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- Herausgeber: MITP
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: mitp Professional
- Sprache: Deutsch
- Das beliebte Standardwerk von Charles Petzold, der Legende der Windows-Programmierung
- Wie Computer funktionieren: Von Schaltungen und Logikgattern über das Binärsystem und Maschinensprache bis hin zu Arbeitsspeicher und Prozessor
- Leicht verständliche Erläuterungen anhand von anschaulichen Geschichten und Schaubildern
Computer sind überall, am sichtbarsten in PCs und Smartphones, aber sie finden sich auch in Autos, Fernsehern, Mikrowellen, Staubsaugerrobotern und anderen smarten Geräten. Haben Sie sich jemals gefragt, was in diesen Geräten vor sich geht?
Charles Petzold begeistert seine Leserinnen und Leser seit mehr als 20 Jahren mit seinem Buch und lüftet das Geheimnis über das verborgene Innenleben und die grundlegende Funktionsweise von Computern – von der Hardware bis zur Software. Nun hat er sein beliebtes Standardwerk für das neue Computerzeitalter überarbeitet. Alle Erläuterungen sind anschaulich illustriert und werden am Beispiel von alltäglichen Gegenständen wie Taschenlampen und bekannten Systemen wie Morsecode oder Brailleschrift leicht verständlich beschrieben.
Dieses Buch schafft eine tiefe Ebene des Verständnisses für die Funktionsweise von Computern, die weit über den Code von höheren Programmiersprachen hinausgeht. Jeder, der sich für Informatik interessiert, sollte dieses Buch gelesen haben.
Website zum Buch:
Die begleitende Website präsentiert animierte Grafiken der wichtigsten Schaltungen, um die Funktionsweise von Computern noch leichter verständlich zu machen.
Aus dem Inhalt:- Codes und Kombinationen verstehen
- Morsecode, Brailleschrift und Binärcode
- Schaltungen mit Relais und Gattern
- QR-Codes und Hexadezimalsystem
- ASCII und Unicode
- Bauen einer Digitaluhr
- Speicher, CPU und Peripheriegeräte
- Maschinencode und Betriebssystem (Unix)
- Einblick in Assembler, HTML und JavaScript
Übersetzung der 2., überarbeiteten Auflage
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Seitenzahl: 601
Veröffentlichungsjahr: 2023
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Ähnliche
Charles Petzold
C O D E
Wie Computer funktionieren
Die Sprache von Hardware und Software verstehen
Übersetzung aus dem Englischen von Guido Lenz
Impressum
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN 978-3-7475-0630-1 1. Auflage 2023
www.mitp.de E-Mail: [email protected] Telefon: +49 7953 / 7189 - 079 Telefax: +49 7953 / 7189 - 082
© 2023 mitp Verlags GmbH & Co. KG, Augustinusstr. 9a, DE 50226 Frechen
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Lektorat: Janina Bahlmann Fachkorrektorat: Thomas Vervost Sprachkorrektorat: Christine Hoffmeister Covergestaltung: Chuti Prasertsith, Greg Hickman Satz: III-satz, Kiel, www.drei-satz.deelectronic publication: III-satz, Kiel, www.drei-satz.de
Einleitung
Die erste Auflage dieses Buchs wurde im September 1999 veröffentlicht. Damals war ich überzeugt davon, ein Buch geschrieben zu haben, das nie mehr überarbeitet werden müsste. Darin unterschied es sich deutlich von meinem Erstlingswerk, das Programmieranwendungen für Microsoft Windows zum Thema hatte und in nur zehn Jahren fünf Auflagen durchlief. Mein zweites Buch zum OS/2 Presentation Manager war noch schneller überholt. Doch bei Code, da war ich mir sicher, sah es anders aus.
