Bit und Byte/Binär

Bit, das; Subst. (bit)
Abkürzung für »binary digit«, zu Deutsch »binäre Ziffer«. Die kleinste Informationseinheit, die von einem Computer verarbeitet werden kann. Ein Bit nimmt im Binärsystem entweder den Wert 0 oder 1 ein, bei logischen Operationen einen der Werte »wahr« oder »falsch«. Die physikalische Darstellung eines Bits erfolgt bei Schaltkreisen durch zwei verschiedene Spannungspegel (niedriger oder hoher Pegel, je nachdem, ob die Information 0 oder 1 repräsentiert wird) oder – bei der Speicherung auf einem magnetischen Datenträger – durch magnetische Ladungen, die je nach Beschaffenheit entweder den Wert 0 oder 1 darstellen. Ein einzelnes Bit stellt nur eine vergleichsweise unbedeutende Information dar. Erst durch die Zusammenfassung mehrerer Bit zu einem Byte, wobei 8 Bit ein Byte bilden, können vielfältige Arten von Informationen übermittelt werden. Mit einem Byte lässt sich z. B. genau ein Buchstabe, eine Ziffer oder ein anderes Zeichen darstellen.

Ein binär (zweiwertig) arbeitendes System kann nur zwei Zustände unterscheiden, die meistens mit den Ziffern 0 und 1 bezeichnet werden. Alternative Zustände sind Ja oder Nein, Plus oder Minus, Strom ein oder Strom aus. Dies lässt sich mathematisch mit Dualzahlen (Binärzahlen) beschreiben. Man sagt, solche Systeme arbeiten digital, da die von ihnen beschreibbaren. Man sagt, solche Systeme arbeiten digital, da die von ihnen beschreibbaren bzw. annehmbaren Zustände (Abstufungen) genau abzählbar bzw. unterscheidbar sind – und nicht (wie bei analog) stufenlos sein können.

Moderne Computer (auch Von-Neuman-Rechner genannt) arbeiten digital, da ihre Grundbausteine (die zu Chips integrierten Transistoren) nur zwischen zwei elektrischen Zuständen unterscheiden können. Das wiederum ermöglicht die maschinelle Bearbeitbarkeit digital beschreibbarer Zustände. Die kleinste digitale, von einem Computer verarbeitbare Informations- bzw. Speichereinheit nennt man Bit (Binary digit = Binäre Zahl). So kann z. B. der elektrische Zustand einer einzelnen Speicherzelle in einem Rechner durch die Ziffern (Bits) 1 oder 0 dargestellt werden.

Nun könnte man auf den ersten Blick meinen, ein solches System sei sehr beschränkt (und daher wenig nützlich). Aber das Gegenteil ist der Fall, denn: Digitale Systeme bzw. Computer arbeiten auf der Informationsebene nicht mit Bits, sondern mit Bytes. Bytes sind digitale Datenwörter, die aus je immer 8 Bits zusammengesetzt werden. Um dieses Prinzip besser zu verstehen, hilft es, die Assoziation zur menschlichen Sprache zu suchen. Bits kann man sich als Buchstaben, Bytes dagegen als die „Wörter des Computers“ vorstellen. Im Gegensatz zu „unseren“ Wörtern sind die des Computers aber immer gleich lang (nämlich 8-stellig) und bestehen immer nur aus zwei Buchstaben (0 oder 1, zu je acht Stück pro Wort aneinandergereiht). Und so, wie „wir“ nicht im Buchstaben reden/beschreiben/denken, sondern mit Wörtern, so tut das auch der Computer mit Bytes (und nicht mit Bits). Die Bits dienen ihm nur zu maschinellen Verarbeitung (z. B. zum Speichern), wie uns die Buchstaben zum Beschreiben/Aufschreiben der Wörter dienen.

