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Computer früher und heute

Die frühesten Bauformen von Computern waren Großrechenanlagen, die ganze Räume füllten. Sie waren in der Anschaffung so teuer, dass nur wenige Firmen, Forschungsinstitute und Geheimdienste sich einen leisten konnten und die wenigen Computer, die es gab, mussten von ihren Anwendern gemeinschaftlich genutzt werden. Erst mit der zunehmenden Miniaturisierung in den 1980er-Jahren ist der Computer am Arbeitsplatz zum Büroalltag geworden. Davon wird die Bezeichnung PC (engl. personal computer = eigener Computer) abgeleitet, die zur Abgrenzung von den gemeinsam genutzten Großrechnern diente. Heute ist sie ein ethablierter Begriff. Die einzigen PC's, die nicht so genannt werden wollen, stammen aus dem Hause Apple und werden üblicherweise als Mac bezeichnet.

[Bilder von Großrechenanlage, PC's, Notebooks und Smartphones]

Dank fallender Preise sind Computer damals zu einem Massenmarkt geworden. Mit dem technologischen Fortschritt sind Computer immer kleiner und erschwinglicher geworden. Heute trägt fast jeder Mensch auf der Erde einen Computer in der Tasche in Form eines Smartphones. Ein Ende der Entwicklung ist nicht absehbar. Wearables wie Smartwatches, smarte Brillen, Fingerringe und anderen Gegenstände bieten noch reichlich Möglichkeiten, um noch kleinere Computer auf den Markt zu bringen. Aber auch viele anderen elektronische Geräte – alles, was sich smart oder digital nennt – sind nur Formen von Computern.

[Bilder von Smartwatch, Smart Ring, Thermomix oder so...]

Die frühen Großrechenanlagen konnten nur von geschulten Experten bedient werden und selbst die Benutzung von normalen PC's erforderte früher die Einarbeitung mit einem Handbuch, das mehrere hunderte Seiten stark sein konnte. Mit dieser Hürde haben sich die Hersteller natürlich nicht abgefunden und der Erfolg kann sich sehen lassen. Anders als früher muss man heute keine Experte mehr sein, um mit Computern zu arbeiten. Bis dahin war es aber ein langer Weg.

[Bild vom MS-DOS Handbuch]

Die ersten kommerziell erfolgreichen Ansätze für eine vereinfachte Benutzeroberfläche mit Mausbedienung war der Apple Macintosh (1984). Bei den meisten anderen PC's erforderte die Arbeit mit einer Maus eine komplizierte Installationsprozedur und manuelle Eingriffe an der Maschine. So musste etwa ein Steckkarte mit einer Anschlussbuchse einbauen werden, damit man die Maus überhaupt mit dem Computer verbinden konnte. Das gleiche galt für Drucker, Scanner, Lautsprecher oder Mikrofone.

[Bild vom Apple Macintosh, Druckeranschluss]

Erst Mitte der 90er Jahren mit der Markteinführung von Windows 95 begann die Entwicklung Fahrt aufzunehmen. Die erforderlichen Anschlüsse für Mäuse, Drucker und Modems waren mittlerweile standardmäßig vorhanden und funktionierten ohne mühsame Konfigurationsarbeit. Plug and Play (= anschließen und spielen) wurden zur Auszeichnung für Geräte, deren Installation keinen Ärger machen sollte. 1996 wurde USB erfunden – was heißt eigentlich USB? – und markierte einen Wendepunkt. Dreißig Jahre später werden Mäuse, USB-Sticks, Drucker oder Webcams wie selbstverständlich per USB angeschlossen und sind sofort einsatzbereit.

Plug and Play ist nur ein Beispiel für die zunehmende Vereinfachung. Es wurden Fortschritte auf unzähligen weiteren Gebieten erzielt. Programme für Textverarbeitungen, Tabellenkalkulation und vieles mehr wurden leichter bedienbar und Handbücher immer dünner. Nachkommenden Nutzergenerationen mussten sich immer weniger technisches Wissen aneignen. Diese Entwicklung ist soweit gegangen, dass Handbücher nicht mehr nachgefragt wurden und Hersteller oft auch keine mehr anbieten. Die Schattenseite dieser Entwicklung ist eine verbreitete technische Unkenntnis bei Anwendern und infolge dessen eine gewisse Anfälligkeit für Manipulationen. Gleichzeitig vermittelt die Einfachheit der Bedienung ein falsches Gefühl von Souveränität, obwohl man in Wahrheit völlig abhängig ist von großen Softwareherstellern wie Google, Apple oder Microsoft.

Mit diesem Text soll dem Leser ein Weg geboten werden, sich das grundlegendste Computerwissen auf kürzestem Wege anzueignen, um in wichtigen Fragen zu einem fundierten Urteil zu gelangen. Es geht hier nicht darum Freude an Technologie zu vermitteln. Es ist nicht verwerflich, wenn man Computer langweilig findet. Man muss aber wissen, dass Computer das Schießpulver im beginnenden Zeitalter der KI sind und dass ihre Entwicklung ein zentrales Element der größten geopolitischen Auseinandersetzungen unserer Epoche sind. Wir können entscheiden, ob wir bei diese Entwicklung kritisch hinter die Kulissen blicken oder ob wir sie ahnungslos ignorieren und uns damit selbst zum Werkzeug machen.

Wenn Dinge, die hier beschrieben werden, für manche Leser ein Augenöffner sind, soll mir das Recht sein. Vielleicht übertragen sie ihr kritisches Denken auch auf andere Bereiche des gesellschaftlichen Lebens – schlussendlich eine Voraussetzung für eine funktionierende Demokratie. Die Inhalte dieser Einführung sind nicht schwierig und werden von vielen Leuten, die ihre Jugend in den 90er-Jahren verbracht haben, als Allgemeinbildung angesehen.

