Binärcode Schritt für Schritt erklärt: Wie funktioniert Binär?
Selbst wenn Sie kein Experte für Programmierung oder Informatik sind, wissen Sie wahrscheinlich, dass Computer nur über einen sehr begrenzten Wortschatz verfügen. Das Alphabet, das jeder Computer auf der Welt versteht, ist Binärcode, diese kryptische, scheinbar unendliche Folge von 1 und 0. Aber wie funktioniert Binärcode?
Im heutigen Beitrag teile ich mit, was ich darüber gelernt habe, wie diese einfachen 1 und 0 unsere tech-gefüllte Welt verändern.
Kurz gesagt, sie sind das Rückgrat dessen, was in Ihrem Computer die ganze Zeit passiert. Wenn Sie also ein grundlegendes Verständnis dafür haben, was Binärcode ist und wie er funktioniert, können Sie verstehen, wie Ihr Computer im Inneren funktioniert.
Wenn Sie also neu in der Codierung sind, kombinieren Sie diesen Beitrag mit meinem kostenlosen Codierungsleitfaden für Anfänger und schon können Sie loslegen!
Lesen Sie weiter!
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Warum sollte ich verstehen, wie Binärcode funktioniert?
Aber wenn Binärcode etwas ist, das nur Computer verstehen, warum sollten Sie dann mehr darüber erfahren?
Sie haben absolut recht – Sie werden (höchstwahrscheinlich) niemals ein Computerprogramm im Binärcode schreiben. Stattdessen verwenden Entwickler wie Sie und ich andere, benutzerfreundlichere Programmiersprachen, um Computern Anweisungen zu geben.
Nichtsdestotrotz ist Binärcode wahrscheinlich das grundlegendste Konzept, das der Programmierung und Informatik zugrunde liegt. Es macht jeden Computer, den Sie verwenden, so, wie er funktioniert.
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Alles in allem können wir mit Binärcode mit Computern kommunizieren und ihnen Anweisungen geben. Und obwohl die Programmiersprachen, die Sie zum Schreiben von Code verwenden, hoffentlich weit von Binärcode entfernt sind, werden sie dennoch in Binärcode übersetzt, damit Computer sie interpretieren und Ihre Programme ausführen können.
Diese 1 und 0 definieren, wie Computer Eingaben nehmen, Informationen speichern und verarbeiten sowie Ausgaben für ihre Benutzer erzeugen – das sind Sie und ich.
Daher ist es nicht nur interessant und faszinierend, zumindest die Grundlagen dessen zu verstehen, was Binär ist und wie es funktioniert, sondern auch sehr nützlich.
Aber keine Sorge, wenn das Konzept des Binärcodes zunächst abstrakt und schwer zu verstehen erscheint. Wichtig ist, dass Sie wissen, wie eine so einfache Sprache in die komplexesten Computerprogramme und Informationsstrukturen übersetzt werden kann, die Sie täglich sehen und verwenden.
Was ist Binärcode?
Wie funktioniert binär dann? Wie kann ein komplexes Computerprogramm nur aus 1 und 0 bestehen?
Um die Dinge ein wenig zu vereinfachen, können Sie sich binär als eine Möglichkeit vorstellen, einem Computer mitzuteilen, ob ein Schalter ein- oder ausgeschaltet sein soll. Somit bedeutet 1 „ein“, 0 bedeutet „aus“.
Aber moment mal – über was für einen Schalter sprechen wir hier?
Wie übersetzt sich ein Ein- oder Ausschalter in das, was Computer heutzutage für uns tun können?
Um dies näher zu beleuchten, lassen Sie uns kurz darüber nachdenken, was Computer tun.
Einfach ausgedrückt,
- Computer nehmen Eingaben von ihren Benutzern entgegen,
- speichern und verarbeiten sie als Informationen und
- stellen ihren Benutzern schließlich Ausgaben verschiedener Art zur Verfügung.
Wenn Sie beispielsweise auf Ihrem Computer tippen, geben Ihre Finger, die auf die Tastatur drücken, Ihrem Computer Eingaben. Dann weiß Ihr Computer auf magische Weise, wie bestimmte Tasten in die gewünschten Buchstaben und Texte übersetzt werden. Schließlich ist die Ausgabe von Ihrem Computer der Text, der auf Ihrem Bildschirm angezeigt wird.
Was hat das mit Binärcode zu tun?
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Binär in der Informatik: Was machen Computer mit den 1’s und 0’s?