Beide Systeme (Mensch bzw. Gehirn wie Computer) dienen zum Verarbeiten von Daten bzw. Informationen. Dazu „beschreiben“ sie (im ersten Schritt) Zustände und speichern diese als Daten (bzw. Informationen) ab. Der wesentliche Unterschied zwischen „echter“ Realität und der Virtualität eines Computers (wie auch der in unserem Gehirn) ist die Entkopplung eines (beschreibbaren) Zustands von physischer Materie oder Energie durch eben eine „Beschreibung“. Beispiel: Eine reale rote Blume existiert wirklich und ist in ihren Eigenschaften (rot zu sein) an Materie und/oder Energie gebunden. Möchte man ihre Farbe ändern, müsste man in der realen Welt auch ihren physischen Zustand ändern (was normalerweise nicht geht). Eine virtuelle Blume (z. B. in der Bildbearbeitung eines Computers oder auch in unserer Vorstellung) existiert dagegen nur als Beschreibung. Möchte man bei ihr die Farbe von Rot in Blau ändern, braucht man dazu lediglich die Beschreibung zu ändern – was verhältnismäßig einfach geht (v. a. mit dem Computer)

Während wir (Menschen) mit unserer komplexen Sprache (vgl. Künstliche Intelligenz) viele und sehr variable Beschreibung erzeugen können, ist ein Computer darauf beschränkt, alles in Bytes aufzuschlüsseln. Grundsätzlich lassen sich mit 8-stelligen Binärwörtern (Bytes) jeweils 256 verschiedene Zustände beschreiben (da 2⁸ = 256, vgl. Abbildung). Durch die Kombination mehrerer Bytes (quasi zu digitalen Sätzen), kann man aber die Zahl der Zustandsbeschreibungen beliebig vergrößern. Am einfachsten versteht man dies bei der Beschreibung von Farbzuständen mit Farbmodellen wie RGB. Hier wird je ein Byte für einen Farbkanal der drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) verwendet, um 256 Helligkeitsunterschiede zu beschreiben (Halbtöne). Bei Schwarzweissdarstellung würde das 256 Grauwerten entsprechen.

Durch die Kombination von je 3 Byte (für die 3 Farbkanäle) erhält man eine Informationsbreite von 24 Bit (3 * 8 Bit). Jeder der Farb-/Helligkeitszustände lässt sich mathematisch auch mit herkömmlichen Dezimalzahlen durch Ziffern von 0 bis 255 beschreiben. Jeder dieser Werte (egal ob binär oder dezimal dargestellt) beschreibt einen Farb- bzw. Halbton. Die Zuordnung zu den dreistelligen Dezimalzahlen erleichtert uns Menschen den Umgang mit den digitalen Zustandsbeschreibungen. Zumal sie als 3-stellige (dezimale) „Wörter“ kürzer und daher leichter zu handhaben sind als die 8-stelligen Binärcodes (z. B. bei der Eingabe in Dialogfenster). Muss man sich als Mensch (z. B. beim Programmieren) mit Binärcodes „herumschlagen“, hilft einem dabei eventuell die Verwendung des Hexadezimalsystems. Denn dieses auch in der Lage, Binärzahlen darzustellen, nur „rechnet“ es dafür auf der Basis 16 (statt 2). was wiederum die Darstellungslänge eine Bytes von einer 8-stelligen Dualzahl auf eine 2-stellige Hexadezimalzahl verkürzt – wenn man so möchte, eine Art Kompression (der Darstellung/Schreibweise).

Digitale Zustandsbeschreibung durch Bytes auf der Basis einzelner Bits. In der ersten linken Spalte aufsteigend der Dezimalzahlen, an zweiter Stelle Hexadezimalzahlen und an dritter dann der Binär-Code. Zur weiteren Hilfe die Spalten Charakter und Bezeichnung.