Hardware und ihre geopolitische Bedeutung

Wenn wir von Computern sprechen, meinen wir zwei Dinge: Hardware und Software. Die Hardware besteht aus allen anfassbaren Teilen. Software sind die Programme, die auf der Hardware laufen. Man kann sich Hardware und Software wie ein Orchester vorstellen: Die Musiker und Instrumente sind die Hardware, und die gespielte Musik ist die Software.

Computerhardware besteht zu einem großen Teil aus Mikrochips. Dabei handelt es sich um winzig kleine elektronische Schaltungen, die in einem hochkomplexen Verfahren auf dünne Siliziumscheiben aufgebracht werden. Diese Scheiben werden als Wafer (engl. wafer = Oblate, Waffel, dünner Keks) bezeichnet. Aus einem Wafer können mehrere Dutzend Chips hergestellt werden.

[Bilder von Keksen und Wafer]

Silizium ist ein Halbmetall mit besonderen elektrischen Eigenschaften und auf der Erde reichlich vorhanden. Im Herstellungsprozess von Mikrochips werden jedoch auch geringe Mengen anderer, schwer zu gewinnender Elemente benötigt. Die Rohstoffe, aus denen sich diese Elemente extrahieren lassen, nennt man seltene Erden. Aufgrund ihrer Unverzichtbarkeit sind seltene Erden zu einem wichtigen geopolitischen Machtfaktor geworden. Etwa zwei Drittel aller erschlossenen Vorkommen befanden sich im Jahr 2025 in China und die Chinesen können seltene Erden als wirtschaftliches Druckmittel gegen andere Länder einsetzen. Bedeutende unerschlossene Lagerstätten liegen unter anderem in der Ukraine und in Grönland – zwei Regionen, die nicht zufällig von den imperialen Ambitionen ihrer großen Nachbarn bedroht sind.

[Bild von Abbau seltener Erden, vielleicht eine Weltkarte]

Über zwei Drittel aller weltweit verkauften Chips werden von der taiwanesischen Firma TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) hergestellt. Bei den modernsten Chipgenerationen ist der Anteil sogar über 90%. Taiwans Chipindustrie ist deswegen unverzichtbar für die Weltwirtschaft.

[Bild von Chipfabrik in Taiwan]

Viele Länder versuchen ihre Abhängigkeit von Taiwan zu begrenzen und eine eigene Chipproduktion aufzubauen. Insbesondere chinesische Hersteller versuchen den technologischen Rückstand aufzuholen und eigene Fertigungsanlagen zu bauen. Gleichzeitig versuchen die USA und Europa die Fähigkeit zur Fertigung der modernsten Chipgenerationen zu erlangen und sich von chinesischen Lieferungen seltener Erden unabhängig zu machen. Abgesehen vom globalen Handel mit Erdöl und davon abgeleiteten Produkten ist vermutlich kein weltweites Marktsegment so sehr in die globale Machtpolitik verstrickt wie die Chipindustrie.

Die Chinesen betrachten Taiwan als abtrünnige Provinz, die sie notfalls gewaltsam zurückerobern wollen, was wiederum von vielen Ländern als Bedrohung ihres Wohlstandes angesehen wird. Umgekehrt ist die herausragende Stellung in der Chipproduktion eine Überlebensgarantie im Angesicht der Bedrohung durch China. Doch selbst wenn China die Kontrolle über die Chiphersteller aus Taiwan erlangt, könnten sie die dortige Produktion nicht übernehmen und weiterführen. Der Chipfertigung ist nämlich von Lithografiemaschinen abhängig, die weltweit nur ein einziges Unternehmen liefern und betreiben kann, nämlich die niederländische ASML Holding N.V. (Advanced Semiconductor Materials Lithography).

[Bild von Lithografiemaschine]

Ohne die Niederländer können in Taiwan keine Chips mehr hergestellt werden. Das wissen auch die Chinesen. Bereits jetzt gilt in den Niederlanden ein Verbot für den Export der modernsten Produktionsmaschinen nach China. Als Folge einer militärischen Eskalation um Taiwan könnten die Niederländer auch den Export älterer Maschinen einstellen und die in China bereits vorhandenen Maschinen stilllegen. Das Exportverbot wurde auf Druck der USA im Jahr 2023 erlassen. Die Kooperation der Niederländer ist jedoch in letzter Konsequenz von den politischen Verhältnissen der beteiligten Länder abhängig, die sich als zunehmend unstetig erweisen.

Eine Sonderrolle im Bereich der Chipproduktion spielt der amerikanische Hersteller Nvidia, der bei Mikrochips für Künstliche Intelligenz (KI) eine Monopolstellung hat. Durch den Bedeutungszuwachs von KI in den vergangenen Jahren ist die Verfügbarkeit von Nvidia-Chips zu einem ähnlichen Machtfaktor geworden wie seltenen Erden und Nvidia war zweitweise die wertvollste Firma der Welt nach Börsenwert.

In zahlreichen militärische Bereichen, wie der Steuerung von Waffensystemen, Auswertung von Aufklärungsdaten und der Auswahl von Angriffszielen, wird KI bereits massiv eingesetzt. Schätzungen gehen davon aus, dass 2025 in den Kriegen in der Ukraine und im Gazastreifen bereits ein Drittel aller Angriffsziele der westlichen Länder von KI augewählt wurden. Nach dem gesagten sollte es nicht überraschen, dass es für KI-Chips der neuesten Generation ebenfalls Exportverbote nach China gibt.