Diese 1’s und 0’s, oder die Schalter, die ich oben erwähnt habe, sind, wie Ihr Computer Daten speichert und verarbeitet.
Damals, als die ersten Computer gebaut wurden, hatten sie echte Glühbirnen, um ihren Benutzern Ausgänge zur Verfügung zu stellen. Ein Benutzer würde also ein bestimmtes Licht eingeschaltet sehen, um eine bestimmte Art von Ausgabe oder Nachricht vom Computer anzuzeigen.
Das Gleiche passiert heutzutage, wenn Sie Ihr Auto fahren und das Gaslicht aufleuchtet. Das ist eine Ausgabe von Ihrem Auto, sagen, dass Sie die Autobahn verlassen und so schnell wie möglich eine Tankstelle finden sollten.
Mit einem Computer können diese 1 und 0 so ziemlich alles in modernen Computern sein. Im Allgemeinen stellen sie jedoch Zahlen, Buchstaben und andere Symbole dar.
Die Quintessenz ist, dass dieses einfache Konzept des Ein- oder Ausschaltens eines Schalters zu etwas wirklich Komplexem führen kann.
Selbst die anspruchsvollsten, modernen Computer arbeiten alle nach dieser sehr einfachen, rudimentären Maschinensprache, wobei die 1 und 0 zwei Zustände darstellen: entweder EIN oder AUS.
Um dies zu ermöglichen, muss Ihr Computer offensichtlich viel mehr als nur einen einzigen Schalter ein- oder ausschalten.
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Wie speichern Computer Informationen?
Bevor wir uns damit befassen, wie Binärcode und Binärzahlen tatsächlich funktionieren und wie Sie eine einfache Binärsequenz dekodieren können, betrachten wir zunächst einen grundlegenden Punkt zur Datenspeicherung.
Wie ich oben erwähnt habe, nehmen Computer Eingaben, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Diese Informationen oder Daten sind die grundlegende Zutat für jeden Computer zu arbeiten.
Wenn Sie nun in einen Computer schauen, sehen Sie eine Reihe von Stromkreisen und elektrischen Drähten. Sie tragen alle Informationen in einem Computer und bringen sie an den richtigen Ort, um entweder gespeichert oder verarbeitet zu werden.
Aber wie speichert oder repräsentiert man Informationen mit Strom?
Die 1 und 0, die wir gerade besprochen haben, stellen die kleinste Dateneinheit dar, die ein Computer versteht.
Ein Schalter, der entweder ein- oder ausgeschaltet ist, ist das, was wir brauchen, um ein Datenbit zu speichern.
Daher ist ein Bit die grundlegende Grundeinheit der Information. Es genügt, zwei verschiedene Optionen anzugeben, entweder „Ein“ oder „Aus“. Es könnte auch „wahr“ oder „falsch“ oder einfach „Ja“ oder „Nein“ bedeuten.
Ich weiß, nur zwei Möglichkeiten zu haben, gibt uns nicht wirklich zu viele Optionen … Aber es ist ein guter Anfang!
Mit einer Glühbirne können wir 1 Bit Information speichern. Mit 10 Glühbirnen könnten wir 10 Bits machen. Wenn wir also genug Glühbirnen hätten, könnten wir jede gewünschte Datenmenge in digitaler Form speichern.
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Speichern von Daten in Bits: Ein einfaches Beispiel
Natürlich verwenden Computer heutzutage andere Methoden und Technologien als einfache Glühbirnen, um Daten zu speichern. Die Verwendung von Glühbirnen würde nicht nur zu viel Platz beanspruchen, sondern es wäre auch schwierig, die Daten zu speichern: Das Ausschalten eines Computers, der nur Glühbirnen verwendet, würde bedeuten, dass wir die Daten verlieren würden, wenn der Strom ausfällt.
So speichern Computer anstelle von Glühbirnen Datenbits, indem sie beispielsweise Elektronen in Kondensatoren halten. Ihr Computer verwendet diese Technologie in seinem DRAM-Speicher.
Also, wie viele Glühbirnen würden genau in Ihren DRAM passen?
Nehmen wir an, Ihr Computer verfügt beispielsweise über einen 4-GB-DRAM. Ein GB entspricht ungefähr einer Milliarde Bytes. Oder um genauer zu sein, 1 GB ist 230 Bytes. Und 1 Byte = 8 Bit.
Das bedeutet, dass Ihr 4 GB DRAM 230 x 4 x 8 = 34.359.738.368 Bit enthält. Das sind 34 Milliarden Glühbirnen – und wir sprechen hier nur von Ihrem DRAM, nicht von Ihrer 1-TB-Festplatte!