Die ursprüngliche Idee dahinter war, mit sehr einfachen Konzepten zu beginnen und diese langsam zu einem tiefen Verständnis der Funktionsweise digitaler Computer auszubauen. Auf dem Weg des Wissenserwerbs wollte ich möglichst wenig Metaphern, Analogien oder humoristische Abbildungen einsetzen, sondern ganz auf die Sprache und Symbole setzen, die auch von denjenigen genutzt werden, die Computer entwickeln und bauen. Dazu hatte ich mir einen weiteren Kniff ausgedacht: Ich würde universelle Prinzipien anhand alter Technologien demonstrieren und dabei davon ausgehen, dass diese alten Technologien einen Fixpunkt darstellten. Das ist in etwa so, als würde man ein Buch über Verbrennungsmotoren schreiben und dafür das Model T von Ford heranziehen.
Ich halte diesen Ansatz nach wie vor für gelungen. Lediglich bei einigen Details habe ich mich getäuscht. Mit den Jahren sah man dem Inhalt das Alter des Buchs an. Einige meiner kulturellen Verweise passten einfach nicht mehr. Statt Tastaturen und Mäusen nutzen wir heute verstärkt Smartphones und Finger. Das Internet im Jahr 1999 unterschied sich grundlegend von seiner modernen Variante. Unicode, die Textcodierung zur einheitlichen Darstellung aller Sprachen der Welt sowie aller Emojis, war mir in der ersten Auflage keine ganze Seite wert. JavaScript, also die Programmiersprache, die heute das gesamte Internet durchdringt, wurde darin gar nicht erwähnt.
Diese Unzulänglichkeiten hätte ich mit geringem Aufwand beheben können. Aber es gab noch eine andere Sache an der ersten Auflage, die mich störte. Ich wollte die Funktionsweise einer echten CPU zeigen. Diese zentrale Recheneinheit bildet schließlich Hirn, Herz und Seele eines Computers. Doch das war mir in der ersten Auflage nicht richtig gelungen. Es fehlte nicht viel, aber den entscheidenden Durchbruch hatte ich nicht geschafft. Von der Leserschaft gab es zwar keine Beschwerden, aber mir saß dieser Umstand wie ein Stachel im Fleisch.
Umso mehr freue ich mich, mit dieser Auflage Abhilfe zu schaffen. Das ist übrigens auch der Grund für die 70 zusätzlichen Seiten. Ja, es ist mehr zu lesen und zu bewältigen. Aber wenn Sie mich auf dieser längeren Reise begleiten, lernen Sie die Interna der CPU noch viel besser kennen. Ob es Ihnen mehr Spaß machen wird? Ich hoffe es. Sollten Sie dennoch einmal überwältigt sein, machen Sie eine Pause. Schnappen Sie ein wenig Luft. Kapitel 24 stellt eine Art Gipfelkreuz auf dieser Wissensreise dar. Wenn Sie es erreicht haben, können Sie stolz auf sich sein. Genießen Sie danach die restlichen Kapitel.
Die Website zum Buch
Auf der englischen Website zum Buch finden Sie die hier abgedruckten Schaltpläne, bei denen der Stromfluss zusätzlich rot gekennzeichnet ist. Außerdem können Sie die Funktionsweise auch interaktiv nachvollziehen:
https://CodeHiddenLanguage.com
Hin und wieder verweise ich im Text auf diese Website, an anderen Stellen weist ein Symbol wie das in der Randspalte darauf hin. Meist wird es neben Schaltplänen auftauchen. Wenn Sie möchten, können Sie auf der Website mehr über den jeweiligen Schaltkreis erfahren. (Die Webgrafiken wurden in JavaScript mit dem canvas-Element aus HTML5 realisiert.)
Sie können die Website https://CodeHiddenLanguage.com kostenfrei nutzen. Es gibt keine Paywall und keine Werbung – außer für dieses Buch. In einigen Beispielen werden Cookies gesetzt – sofern Sie zustimmen. Die Website nutzt keine Tracking-Technologien und tut nichts Böses.
Bei Bedarf veröffentliche ich dort Erläuterungen oder Korrekturen zum Buchinhalt.
Die Menschen hinter dem Buch
Obwohl nur mein Name auf dem Cover steht, gibt es noch viele weitere Personen, deren Beiträge dazu unverzichtbar waren.