Der Computer und seine Teile

Zu den wichtigsten Hardwarekomponenten eines Computers gehören üblicherweise die folgenden:

• Hauptprozessor (Central Processing Unit – CPU) – Gehirn
• Arbeitsspeicher (Random Access Memory – RAM) – Kurzzeitgedächtnis
• Massenspeicher (Disketten, Festplatten, SSD's, optische Laufwerke, USB-Sticks) – Langzeitgedächtnis
• Eingabegeräte (Tastatur, Maus, Mikrofon, Kamera)
• Ausgabegeräte (Monitor, Lautsprecher, Drucker)
• Grafikkarte (Graphics Processing Unit – GPU)
• Soundkarte ()

Den Hauptprozessor – die CPU – kann man sich als Gehirn des Computers vorstellen. Er führt die meisten Berechnungen aus und steuert die anderen Komponenten. Für normale PC's gibt es weltweit nur zwei bedeutende CPU-Hersteller: AMD (USA) und Intel (USA). Für Smartphones ist der Markt etwas diverser. Die bekanntesten Hersteller sind Qualcomm (USA), Mediatek (Taiwan), Apple (USA), Google (USA) und Samsung (Südkorea). Mit Ausnahme von Intel und Samsung lassen alle Hersteller ihre modernsten Chips als Auftragsfertigung in Taiwan herstellen. Meist werden nur Chips älterer Generationen außerhalb von Taiwan produziert. Während Samsung und Intel einen technologischen Rückstand von 1-2 Jahren zu TSMC haben, liegen chinesische Hersteller um 3-4 Jahre zurück. Dementsprechend ist der chinesische Anteil am Weltmarkt gering.

Arbeitsspeicher (RAM) ist ein schneller Zwischenspeicher – ein Kurzzeitgedächtnis – für alle Daten, die bei Bedarf sehr schnell vom Prozessor gebraucht werden. Dokumente, an denen man gerade arbeitet, liegen üblicherweise im Arbeitsspeicher. Eine ähnlich dominante Stellung wie Taiwan bei Prozessoren innehat, fällt bei der Herstellung von Arbeitsspeicher auf Südkorea. Etwa zwei Drittel des weltweit verkauften Arbeitsspeichers werden dort produziert.

RAM ist flüchtig, d.h. er verliert seine Daten, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Deswegen sollte man einen Computer niemals abrupt von der Stromversorgung trennen, sondern ordentlich herunterfahren. Nur Daten, die vorher auf einem Massenspeicher gesichert sind, bleiben dauerhaft erhalten. Massenspeicher bilden somit das Langzeitgedächtnis eines Computers. Die bedeutendsten Massenspeicher sind Festplatten und Solid-State-Drives (SSD). Der Großteil weltweiten SSD-Produktion konzentriert sich in Südkorea, während Festplatten hauptsächlich von amerikanischen Unternehmen an weltweit verteilten Standorten produziert werden. Sehr viele dieser Produktionsstandorte liegen in China.

[Bilder von CPU, RAM und Massenspeicher]

Die Grafikkarte übernimmt die Berechnung und Darstellung von Bildern und visuellen Effekten, die auf dem Monitor ausgegeben werden. Für die Berechnung aufwändiger 3D-Grafik in Computerspielen ist die CPU nicht spezialisiert. Hierfür gibt es eigene Grafikprozessoren, die diese Aufgaben besser bewältigen können. Sie werden Graphics Processing Unit (GPU) genannt. Die GPU ist das Herzstück jeder Grafikkarte. Je leistungsfähiger dieser Grafikprozessor ist, desto flüssiger und realistischer können Spiele oder grafisch anspruchsvolle Anwendungen dargestellt werden. Doch GPU's werden nicht nur für Spiele eingesetzt. Auch in professionellen Bereichen wie Bildbearbeitung, Videoproduktion oder künstlicher Intelligenz (KI) kommen Grafikprozessoren massiv zum Einsatz. Die bedeutendsten Hersteller für Grafikprozessoren sind AMD und Nvidia.

Die Komponenten eines Computers sind auf einer Hauptplatine (Mainboard oder Motherboard) aufgelötet oder eingesteckt. Damit alle Teile zusammenarbeiten können, müssen sie miteinander kommunizieren. Es ist also ein System zum wechselseitigen Datenaustausch zwischen ihnen nötig. Solche Systeme nennt man BUS-System. Es besteht aus elektrischen Leitungen (engl. busway) zwischen den einzelnen Komponenten und Steuerchips (Controller), welche die Kommunikation regeln. Die Anschlusstelle eines Gerätes an ein BUS-System nennt man Schnittstelle (engl. interface).

[Bilder von Motherboard und Datenleitungen]

Über BUS-Systeme muss man als Anwender nichts wissen. Hier werden sie nur erwähnt, um ein weit verbreiteten Spezialfall zu erklären, den Universal Serial BUS (USB), der bald seinen 30. Geburtstag feiert. Hierbei handelt es sich um ein universell einsetzbares BUS-System, auf dem die Daten seriell (d.h. hintereinander) durch Kabel übertragen werden. Geräte, die man per Kabel an den Computer anschließt, nennt man Peripheriegeräte. Zahlreiche Geräte wie Tastaturen, Mäuse, Webcams, Datenträger, Mikrofone und vieles mehr werden per USB angeschlossen und nahezu alle Computer besitzen USB-Schnittstellen. Über USB kann auch die Stromversorgung der Geräte erfolgen.

Absurde Peripheriegeräte: USB-Staubsauger (links), USB-Tassenwärmer (mitte), USB-Ventilator (rechts)

Tastaturbelegung und Sondertasten

Die Tastatur ist vielleicht das alltäglichsten Peripheriegerät überhaupt. Im deutschsprachlichen Raum haben Tastaturen üblicherweise das QWERTZ-Layout, benannt nach der Reihenfolge, in der die Tasten nebeneinander angeordnet sind. Englischsprachigen Tastaturen haben ein QWERTY-Layout. Sonderzeichen wie unsere Umlaute sind länderspezifisch. Für die meisten Sprachen gibt es deshalb eigene Tastaturen.

