cloudu s menším režijním zatížením než plnohodnotný virtuální stroj.

Kvantizace modelu je převod vah a někdy i aktivací neuronové sítě z přesnějšího číselného formátu, typicky 32bitového float, do formátu s menším počtem bitů, například INT8 nebo 4bitového celého čísla. Model tím zabere méně paměti a počítá rychleji, výměnou za malou a měřitelnou ztrátu přesnosti výstupů.

Multithreading je souběžné vykonávání více vláken uvnitř jednoho procesu, přičemž vlákna sdílejí stejný adresní prostor a otevřené soubory, ale mají vlastní zásobník a čítač instrukcí. Umožňuje využít víc jader procesoru najednou nebo pokračovat v práci, zatímco jiné vlákno čeká na disk či síť.

Mutex je synchronizační primitivum, které zaručuje, že do chráněné sekce kódu vstoupí v jednu chvíli nejvýše jedno vlákno. Vlákno zámek zamkne, provede práci nad sdílenými daty a zámek odemkne; ostatní vlákna mezitím čekají. Název vznikl zkrácením anglického mutual exclusion, tedy vzájemné vyloučení přístupu ke sdílenému prostředku.

Operační systém je software, který spravuje hardware počítače a rozděluje jeho zdroje mezi běžící programy. Přiděluje procesorový čas, paměť, přístup k disku a k síti, izoluje procesy od sebe navzájem a nabízí aplikacím jednotné rozhraní systémových volání. Bez operačního systému by každý program musel ovládat konkrétní hardware sám.

Ovladač zařízení je programová vrstva, která překládá obecné požadavky operačního systému na konkrétní registry, přerušení a datové přenosy daného hardwaru. Díky ovladači může aplikace zapsat do souboru nebo vykreslit obraz, aniž by znala model disku či grafické karty. Ovladače běží nejčastěji v jádře, část jich pracuje i v uživatelském prostoru.

Paket je základní jednotka dat přenášená počítačovou sítí, složená z hlavičky s adresami a řídicími údaji a z užitečného obsahu. Odesílatel rozdělí zprávu na pakety, síť je doručuje nezávisle na sobě různými cestami a příjemce z nich původní data znovu poskládá do správného pořadí.

Paralelní zpracování je způsob výpočtu, při kterém se úloha rozdělí na části běžící současně na více výpočetních jednotkách, typicky na jádrech procesoru, na GPU nebo na několika strojích v clusteru. Cílem je zkrátit dobu výpočtu, přičemž zrychlení omezuje ta část úlohy, kterou rozdělit nelze, a režie na komunikaci mezi částmi.

Pipelining je technika, při které se zpracování rozdělí na několik po sobě jdoucích fází a ty běží současně nad různými položkami, takže se překrývá čekání s prací. Procesor tak začne načítat další instrukci dřív, než dokončí předchozí, a klient pošle další požadavek bez čekání na odpověď. Zvyšuje průchodnost, nikoli latenci jedné položky.

Procesorové jádro je samostatná výpočetní část CPU, která načítá a vykonává instrukce programu. Vícejádrový procesor obsahuje několik takových jednotek, takže může paralelně zpracovávat více úloh nebo vláken. Skutečné zrychlení závisí na softwaru, operačním systému, sdílených zdrojích a tom, zda práce jde rozdělit.

Race condition je chyba souběhu, při níž správnost programu závisí na náhodném pořadí nebo načasování operací nad sdíleným stavem. Projeví se typicky ve vláknech, asynchronním kódu, databázových transakcích nebo distribuovaných systémech, kde dvě části programu čtou a mění stejná data bez dostatečné synchronizace.

RAM je rychlá pracovní paměť počítače, do které procesor ukládá data a instrukce právě běžících programů. Na rozdíl od disku ztrácí obsah po vypnutí napájení, ale nabízí výrazně kratší přístupové časy. Množství RAM ovlivňuje, kolik aplikací a dat lze zpracovávat bez zpomalení swapováním.

Rasterizace je převod geometrie, písma, vektorových tvarů nebo obrazových popisů na mřížku pixelů či vzorků. V grafických kartách tvoří klíčový krok mezi 3D scénou a obrazem na displeji: rozhoduje, které pixely pokrývá trojúhelník, jakou mají hloubku a jaké fragmenty dostanou shadery.

Ray tracing je technika vykreslování, která simuluje cestu světelných paprsků scénou a z jejich průsečíků s objekty počítá barvu pixelů. Používá se pro věrohodné odrazy, stíny, průhlednost a globální osvětlení, ale je výpočetně náročnější než běžná rasterizace.

Registr procesoru je malá paměťová buňka přímo uvnitř jádra CPU, do které se ukládají operandy, mezivýsledky a adresy, se kterými instrukce právě pracuje. Přístup trvá zlomek nanosekundy, řádově rychleji než čtení z cache nebo z operační paměti. Registrů je jen desítky a jejich jména jsou pevnou součástí instrukční sady.

Sběrnice je komunikační cesta, po které si části počítače nebo vestavěného systému předávají data, adresy a řídicí signály. Určuje, kdo může mluvit, jak rychle přenos probíhá a jak zařízení poznají správného příjemce; fyzicky může jít o vodiče, konektor, protokol nebo jejich kombinaci.

Souborový systém je způsob organizace dat na úložišti, který převádí očíslované bloky disku na pojmenované soubory a adresáře. Určuje, jak se ukládá obsah, metadata (velikost, práva, časy) i volné místo, a jak se stav udrží konzistentní při výpadku napájení. Příkladem jsou ext4, NTFS, APFS, XFS nebo ZFS.

SSD je úložné zařízení, které data ukládá do polovodičové flash paměti NAND místo na rotující magnetické plotny. Nemá pohyblivé části, takže přístup k libovolnému místu trvá řádově desítky mikrosekund a náhodné čtení je stokrát až tisíckrát rychlejší než u pevného disku. Řadič uvnitř SSD navíc mapuje logické bloky na fyzické buňky.

Virtualizace je technika, při níž software vytváří oddělenou vrstvu mezi fyzickým hardwarem a operačními systémy, aplikacemi nebo úložištěm, takže jeden počítač může bezpečně hostit více izolovaných prostředí. Používá se v serverech, cloudu, vývoji i testování, protože zlepšuje využití zdrojů a zjednodušuje správu.

Vlákno je samostatná posloupnost vykonávání instrukcí uvnitř procesu, kterou operační systém nebo běhové prostředí plánuje na procesor. Více vláken může sdílet paměť a otevřené zdroje stejného procesu, takže usnadňují souběžnou práci, ale vyžadují synchronizaci kvůli závodům, deadlockům a obtížně reprodukovatelným chybám.

Von Neumannova architektura je model počítače, ve kterém jsou program i data uloženy ve stejné operační paměti a procesor je čte přes společnou sběrnici. Instrukce se vykonávají sekvenčně v cyklu načtení, dekódování a provedení. Na tomto principu stojí drtivá většina dnešních počítačů, serverů i mobilních telefonů.

Vykreslovací pipeline je posloupnost pevně daných kroků, kterými grafická karta promění popis 3D scény (vrcholy, transformace, materiály) na barvy jednotlivých pixelů ve výsledném obrazu. Zahrnuje zpracování vrcholů, sestavení primitiv, ořez, rasterizaci, výpočet barvy fragmentů a zápis do framebufferu. Programovatelné části pipeline řídí shadery, zbytek obstarává pevná logika hardwaru.