Ich möchte besonders meiner Executive Editor Haze Humbert danken, die mich genau zum richtigen Zeitpunkt gefragt hat, ob ich bereit wäre, eine zweite Auflage zu schreiben. Ich begann im Januar 2021 damit. Geschickt hat sie mich durch die rauen Gewässer bis zur (verspäteten) Veröffentlichung und um die Klippen meiner Zweifel auf dem Weg dorthin gelotst.
Als Project Editor für die erste Auflage war Kathleen Atkins zuständig, die genau begriff, was ich erreichen wollte. Die Zusammenarbeit mit ihr war wundervoll. Meine Agentin damals war Claudette Moore, die den Nutzen eines solchen Buchs erkannte – und Microsoft Press davon überzeugte, es zu veröffentlichen.
Als technischer Redakteur der ersten Auflage war Jim Fuchs am Start. Ich erinnere mich genau, wie viele peinliche Fehler er erkannt und ausgemerzt hat. Für die zweite Auflage haben Mark Seemann und Larry O’Brien das Fachkorrektorat übernehmen und einige Patzer ausgebügelt. Die beiden haben diesen Seiten den letzten Schliff verpasst.
Dass ich noch immer nicht zwischen der Bedeutung von »compose« und »comprise« zu unterscheiden vermag, hat mir Scout Festa als Lektor gezeigt. Danke für die Korrektur solcher Fehler! Lektorinnen und Lektoren sind die unsichtbaren Geister, ohne die viele Bücher eine Anhäufung von Ungenauigkeiten und Sprachverirrungen wären.
Sollten Sie trotzdem einen Fehler entdecken: Ich wars!
Mein Dank geht auch an die Testleser der ersten Auflage: Sheryl Canter, Jan Eastlund, den verstorbenen Peter Goldeman, Lynn Magalska und Deirdre Sinnott (die einwilligte, meine Frau zu werden).
Die vielen Abbildungen in der ersten Auflage hat der verstorbene Joel Panchot erstellt. Er war verdientermaßen stolz auf seine Arbeit. Viele dieser Abbildungen werden auch in dieser Auflage verwendet. Alle Schaltpläne wurden allerdings neu erstellt, damit neue und alte Abbildungen zueinander passen. (Für die Nerds: Für die Abbildungen habe ich ein Programm in C# geschrieben, das auf Basis der SkiaSharp-Grafikbilbliothek SVG-Dateien (Scalable Vector Graphics) erzeugt hat. Tracey Croom hat als Senior Content Producer dafür gesorgt, dass die SVG-Dateien ins EPS-Format (Encapsulated PostScript) umgewandelt wurden und somit in Adobe InDesign genutzt werden konnten.)
Widmung
Ich möchte dieses Buch den zwei wichtigsten Frauen in meinem Leben widmen:
Meiner Mutter, die alle Widrigkeiten überwunden hat, an denen andere zerbrochen wären. Sie hat meinem Leben eine Richtung gegeben, ohne mir dabei Zügel anzulegen. Während der Arbeit an diesem Buch haben wir gemeinsam ihren 95. (und zugleich auch ihren letzten) Geburtstag gefeiert.
Meiner Frau, Deirdre Sinnott. Ich bin stolz auf das, was sie erreicht hat, und danke ihr für ihre unermüdliche Unterstützung und Liebe.
Ich danke den Lesern der ersten Auflage, deren Feedback mir ein großer Ansporn war und noch immer ist.
Charles Petzold
9. Mai 2022
Über den Autor
Von Charles Petzold stammt auch das Werk The Annotated Turing: A Guided Tour through Alan Turing’s Historic Paper on Computability and the Turing Machine (Wiley, 2008). Er hat außerdem einige andere Bücher geschrieben, in denen es größtenteils um das Programmieren für Microsoft Windows geht. Sie alle sind längst überholt. Er lebt mit seiner Frau Deirdre Sinnott – einer Geschichtswissenschaftlerin und Romanautorin – und den beiden Katzen Honey und Heidi in New York City. Seine Website ist hier zu finden: www.charlespetzold.com.