Im Folgenden werden die wichtigsten Tasten benannt und ihre Funktion erklärt. Oft werden auch Tastenkombinationen – sogenannte Hotkeys – verwendet, um bestimmte Aktionen besonders schnell auszuführen.

• ESC (engl. escape = flüchten) – Abbruchtaste
• F1 bis F12 (Funktionstasten) – unterschiedlich in jedem Programm
• TAB (lat. Tabula = Schreibtafel) – wechselt zur nächsten Tabellenzelle oder in das nächste Eingabefeld
• WIN (Windows-Logo-Taste) – öffnet das Startmenü

Die Escape-Taste (ESC) dient meist zum Abbrechen einer aktuell laufenden Aktion. Sie wird von vielen Nutzern heute kaum noch bewusst verwendet, obwohl sie sehr nützlich ist – im wahrsten Sinne des Wortes eine „Flucht“-Taste. Wenn der Computer etwas Unerwartetes tut oder schlimme Dinge passieren, hilft oft ein Druck auf Escape.

Für die Funktionstasten (F1–F12) gibt es keine einheitliche Verwendung. Ihre Funktion hängt vom jeweiligen Programm ab. In PowerPoint startet beispielsweise F5 eine Präsentation. In vielen Anwendungen ruft F1 die integrierte Hilfe auf, F11 aktiviert den Vollbildmodus, F3 öffnet häufig die Suchfunktion und F2 wird zum Umbenennen von Dokumenten verwendet.

Die Tabulatortaste (TAB) wird in der Textverarbeitung verwendet, um einen horizontalen Abstand bis zu einer bestimmten Position auszudehnen. Man kann damit Wörter in mehreren Zeilen untereinander ausrichten, so dass ein Tabellenlayout entsteht. In Tabellenkalkulationsprogrammen wechselt man mit TAB zur nächsten Tabellenzelle. Im Internetbrowser springt man mit TAB zwischen Eingabefeldern, was bedeutend schneller gelingt, als mit der Maus.

Die Windows-Taste ist hilfreich, wenn man das Startmenü per Tastatur bedienen möchte. Nach dem Drücken dieser Taste kann man sofort den Namen eines Programms eintippen und mit Enter starten. Dieses flüssige Arbeiten – Startmenü öffnen, lostippen, starten – wird allerdings manchmal dadurch gestört, dass Windows zusätzlich eine Internetsuche durchführt, anstatt nur lokal installierte Programme zu durchsuchen.

• STRG (Steuerung) – Hilfstaste für Tastenkombinationen
• ALT (engl. alternate) – Hilfstaste für Tastenkombinationen
• SHIFT – Umschalttaste für Großbuchstaben und Zweitbelegung
• ALT GR (engl. alternate graphic) – Umschalttaste zur Drittbelegung

STRG wird meist mit anderen Tasten kombiniert. Die wichtigsten Tastenkombinationen dienen vermutlich der Zwischenablage. Die Zwischenablage (engl. clipboard = Klemmbrett) ist ein Zwischenspeicher für Daten aller Art. Man kann Text oder Bilder, die man vorher mit der Maus markiert hat mit STRG + C in die Zwischenablage reinkopieren und später an einer beliebigen Stelle mit STRG + V wieder einfügen. Das funktioniert ebenfalls in den meisten Programmen zur Dateiverwaltung. Eine weniger bekannte Möglichkeit ist STRG + X, womit man ebenfalls markierte Objekte in die Zwischenablage reinkopiert. Wenn man sie allerdings woanders einfügt, werden sie von ihrer ursprünglichen Position gelöscht.

Mit SHIFT wechselt die Eingabe zu Großbuchstaben, kehrt jedoch sofort zu Kleinbuchstaben zurück, sobald man sie wieder loslässt. Wenn man SHIFT gedrückt hält und die Pfeiltasten benutzt, kann man Text oder andere Objekte markieren wie mit der Maus.

Die Tasten STRG und SHIFT werden oft miteinander, mit ALT oder anderen Eingaben kombiniert. Die Auswirkungen der Tastenkombinationen sind dabei vom jeweiligen Programm abhängig. In vielen Textverarbeitung bewirkt etwa die Kombination STRG + SHIFT + V, dass Inhalte aus der Zwischenablage ohne Formatierungen eingefügt werden. In vielen Programmen kann man bei Gedrückter SHIFT- oder STRG-Taste mehrere Objekte mit der Maus hintereinander auswählen. Hier sollte man ein wenig experimentieren und sich mit dem Bedienkonzept der jeweiligen Programme vertraut machen.

• DRUCK – bewirkt auf vielen Computern die Erzeugung eines Bildschirmfotos
• ROLLEN, PAUSE – keine Funktion in den meisten Programmen
• CAPS LOCK – Feststelltaste für SHIFT

Die Taste CAPS LOCK ist nicht nur völlig überflüssig, sondern auch lästig. Sie bewirkt bei einmaligem Drücken die permanente Vertauschung von Groß- und Kleinschreibung. Durch wiederholte Betätigung wird die normale Belegung wieder hergestellt. Die versehentlicher Betätigung ist insbesondere bei der Eingabe von Passwörten problematisch, weil die Eingabe oft durch Sternchen verborgen ist. Auf vielen Tastaturen wird die Aktivität von CAPS LOCK mit einem kleinen Lämpchen angezeigt.