Es ist also ziemlich offensichtlich, dass moderne Computer viel mehr können, als nur zu entscheiden, ob ein einzelnes Licht eingeschaltet werden soll oder nicht. Obwohl Binärcode nur aus 1 und 0 besteht, kann er heutzutage das komplexeste Computerprogramm darstellen.
Binär 101: Wie funktioniert Binärcode?
Was bedeutet es nun, 34 Milliarden Bits zu haben, um Informationen zu speichern und darzustellen?
Um zu verstehen, was diese Bits für uns tun können, schauen wir uns das Binärzahlensystem genauer an. Es werden nur 0 und 1 verwendet, um weitere Zahlenwerte darzustellen – und auch andere Datentypen.
Lassen Sie uns zunächst kurz auffrischen, wie die „normalen“ Zahlen, an die wir gewöhnt sind …
Die Zahlen, die Sie und ich in der Schule gelernt haben, von 0 bis 9, bilden das Dezimalzahlensystem. Sie können eine beliebige Kombination dieser 10 Ziffern verwenden, um einen Zahlenwert darzustellen. Darüber hinaus wissen Sie, wie Sie Additionen, Subtraktionen und andere grundlegende Berechnungen mit diesen Zahlen relativ schnell durchführen.
Im Dezimalsystem repräsentiert jede Ziffer in einer bestimmten Zahl die 1, die 10, die 100 und so weiter, beginnend von der rechten Seite.
Mit der Zahl „216“ haben wir zum Beispiel eine 6, die die 1 darstellt, eine 1, die die 10 darstellt, und schließlich eine 2, die die 100er:
Das Dezimalsystem verwendet Potenzen von 10, um zwischen diesen drei „Ebenen“ von Ziffern zu unterscheiden:
- 1er: Die 1er stellen dar, wie oft der numerische Wert 100 enthält
- 10er: Die 10er stehen für 101
- 100er: die 100er repräsentieren 102
Also siehst du das Muster hier? 10 hoch 0, 1, 2 und so weiter. Wir erhöhen einfach die Potenzen von 10, wenn unsere Zahl größer wird. Daher wird das Dezimalsystem auch als Basis-Zehn-Zahlensystem bezeichnet.
Und für meine lieben Sprachfreaks: Das Wort dezimal kommt vom lateinischen decem für „zehn“, während „binär“ vom lateinischen bi abgeleitet ist, was „zwei“ als Präfix bedeutet.
Wie „dekodiere“ ich eine Binärzahl?
Im Binärsystem verwenden wir anstelle von Potenzen von 10 Potenzen von 2.
Lassen Sie uns also ähnlich wie im obigen Dezimalbeispiel darüber nachdenken, was die verschiedenen Positionen in einer Zahl bedeuten.
Angenommen, wir haben eine Binärzahl mit mehreren Ziffern, können wir wieder von der rechten Seite beginnen:
- Die erste Ziffer steht für 20, das sind also die 1
- Zweite Ziffer: 21, das sind die 2
- Dritte Ziffer: 22, das sind die 4
- Vierte Ziffer: 23, das sind die 8
- Fünfte Ziffer: 24, das sind die 16
- Sechste Ziffer: 25, das sind die 32
- Siebte Ziffer: 26, das sind die 64er
- Achte Ziffer: 27, das sind die 128er
- Neunte Ziffer: 28, das sind die 256er
- usw.
Anders als im Dezimalsystem sagt uns hier in binär jede dieser Ziffern einfach, ob die Ziffer „ein“ oder „aus“ ist.
Wenn Sie eine „1“sehen, bedeutet dies, dass der Wert dieser Ziffer in dem numerischen Wert enthalten ist, den wir darstellen möchten.
Binärzahlen dekodiert: ein einfaches Beispiel
Wie würden wir also die Zahl, die wir gerade in Dezimalschreibweise gesehen haben, 216, binär darstellen?
Lass es uns versuchen!
- Schauen wir uns zunächst die Potenzen von 2 in der obigen Liste an. Wir müssen den größten Wert finden, der kleiner als der Wert von 216 ist.
- Wir sehen, dass es die 128 ist, also brauchen wir in diesem Fall 8 Binärziffern, von 20 bis 27. Sie können diese 8 Spots im Bild unten sehen.
- Da 128 in unserer Nummer „enthalten“ ist, geben wir dies durch eine „1“ an der Stelle der 128 im Bild unten an.
- Dann machen wir eine einfache Subtraktion: 216 – 128 = 88.