Kapitel 1: Beste Freunde
Sie sind 10 Jahre alt. Auf der anderen Straßenseite wohnt Ihre beste Freundin. Ihre beiden Zimmer liegen einander gegenüber. Jeden Abend, nachdem die Eltern Sie wieder einmal viel zu früh ins Bett geschickt haben, gibt es noch so viele Ideen, Beobachtungen, Geheimnisse, Witze, Träume und Gerüchte, die Sie einander anvertrauen möchten. Wie das so ist unter guten Freunden. Es gehört zu den menschlichen Grundbedürfnissen, miteinander zu kommunizieren.
Was also tun? Sie schalten das Licht an und können einander mit Gesten und Körpersprache einfache Gedanken vermitteln. Doch was, wenn Gestikulieren nicht ausreicht? Was, wenn die Eltern mit einem endgültigen »Licht aus!« dafür sorgen, dass sie einander nicht mehr sehen können?
Gibt es eine Lösung? Glücklich sind die Zehnjährigen, die über ein eigenes Smartphone verfügen und einander anrufen oder Nachrichten schicken können. Doch was, wenn die Eltern das Telefon am Abend einkassieren oder das WLAN über Nacht abschalten? Ohne elektronische Kommunikation wird das Schlafzimmer schnell zur einsamen Insel.
Wie gut, dass Sie und Ihre Freundin Taschenlampen besitzen! Wie jeder weiß, wurden Taschenlampen erfunden, damit Kinder heimlich unter der Bettdecke lesen können. Außerdem eignen sie sich perfekt, um in der Dunkelheit zu kommunizieren. Sie machen keine verdächtigen Geräusche, ihr Licht strahlt primär in eine Richtung, und es ist von misstrauischen Müttern und Vätern nicht zu sehen, wenn diese an der Tür vorbeigehen.
Aber wie bringt man das Licht zum Sprechen? Versuchen wir es! In der ersten Klasse haben Sie gelernt, Buchstaben zu schreiben und damit Wörter zu bilden. Lässt sich auch mit einer Taschenlampe schreiben? Auf ans Fenster! Schreiben Sie die Buchstaben mit dem Lichtkegel. Einschalten, einen Kreis in die Luft malen, ausschalten. Fertig ist das O. Ein I? Kein Problem, einfach einen senkrechten Strich zeichnen. Doch schnell kommt das Gespräch ins Stocken (wenn es überhaupt beginnt). Es ist schwierig, den Bewegungen des Lichts im Fenster gegenüber zu folgen. Außerdem müssen Sie all diese Kreise und Linien im Kopf zusammensetzen. So wird das nichts.
Da erinnern Sie sich an einen Film. In dem haben Matrosen auf hoher See Laternen benutzt und Blinksignale ausgetauscht. Und es gab noch einen Film, in dem ein Spion mit einem Spiegel Lichtreflexe in die Zelle gelenkt, in der sein Partner gefangen war. Ist das etwa die Lösung? Sie überlegen kurz und haben einen brillanten Einfall: Jeder Buchstabe wird durch eine bestimmte Anzahl an Blinksignalen dargestellt. Ein Signal für A, zwei für B, 3 für C usw. Ein Z sind 26 Signale. Für das Wort JA geben Sie also 10 Signale und dann ein Signal. Zwischen den Buchstaben legen Sie eine kurze Pause ein, damit Ihre Freundin die Lichtfolge aus 11 Blitzen nicht für ein K hält. Nach jedem Wort folgt eine längere Pause.
Das ist ein guter Anfang. Viel besser, als Kreise und Striche in die Luft zu malen. Einfach Taschenlampe an, Taschenlampe aus. Doof nur, dass schon eine kurze Frage (»Wie geht es dir«?) 132 Lichtsignale benötigt. Außerdem fehlen alle Satzzeichen. Wie viele Signale sind ein Fragezeichen?