Ungenutze Tasten sind eine historische Altlast. Man kann sie aber in vielen Fällen mit anderen Funktionen belegen. So ist es etwa denkbar, dass man mit PAUSE den Bildschirm sperrt oder mit ROLLEN irgendein Programm starten lässt. Die praktische Durchführung lässt man sich am einfachsten von einer guten KI erklären.

Die rot markierten Tasten werden auch tote Tasten genannt. Sie werden zur Akzentuierung von Vokalen verwendet, etwa ê, é und è. Dabei muss man zuerst die jeweilige Akzenttaste drücken und hinterher den Buchstaben, den man akzentuieren möchte. Da beim einfachen Drücken nichts passiert, scheint es als seien die Tasten tot, daher der Name.

Viele Tastaturen haben zusätzliche Multimediatasten zur Steuerung der Lautstärke oder zum Starten von häufig benutzten Programmen. Auf Notebooktastaturen gibt es oft eine zusätzliche Funktionstaste (fn oder Fn), mit der man von einigen Tasten eine weitere Belegung benutzen kann. Zumeist sind es Funktionen wie Bildschirmhelligkeit, Lautstärke, Tastaturbeleuchtung oder Flugmodus. Oft liegen diese Funktionen auf den F-Tasten.

Eine sehr nützliche Tastenkombination ist ALT + TAB, mit der man nacheinander zwischen allen geöffneten Programmen wechseln kann.

Datenspeicherung

Computer speichern Daten als Abfolge von binären Ziffern, die man Bit nennt (engl. binary digit). Binärziffern sind zweiwertig (lat. bina = zweifach, paarweise), dementsprechend kann ein Bit nur zwei Werte annehmen, nämlich 0 oder 1. Eine Folge von 4 Bit nennt man ein Nibble. Mit jeder weiteren Binärziffer verdoppelt sich die Anzahl möglicher Kombinationen die mit einer Bitfolge dargestellt werden kann. Für ein Nibble gibt es demnach \(2\cdot2\cdot2\cdot2=2⁴=16\) verschiedene Belegungen.

Anstatt die vollständige Bitfolge aufzuschreiben, bezeichnet man Nibbles mit Hexadezimalziffern. Diese beginnen mit normalen Ziffern von 0 bis 9 und werden dann mit den Buchstaben A, B, C, D, E und F fortgesetzt, was den Zahlen von 10 bis 15 entspricht. So hat man insgesamt 16 einstellige Symbole, mit denen man alle möglichen Nibbles darstellen kann. Die Bezeichnung „hexadezimal“ (von griech. hexa „sechs“ und lat. decem „zehn“) ist ein lateinisch-griechisches Mischwort und bedeutet „sechzehn“.

Eine Abfolge von 8 Bit nennt man ein Byte. Computer speichern Daten immer in Vielfachen von Bytes. Es wäre zwar technisch möglich, einzelne Nibbles oder Bits zu speichern, aber die Menschheit hat sich darauf geeinigt, dass immer ganze Bytes gespeichert werden. Selbst wenn man nur ein einzelnes Bit mit der Ziffer 1 speichern möchte, wird auf dem Datenträger das Byte 00000001 abgespeichert.

Ein Byte kann 2⁸=256 verschiedene Werte annehmen. Da man ein Byte auch als zwei aufeinander folgende Nibbles auffassen kann, ist es üblich, sie mit Paaren von Hexadezimalziffern zu bezeichnen, anstatt ihre achtstelligen Bitfolgen aufzuschreiben. So schreibt man etwa abkürzend C6 statt 11000110. Da es 16 verschiedene Nibbles gibt, kann man die Anzahl verschiedener Byste auch aus der Anzahl möglicher Paare von Nibbles erhalten, nämlich 16\cdot16=16^2=256.

Mit den entsprechenden Vorsilben des metrischen Systems lassen sich aus Bytes die üblichen Größeneinheiten ableiten, die man im Zusammenhang mit Datenvolumen kennen sollte.

Auf Festplatten und Disketten werden Daten mit einem winzigen Elektromagneten auf magnetisierbaren Scheiben geschrieben. Bei optischen Laufwerken (CD, DVD, BluRay) werden die Daten mit einem Schreiblaser auf eine spiegelnde Oberfläche gebrannt. Sie sind üblicherweise als Read Only Memory (ROM) ausgelegt, können also nicht neu beschrieben sondern nur gelesen werden. Im Arbeitsspeicher und in SSD's (Solid-State-Drive) werden die Daten durch die Ladezustände von unzähligen, mikroskopisch kleinen Kondensatoren gespeichert. Man kann sie sich wie winzig kleine Batterien vorstellen, die extrem schnell geladen oder entladen werden können.

Altertümliche Disketten haben eine Speicherkapazität von etwa 1 MB. Eine CD-ROM hat 650 MB, eine DVD etwa 5 GB und eine Blu-ray Disk bis zu 25 GB Speicherplatz. Moderne Festplatten haben eine Speicherkapazität von mehreren Hundert GB bis zu einigen TB.

Abbildungen: optische Darstellung der Magnetisierung einer Festplatte (links), Speicherchips unter dem Mikroskop (rechts)

Abbildungen: Vergrößerte Darstellungen einer CD

Das englische Wort „digit" für Ziffer stammt von lateinisch digitus = Finger. Da dieses Wort namensgebend für die gesamte Digitaltechnik ist, soll hier kurz erklärt werden, was „digital“ eigentlich bedeutet. Es bezieht sich ursprünglich darauf, Ziffern mit den Fingern anzuzeigen anstatt sie mit einer analogen (von altgriechisch analogos = gleichartig, verhältnismäßig, passend, ähnlich) Größe anzudeuten. Man könnte digitale Daten deshalb auch als Zifferndaten bezeichnen. Der entscheidende Unterschied zu analogen Daten ist, dass mit Ziffernfolgen immer nur endlich viele Werte dargestellt werden können, die Angaben dafür aber exakt und reproduzierbar sind. Anders verhalten sich Daten, die durch das Anzeigen einer analogen Größe angedeutet werden. Das folgende Beispiel soll das verdeutlichen.