- Wiederholen wir den ersten Schritt und finden den größten Wert, der kleiner als dieser Rest von 88 ist. Wir sehen, dass es die 64er sind, also setzen wir eine „1“ in die Ziffer für 26.
- Nun subtrahieren wir noch einmal: 88 – 64 = 24.
- Wenn wir also zum ersten Schritt zurückkehren, sehen wir, dass die nächste Ziffer, für die wir eine „1“ verwenden müssen, die Stelle der 16 oder 24 ist.
- Wir wiederholen diese Schritte einfach, um herauszufinden, welche Binärziffern einen Wert von „1“ oder „0“ erhalten.
Schließlich erhalten wir die folgende Binärsequenz: 11011000.
Als solches bedeutet es Ihnen und mir nichts, da wir nicht an das binäre System gewöhnt sind.
Berechnen wir die Werte für die Zweierpotenzen für jede Ziffer und addieren sie zusammen:
Am Ende haben wir also die richtige Zahl, die wir binär anzeigen wollten.
Großer Erfolg!
Natürlich brauchen wir ein paar Ziffern mehr als beim Dezimalsystem, aber der Wert der Zahl ist genau gleich. Und das ist alles, was zählt!
Das Denken und Rechnen in Binärzahlen ist natürlich etwas knifflig, da wir an ein Zahlensystem gewöhnt sind, das auf den Potenzen von 10 basiert.
Aber alles in allem, obwohl die Grundidee, nur zwei Zustände zu haben, die zwei Werte darstellen, entweder „ein“ oder „aus“, ist das Binärsystem genauso gut wie das Dezimalsystem zur Anzeige von Zahlen.
Aber wie funktioniert Binary für andere Arten von Informationen, wie Text, Bilder oder Audio?
Nun, wie sich herausstellt, können alle diese Arten von Informationen auch im Binärcode dargestellt werden!
Text in Binär
Mit Binär können wir einfache Zahlen verwenden, um die verschiedenen Buchstaben im Alphabet darzustellen. „A“ könnte also „1“ sein, „B“ könnte „2“ sein und so weiter.
Auf diese Weise können wir jedes Wort oder jeden Textabschnitt als Folge dieser Zahlen darstellen. Ein Computer kann diese Nummern dann als Informationen unter Verwendung der „Ein“ – oder „Aus“ -Signale speichern.
Wenn Sie also Text auf Ihrem Telefon oder Computer lesen, basiert das, was Sie auf Ihrem Bildschirm sehen, auf einem solchen Binärcode.
Bilder und Grafiken in Binärform
Ähnlich wie das Alphabet in Zahlen dargestellt wird, können wir dasselbe auch für Bilder und andere grafische Medien tun.
Ein auf Ihrem Bildschirm angezeigtes Bild besteht aus Pixeln. Jedes Pixel in einem Bild hat einen numerischen Wert, der die Farbe bestimmt, die angezeigt werden soll.
Wenn man bedenkt, dass ein einzelnes Bild aus Millionen von Pixeln bestehen kann, sprechen wir hier über eine riesige Menge an Informationen!
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Wo kann man online Informatik-Grundlagen lernen?
Ich hoffe du bist immer noch bei mir!
Zu verstehen, wie Binärcode funktioniert, ist ein guter Start in das Erlernen der Grundlagen der Informatik!
Wenn Sie lernen möchten, wie man programmiert, macht es das Erlernen der Programmierung viel effizienter, wenn Sie wissen, was in einem Computer passiert. Sie finden es einfacher zu verstehen, was Ihre Programme tun, wenn Sie eine bestimmte Reihe von Anweisungen für Ihren Computer ausführen.
Um mehr über die Grundlagen der Informatik online zu erfahren, habe ich ein paar hilfreiche Kurse zusammengestellt, die ich selbst belegt habe (und die ich schamlos empfehle!). Wenn Sie gerade erst mit Informatik anfangen oder lernen, wie man im Allgemeinen codiert, sind alle diese Kurse perfekt für den Einstieg!
1: Computergrundlagen (Baumhaus)
Wenn Sie es eilig haben, sind Computergrundlagen bei Team Treehouse der perfekte Einstieg in die Informatik.
In knapp einer Stunde lernen Sie eine Reihe von Informatik-Grundlagen, einschließlich einer Auffrischung von Binärcode. Sie werfen einen Blick auf die zugrunde liegenden Konzepte, wie Computer funktionieren und was hinter den Kulissen passiert, wenn Sie Ihre Computerprogramme ausführen.