Der Ansatz ist gut, aber es gibt Verbesserungsbedarf. Vielleicht hat ja schon jemand anders eine tolle Idee gehabt, um das Problem zu lösen? Einen Besuch in der Bücherei oder eine Internetsuche später sind Sie schlauer: Es gibt eine großartige Erfindung namens Morse-Zeichen.Genau so etwas haben Sie gesucht! Allerdings müssen Sie die Buchstaben neu lernen.
In Ihrem eigenen System wurde jeder Buchstabe durch eine bestimmte Anzahl von Blinkzeichen dargestellt. Ein Signal für A, 26 Signale für Z. Im Morse-Code gibt es zwei verschiedene Signale, nämlich ein kurzes und ein langes Leuchtzeichen. Das macht den Morse-Code einerseits komplizierter, aber auch sehr viel effizienter. Statt für »Wie geht es dir«? 132-mal zu blinken, benötigen Sie nur noch 27 (kurze und lange) Signale. Und da ist das Fragezeichen schon enthalten!
Allerdings spricht niemand beim Morse-Code von langen und kurzen Leuchtzeichen. Stattdessen werden diese Signale als Punkte und Striche bezeichnet, manchmal auch als kurz und lang. So lassen sie sich auch viel einfacher niederschreiben. Im Morse-Code entspricht jedes Zeichen des Alphabets einer Abfolge von Punkten und Strichen. Ich habe sie in der folgenden Tabelle zusammengefasst.[1]
Morse-Code und Computer haben nichts miteinander zu tun. Doch wer die verborgene Sprache und den Aufbau von Computerhardware und -software wirklich verstehen will, kommt nicht umhin, sich zuerst mit Codierungen und Codes zu befassen.
In diesem Buch bezeichnet das Wort »Code« im Normalfall ein System zur Informationsübermittlung zwischen Menschen, zwischen Menschen und Computern oder innerhalb von bzw. zwischen Computern.
Codes dienen zur Kommunikation. Einige Codes sind geheim, aber die Mehrheit ist es nicht. Das liegt daran, dass Codes die Grundlage der menschlichen Kommunikation darstellen.
Die Geräusche, die wir machen, um Worte zu formen, stellen einen Code dar. Jeder, der unsere Stimme hört und die Sprache, die wir sprechen, versteht, kann auch diesen Code entschlüsseln. Man nennt diesen Code »das gesprochene Wort« oder »Sprache«.
Gehörlose verwenden Gebärdensprache, bei der bestimmte Hand- und Armbewegungen einzelne Buchstaben, Wörter oder gar Konzepte ausdrücken. In Nordamerika sind zwei dieser Gebärdensprachen stark verbreitet: Die American Sign Language (ASL, amerikanische Gebärdensprache) wurde Anfang des 19. Jahrhunderts von der American School for the Deaf entwickelt, die Langue des signes Québécoise (LSQ) ist eine Variante der französischen Gebärdensprache.
Wenn Sie Worte auf Papier oder anderen Medien niederschreiben, handelt es sich ebenfalls um einen Code: »das geschriebene Wort« oder »Text«. Texte können von Hand geschrieben oder getippt, in Zeitungen, Zeitschriften und Büchern abgedruckt oder auf den unterschiedlichsten Geräten digital wiedergegeben werden. In vielen Sprachen gibt es eine enge Verbindung zwischen dem gesprochenen und dem geschriebenen Wort. Im Englischen entsprechen die Buchstaben und Buchstabengruppen größtenteils der Aussprache.
Für Blinde und Menschen mit Sehbehinderung gibt es die Braille-Schrift, in der erhabene Punktgruppen für einzelne Buchstaben, Morpheme oder ganze Wörter stehen. (In Kapitel 3 gehe ich näher auf die Braille-Schrift ein.)
Beim schnellen Transkribieren (Aufschreiben) des gesprochenen Worts in Textform ist die Stenografie (auch Kurzschrift genannt) hilfreich. Bei Gericht oder beim Untertiteln von Live-Übertragungen im Fernsehen verwenden Stenografen und Stenografinnen eine Stenografiermaschine, deren vereinfachte Tastatur spezielle Codes aufweist.