Stellen Sie sich vor, ein Angler zeigt die Länge eines gefangenen Fisches, indem er seine Arme so weit ausbreitet, dass seine Spannweite analog zur Größe des Fisches ist. Diese analoge Information kann niemals ganz exakt sein. Jedes Mal wenn der Angler diese Geste macht, wird er seine Arme vielleicht einige Millimeter weiter oder weniger weit ausbreiten und jeder weitere Nachahmer wird die Geste ebenfalls ein wenig anders ausführen, so dass die Information bei jeder Wiederholung leicht verfälscht wird. Gibt er hingegen eine Zahl an – etwa 70 cm –, kann diese exakt weitergegeben werden.

Ein Nachteil bei digitalen Daten ist, dass die reale Länge des Fisches vielleicht nicht genau 70 cm ist, sondern irgendwo zwischen 70 und 71 cm liegen könnte. Die digitale Angabe ist diskret (von lat. discernere = trennen, unterscheiden), d.h. sie ändert sich sprunghaft zwischen abzählbar vielen gut unterscheidbaren Werten. Man kann die Angabe zwar präziser machen, indem man Nachkommastellen mit einbezieht. Aber ganz egal, wie viele Stellen nach dem Komma man hinzunimmt, es ist immer ein Fisch denkbar, dessen Länge nicht ganz mit einer solchen Zahl übereinstimmt. Mit hinreichend vielen Nachkommastellen kann man die Abweichung wenigstens so klein halten, dass sie im Anwendungsfall keine Rolle mehr spielen.

Abbildungen: analoge Daten in den Rillen einer Schallplatte (links) im Vergleich zu digitalen Daten in den Spuren einer CD (rechts)

Abbildungen: Digitalisierung eines analogen Signals (links), Digitalisierung in verschiedenen Bittiefen und Abtastraten (rechts)

In der Nibble-Tabelle wird jeder Zahl von 0 bis 15 eindeutig eine Bitfolge zugeordnet. Diese Numerierung kann man fortsetzen, so dass man jeder natürlichen Zahl eine Bitfolge zuordnen kann. Man kann alle natürliche Zahlen wahlweise mit binären Ziffern, hexadezimalen Ziffern oder mit den normalen dezimalen Ziffern darstellen. Die Auflistung der Bitfolgen ist dabei nicht zufällig. Dahinter steckt ein System, das uns im Augenblick aber nicht kümmern braucht. Notfalls kann man die Verschiedenen Darstellungen mit dem Taschenrechner umrechnen. Wir begnügen uns mit der Vorstellung, dass wie zu jeder Zahl die zugehörige Bitfolge in einer Tabelle nachschlagen können. Damit man aber nicht nur Zahlen, sondern auch andere Daten abspeichern kann, muss man diesen Zahlen Buchstaben und Symbolen zuordnen. Eine solche Zuordnung nennt man einen Code. Die folgende Tabelle zeigt den American Standard Code for Information Interchange (ASCII).

Neben dem ASCII gibt es viele andere Codes, die teilweise miteinander konkurrieren. Ab den frühen 1990er Jahren haben viele Softwarefirmen gemeinsam eine Standardisierung angestrebt, was 1991 zur Gründung des Unicode Konsortiums führte. Dieses gemeinnützige Organisation arbeitet an einer nummerierten Liste sämtlicher Symbole und Schriftzeichen aller Sprachen der gesamten Menschheit, die als Unicode-Standard bezeichnet wird. Aber auch viele andere Symbole, wie etwa Emojis sind dort aufgeführt. So hat etwa das Gesicht mit Freudentränen die Unicodenummer 128514. Die Eingabe von Unicode-Zeichen erfolgt in Word immer mit hexadezimalen Ziffern gefolgt von der Tastenkombination ALT + X. Ein Verzeichnis aller Unicode-Zeichen findet man unter unicode.org/charts.

Ein Code, der jedem Unicode-Zeichen eine Bitfolgen zuordnet, wird als Unicode Transformation Format (UTF) bezeichnet. Es gibt mehrere solcher UTF-Codes. Derjenige, der sich schließlich durchgesetzt hat, heißt UTF-8. Für die ersten 128 Zeichen ist UTF-8 mit ASCII identisch. Wenn man nur die Zeichen aus der ASCII-Tabelle verwendet, gibt es also keinen Unterschiede zwischen UTF-8 und ASCII. Bei Sonderzeichen wie Buchstaben mit Akzenten und Umlauten gibt es aber Abweichungen und für die meisten Sonderzeichen ist die zugehörige Bitfolge länger als ein Byte. Man muss über den UTF-8 Code keine Einzelheiten kennen. Es reicht, wenn man weiß, dass es ihn gibt und man darauf achtet, seine Daten stets in UTF-8 abzuspeichern, was normalerweise automatisch passieren sollte.

Da die meisten alltäglichen Symbole bereits im ASCII-Code vorkommen, kann man als Faustregel sagen, dass jeder Buchstabe etwa ein Byte Speicherplatz benötigt. Eine beschriebene Din A4 Seite enthält meistens nicht mehr als 4000 Buchtaben, so dass man davon ausgehen kann, dass ein Buch mit 250 Seiten ohne Bilder ungefähr 250*4000=1000000 B = 1 MB groß ist.