Sie lernen die Grundlagen der Datenverarbeitung kennen, wie Speicher funktioniert, was Binär in CS bedeutet und wie Computersoftware funktioniert.
Wenn Sie mit Treehouse noch nicht vertraut sind, probieren Sie einfach die kostenlose 7-Tage-Testversion aus!
2: CS101 Bootcamp (Udemy)
Das CS101 Bootcamp ist ein weiterer kurzer, aber leistungsstarker Anfängerkurs auf Udemy zum Lernen Grundlagen der Informatik.
Sie benötigen keine technische Erfahrung mit Informatik, um an diesem Kurs teilzunehmen, daher ist er perfekt für absolute Anfänger. Solange Sie in der Vergangenheit ein Smartphone oder einen Computer verwendet haben, reicht das für diesen kurzen 2-stündigen Kurs aus.
Am Ende werden Sie die Grundlagen von Datenbanken, mobilen Apps und die Grundlagen der Softwareprogrammierung verstehen. Darüber hinaus schreiben Sie sogar Ihre eigenen grundlegenden Softwareprogramme und -anwendungen.
3: Informatik 101 (Udemy)
Informatik 101 auf Udemy ist ein gründlicherer, umfassenderer CS-Basiskurs für Anfänger.
Dies ist definitiv meine #1 Empfehlung für Informatik Grundlagen für Anfänger.
Wenn Sie die CS-Theorie beherrschen möchten – was für jeden Programmierer sehr zu empfehlen ist -, ist dieser Kurs die perfekte Wahl. Sobald Sie fertig sind, werden Sie mit der Funktionsweise von Binärcode vertraut sein und mit der Analyse und Verwendung von Algorithmen verschiedener Art vertraut sein.
4: Informatik E-50 (Harvard College)
Informatik E-50 des Harvard College ist mein Lieblings-CS-Basics-Kurs für Anfänger.
Der Professor macht einen tollen Job und erklärt alles, so dass Sie nie das Gefühl haben, zurückgelassen zu werden. Sie werden in die Hörsäle von Harvard gebracht, wo Sie Vorlesungsvideos in voller Länge genießen und Übungssätze lösen können, mit denen Sie das Gelernte anwenden können.
5: Informatik E-75 (Harvard College)
Informatik E-75 vom selben Professor ist ein weiterer ausgezeichneter Anfängerkurs zum Erlernen der Grundlagen der Informatik.
Zum Zeitpunkt des Schreibens ist der neueste Inhalt einige Jahre alt (ab 2012). Die Grundlagen für die Themen sind jedoch immer noch genau.
Schauen Sie sich zum Beispiel die allererste Vorlesung an, wie HTTP-Verkehr funktioniert. Es ist vollgepackt mit hilfreichen, nützlichen Informationen für alle, die im Internet surfen.
6: Einführung in die Informatik (Udacity)
Einführung in die Informatik bei Udacity ist ein weiterer meiner Favoriten.
Der Kurs konzentriert sich auf das Erlernen von Informatik-Grundlagen für Anfänger und führt Sie gleichzeitig in viele praktische Projekte mit Python ein.
Einige der Problemsätze scheinen ein bisschen schwierig zu sein, wenn Sie ein Anfänger sind.
Wenn Sie jedoch nicht weiterkommen, können Sie im Forum nach Hilfe von Kommilitonen suchen.
Abschließende Gedanken: Binärcode erklärt
Ich hoffe du bist immer noch bei mir!
Ich weiß, dass dieses Thema etwas abstrakt ist und es schwierig sein könnte, an eine Situation zu denken, in der Sie wissen müssten, wie binär funktioniert.
Wenn Sie Code und Programme für Ihren Computer schreiben, haben Sie es eigentlich nicht direkt mit diesen Binärzahlen zu tun. Sie werden sich jedoch damit befassen, was all diese 1 und 0 für Sie tun können. Sie schreiben und lesen Text, erstellen und sehen Bilder und sehen sich Videos und andere Medien auf Ihrem Computer an.
Wenn Sie also wissen, wie Binärcode funktioniert und was das Binärsystem wirklich bedeutet, können Sie besser verstehen, wie Computer im Inneren funktionieren.
Sie sind der grundlegende Baustein für alles, was Ihr Computer tut:
- Eingaben abrufen,
- Informationen speichern,
- Informationen verarbeiten und
- Ausgaben erzeugen.
Also, egal wie komplex oder anspruchsvoll ein Computerprogramm oder -system ist, es kommt alles nur auf 1 und 0 an.
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