Quelle: http://edu.juergarnold.ch/fach_it/asciiunicode/article.html

Der ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange) ist in seiner Ursprungsversion eine 7-Bit-Zeichenkodierung und wurde bereits damals eingesetzt, wo noch Textnachrichten per Fernschreiber (Telex) übermittelt wurden. Die druckbaren Zeichen umfassen das lateinische Alphabet in Gross- und Kleinschreibung, die zehn arabischen Ziffern sowie einige Interpunktionszeichen (Satzzeichen, Wortzeichen) und andere Sonderzeichen. Der Zeichenvorrat entspricht weitgehend dem einer Tastatur oder Schreibmaschine für die englische Sprache. Die nicht druckbaren Steuerzeichen enthalten Ausgabezeichen wie Zeilenvorschub oder Tabulator, Protokollzeichen wie Übertragungsende oder Bestätigung und Trennzeichen wie Datensatztrennzeichen.

Die 8-Bit ASCII-Tabelle mit den Binär-, Dezimal- und Hexadezimalwerten der 256 Characters (Gelb: Steuerzeichen)

Vergleiche ausserdem Grössenangaben/Vorsatzzeichen zu den gängigen Bezeichnungen bzw. „Potenzen“ frü bei Computern übliche Speichermengen/-einheiten wie KByte oder GByte.

In Zusammenhang mit Bits und Bytes unterscheidet man ausserdem noch folgende „Unterbegriffe“:

• Datenwort [data word]: Eigentlich sollte der Begriff Datenwort immer (nur) für ein Byte stehen. Er wird jedoch auch für zusammenängende Informationseinheiten/-blöcke verwendet, die als eine Einheit über einen Datenbus übertragen werden. Man sagt beispielsweise: Auf dem Adressbus des Prozessors werden „Datenwörter“ mit je 16 oder 32 Bit übertragen. Diese werden dazu wiederum in „Päckchen“ von 2 oder 4 Byte zerlegt.
• Low Byte, High Byte: Bestehen (wie im letzten Punkt gezeigt) Datenwörter aus mehr als 8 Bit, werden sie in einzelne Bytes zerlegt. Ein 16-Bit-Datenwort wird durch zwei 8-Bit-Teile dargestellt, einem linken und einem rechten. Das rechte Byte nennt man auch das „niederwertige“ bzw. „Low Byte“, des linke entsprechend das „hochwertige“ bzw. „High Byte“.
• Halbbyte: Für manche Verarbeitungen/Berechnungen ist es notwendig, auch ein Byte in zwei 4 Bit grosse Hälften zu unterteilen, die Halbbytes eben [half-byte, nibbles]. Dies wird z.B. verwendet, um Dezimalzahlen binär darzustellen. Das erste Halbbyte einer (beschriebenen) Dezimalzahl wird Zonenteil genannt enthält dann die Information zum eigentlichen Wert der Zahl.

Binär Rechnen

In allen Kulturkreisen wird heute mit dezimalen Zahlen gerechnet. Mit den Ziffern 0..9 gibt es in diesem System für jede Stelle einer Zahl 10 Möglichkeiten. Den Umgang mit diesem System sind die Menschen gewohnt und jeder weiß, dass nach der Zahl 9 die Einerstelle wieder bei Null anfängt und die Zahl 10 mit einer zusätzlichen Zehnerstelle folgt.

In der Computertechnik arbeitet man mit Bits und Bytes, also mit Speicherstellen die jeweils nur den Zustand gesetzt also 1 oder nicht gesetzt also 0 kennt. Das entspricht dem dualen- oder auch binären Zahlensystem. Auch die Web-IO Digital Geräte verarbeiten die Zustände der Inputs und Outputs intern als duale Zahlen.

Duale Zahlen sind für den Menschen leider sehr unübersichtlich. Wer erkennt schon auf Anhieb, dass dual 110001110101 = dezimal 3189 ergibt? Da man jeden Input bzw. Output des Web-IO als eine Stelle einer 12-stelligen Binärzahl sehen muss, macht es Sinn, sich noch einmal mit dieser Materie zu beschäftigen.

Quelle: https://www.wut.de/e-5763w-93-apde-000.php

Siehe weitere Erklärungen dazu unter den Begriffen:
ASCII
binary
Byte
Dezimalzahlen