Dateien

Eine zusammengehörige Bytefolge nennt man eine Datei (engl. file = Akte, Kartei). Eine Datei ist letzten Endes nur eine lange Kette von kodierten Zeichen. Dateien liegen jedoch nicht immer zusammenhängend auf dem Massenspeichern. Wenn man etwas in der Mitte einfügt, müsste man sonst die gesamten nachfolgenden Bytes auf dem Datenträger verschieben, um Platz für das Eingefügte zu schaffen. Das ist natürlich nicht zweckmäßig. Stattdessen werden Dateien in solchen Fällen in kleine Fragmente (lat. Fragment = Bruckstück) aufgeteilt, die an verschiedenen Stellen abgespeichert werden können. Natürlich ist es notwendig, dass jederzeit bekannt ist, in wieviele Teile eine Datei fragmentiert ist und wo diese Teile liegen. Diese Ablageorganisation nennt man Dateisystem.

Es gibt sehr viele Arten von Dateisystemen für unterschiedliche Anwendungszwecke. Aber in allen Dateisystemen gibt es Dateinamen und Verzeichnisse (=Ordner), in welche die Dateien einsortiert werden können. Ordner können wiederum als Unterverzeichnisse ineinander verschachtelt werden können. Diese Ordnerstruktur wird jedoch ausschließlich in der Auflistung im Dateisystem festgehalten und hat nichts mit der tatsächlichen physikalischen Position der Daten auf dem Datenträger zu tun.

Man kann sich ein Dateisystem wie eine Liste vorstellen, in der jede Datei mit Namen und Ablageort aller Fragmente aufgelistet wird. Es ähnelt einer Bibliothekskartei, in der jedes Buch eine Karteikarte hat, auf welcher der Name steht und in welchem Regal es sich befindet. Ein Verzeichnis entspricht einer Karteikarte, die nicht auf ein Buch verweist, sondern auf einen weiteren Karteikasten. Man könnte sich etwa vorstellen, dass es für Kinderbücher einen eigenen Karteikasten gibt. Anstatt die Karteikarten für alle Kinderbücher in den Hauptkarteikasten einzusortieren, was sehr unübersichtlich wird, gibt es dort nur eine einzige Karteikarte namens Kinderbücher, in der auf den Karteikasten in der Kinderbuchabteilung verwiesen wird. Bei der Fragmentierung von Dateien endet jedoch die Analogie zur Bibliothek. Eine Bibliothekskartei, in der zu jedem Buch steht, wo die Seiten in der Bibliothek verstreut sind, ergibt keinen Sinn.

Ohne ein Dateisystem kann man einen Datenträger nicht benutzen. Das Anlegen eines neuen Dateisystems nennt man Formatierung. Da zuvor auf dem Datenträger vorhandene Dateien in einem frisch erzeugten Dateisystem nicht mehr aufgelistet sind, geht die Information über die Lage der bisherigen Dateien verloren. Die Formatierung eines Datenträgers ist deswegen gleichbedeutend mit der Löschung aller vorhandenen Daten auf einem Massenspeicher. Das Dateisystem selbst teilt sich den Platz mit den Dateien auf dem Datenträger. Es listet sich aber nicht selbst als Datei auf. Man kann das Dateisystem also nicht versehentlich löschen.

In den Anfangsjahren der PC's hatten viele Computer nur ein Diskettenlaufwerk. Es bestand jedoch auch die Möglichkeit, zwei Diskettenlaufwerke an seinem Computer zu betreiben. Das war von Vorteil, wenn man Disketten kopieren wollte. Zur Unterscheidung wurden die beiden Diskettenlaufwerke mit Laufwerksbuchstaben A und B bezeichnet. Festplatten erhielten den Laufwerksbuchstaben C und die später aufkommenden CD-ROM-Laufwerke erhielten fortlaufend die nächsten ungenutzten Laufwerksbuchstaben D und E. Auch USB-Sticks erhalten heute noch Laufwerksbuchstaben.

Wenn man auf eine Datei verweisen möchte, muss man den Laufwerksbuchstaben und das Verzeichniss angeben, in dem die Datei einsortiert ist. Diese Angabe nennt man den Dateipfad. Es folgen drei fiktive Beispiele:

• H:\Dokumente\Entwurf.docx
• H:\Musik\Calypso\Sparrow.mp3
• D:\Kostenabrechnung.xlsx

Im ersten Fall liegt eine Datei mit dem Namen Entwurf.docx im Ordner Dokumente auf Laufwerk H. Im zweiten Fall ist die Datei Sparrow.mp3 im im Verzeichnis Calypso, welches wiederum ein Unterverzeichnis des Ordners Musik auf Laufwerk H ist. Das oberste Verzeichnis eines Dateisystems nennt man Stamm- oder Wurzelverzeichnis (engl. root directory). Das dritte Beispiel zeigt die Datei Kostenabrechnung.xlsx, welche im Stammverzeichnis von Laufwerk D liegt.

Programme, mit denen man seine Dateien und Ordner verwalten kann, nennt man Dateimanager. Mit einem Dateimanager kann man Dateien zwischen verschiedenen Ordnern kopieren und verschieben. Man kann neue Ordner erstellen oder bestehende Ordner und Dateien umbenennen oder löschen.

Die drei Beispiele zeigen stets Dateinamen mit einem Punkt gefolgt von einer Dateiendung. Anhand der Endung kann man erkennen, welche Art von Datei vorliegt, ohne den eigentlichen Dateiinhalt anzuschauen. Eine Datei mit der Endung "docx" ist etwa ein Worddokument, eine mp3-Datei enthält Tonaufzeichnungen und eine xlsx-Datei ist ein Tabellendokument. Wenn man die Dateiendung verändert, bleibt der Dateiinhalt davon unberührt. Es könnte aber sein, dass der Computer die Datei nicht mehr automatisch mit dem richtigen Programm öffnen kann. Auf die Groß- und Kleinschreibung kommt es bei der Endung nicht an.

Es gibt einige Dateitypen, die man unbedingt kennen sollte:

• EXE (engl. executable = ausführbar) – Programme, die man starten kann
• PDF (engl. portable document format) – Textdokumente, die man auf jedem Computer anzeigen kann
• ZIP – Containerdatei, die mehrere andere Dateien in gepackter Form enthalten kann, um Speicherplatz zu sparen
• JPG oder JPEG – Bilddateien, die nach einem Verfahren der Joint Photographic Experts Group komprimiert sind, um SPeicherplatz zu sparen
• DOCX – Textdokumente für Microsoft Word
• XLSX – Tabellendokumente für Microsoft Excel
• TXT – reine Textdateien
• MP3 – Audiodateien

Auf fast jedem PC ist der Windows-Explorer als Dateimanager vorinstalliert. Dieser ist allerdings so voreingestellt, dass er Dateiendung und den vollständigen Dateipfad nicht anzeigt. Der Windows-Explorer verhindert, dass Nutzer die Logik des Dateisystems verstehen, indem er möglichst viele Informationen verbirgt. Diese Designentscheidung soll das "Nutzungserlebnis" vereinfachen und wird mit fadenscheinigen Argumenten begründet. Angeblich soll mehr Übersicht hergestellt werden, indem anstelle der Dateiendungen Symbole angezeigt werden und damit gleichzeitig ein versehentliches Ändern der Dateiendung verhindert wird. Tatsächlich ist die Verwendung von Symbolen in einer Schriftkultur ein völlig rückwärtsgewandter Ansatz, zumal die Symbole nicht standardisiert sind und sich mit jeder neuen Version ändern können. Desweiteren können EXE-Dateien beliebige eigene Symbole beinhalten und dadurch verschleiern, dass es sich um Programme handelt. So wird Schadsoftware verbreitet und die Sicherheit der Nutzer bewusst aufs Spiel gesetzt. Eine versehentliches Ändern der Dateiendung durch den Nutzer ist unmöglich, weil der Windows-Explorer sinnvollerweise davor warnt.

Anstatt hier nach dem Sinn zu fragen, sollte man sich klarmachen, dass man hier für dumm verkauft werden soll. Es ist offensichtlich, dass Nutzer umso leichter manipuliert werden können, je weniger technisches Wissen sie haben. Insbesondere ist es leichter, ahnungslose Menschen zu Konsumverhalten zu animieren. Bei Smartphones ist diese Entwicklung noch viel weiter vorangeschritten und selbst völlig inkompetente Menschen können mit ihrem Smartphone umgehen, sind aber nicht in der Lage, eine Datei von einem Ordner in einen anderen zu kopieren.

Programme, mit denen man die kodierten Zeichen in Dateien anzeigen und bearbeiten kann, nennt man Editor. Damit man Daten mit einem Editor bearbeiten kann, muss das Programm wissen, wie die Daten kodiert sind. Beim Abspeichern muss man ebenfalls angeben, wie die Daten kodiert werden sollen. Bei einer falschen Codierung werden Umlaute und Sonderzeichen oft falsch interpretiert.

Eine Dateien könnte etwa ein einfacher Texte, eMails, Word-Dokument, Powerpoint Präsentationen, Bilder, Videos oder Musik sein. Prinzipiell lassen sich alle Dateien mit einem Editor öffnen und bearbeiten. Wenn man das mit verschiedenen Dateien ausprobiert, stellt man fest, dass manche Dateien völlig erratische Reihen von Buchstaben sind, während manche aus lesbare Text bestehen. Menschenlesbare Dateien werden Klartext genannt. Text ohne erkennbares Muster heißt Binary Language Object (BLOB). Innerhalb von Dateien können sich Klartext und BLOB's auch stellenweise abwechseln.

Dateitypen

Es ist eine alte Tradition, dass man die Art einer Datei durch ihren Namen kennzeichnet. Üblicherweise endet der Dateiname mit einem Punkt gefolgt von einer Dateiendung. Die Endung besteht meist aus drei Buchstaben...
TXT, DOC, DOCX, EXE, ZIP, PDF, XLS, XLSX, MP3, JPG,...

Dateiverwaltung

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Anwendungsprogramme

PC's haben keine vorgegebenen Anwendungszwecke. Erst die installierte Software entscheidet, wofür ein Computer eingesetzt werden kann. Mögliche Anwendungen und Beispiele für Programme hierfür sind

• Textverarbeitung (Microsoft Word, LibreOffice Writer, Apple Pages),
• Tabellenkalkulation (Microsoft Excel, LibreOffice Calc, Apple Numbers),
• Bildbearbeitung (Microsoft Paint, Adobe Photoshop, Gimp, Apple Fotos),
• Medienwiedergabe (Windows Medienwiedergabe, VLC Player, Apple QuickTime)
• Audiobearbeitung (Audacity, Apple GarageBand),
• Videobearbeitung (Microsoft Clipchamp, Adobe Premiere, OpenShot),
• Internetbrowser (Google Chrome, Microsoft Edge, Apple Safari, Mozilla Firefox)
• eMail-Programme (Outlook, Apple Mail, Gmail, Mozilla Thunderbird)
• Instant Messenger (WhatsApp, Telegram, Signal)
• Kollaboration (Microsoft Teams, Zoom, Slack).

Man nennt derartige Software auch Anwendungsprogrammen oder einfach nur Anwendungen. Aus dem entsprechenden englischsprachigen Ausdruck "Application" ist die Abkürzung "App" entstanden. Apps sind also nichts anderes als ganz normale Anwendungen.