Wir benutzen eine Vielzahl unterschiedlicher Codes für die Kommunikation miteinander. Unter bestimmten Umständen sind einige davon geeigneter oder praktischer als andere. Ein Beispiel: Das gesprochene Wort lässt sich nicht auf Papier festhalten. Dafür nutzen Sie und ich das geschriebene Wort. Wenn Sie geräuschlos Informationen in der Dunkelheit austauschen möchten, geht das weder mit der Stimme noch mit einem Stück Papier. In diesem Fall hilft der Morse-Code weiter. Ein Code ist dann nützlich, wenn er einen Zweck erfüllt, für den es keinen anderen Code gibt.
In Verbindung mit Computern kommen verschiedene Codearten zum Einsatz, um Text, Zahlen, Töne, Musik, Bilder, Filme und sogar Anweisungen für den Computer selbst zu speichern und zu übermitteln. Computer und menschliche Codes vertragen sich nur in engen Grenzen. Das liegt daran, dass Computer den Menschen und seine Mimik, seine Augen, Ohren, Finger und die Mundbewegungen nicht exakt nachahmen können. Es ist schwierig, Computern das Sprechen beizubringen. Doch sie Sprachverständnis zu lehren, ist noch viel schwieriger.
Auf diesem Gebiet wurden bereits viele Fortschritte gemacht. Computer können heute unzählige Arten von Informationen erfassen, speichern, verändern und darstellen, die in der menschlichen Kommunikation verwendet werden. Dazu gehören visuelle Informationen (Texte und Bilder), aurale Informationen (gesprochene Wörter, Klänge und Musik) sowie eine Kombination davon (Animationen und Filme). Für jede Informationsart wird ein eigener Code benötigt.
Auch die Tabelle mit den Morse-Zeichen ist ein Code. Sie zeigt, welche Abfolge von Punkten und Strichen einen bestimmten Buchstaben darstellt. Allerdings können Sie keine Punkte und Striche senden. Diese werden vielmehr durch die Leuchtsignale der Taschenlampe dargestellt.
Dazu schalten Sie die Lampe immer wieder ein und aus. Für einen Punkt schnell, für einen Strich lassen Sie die Lampe länger leuchten. Für ein A schalten Sie die Taschenlampe kurz ein und aus, dann etwas länger ein und aus. Anschließend machen Sie eine Pause, bevor das nächste Zeichen folgt. Traditionell leuchtet der Strich etwa dreimal so lang wie der Punkt. Ihr Gegenüber erkennt ein kurzes und ein langes Signal und weiß, dass es sich um ein A handelt.
Es ist wichtig, dass Sie zwischen den Punkten und Strichen eine Pause machen. Beim A sollte die Pause zwischen dem Punkt und dem Strich ungefähr der Länge des Punkts entsprechen. Die einzelnen Buchstaben eines Worts werden durch längere Pausen – die in etwa einem Strich entsprechen – markiert. Das hier ist der Morse-Code für das englische Wort »hello«. Die freien Bereiche sind die Pausen zwischen den Buchstaben:
Wörter werden durch eine etwa zwei Striche lange Pause getrennt. Hier ist der Code für »hi there«:
Die genaue Dauer der Ein- und Ausschaltzeit ist nicht festgelegt. Als Basiseinheit dient der Punkt. Nach seiner »Länge« richten sich alle anderen Signale. Die Dauer des Punkts wiederum hängt davon ab, wie schnell die Taschenlampe ein- und ausgeschaltet werden kann und wie schnell der Sender morst (wie gut er oder sie die Zeichen kennt). Wenn Sie schnell sind, ist Ihr Strich vielleicht so lang wie mein Punkt. Das kann ein Problem darstellen, aber nach den ersten ein oder zwei Buchstaben erkennt die empfangende Person, was ein Punkt und was ein Strich ist.
Auf den ersten Blick sieht die Definition (also die Zuordnung der Abfolgen zu den Buchstaben) für den Morse-Code chaotisch aus, ähnlich wie die Anordnung der Buchstaben auf einer Tastatur. Doch dem ist nicht so. Häufig genutzten Buchstaben sind kürzere, einfachere Codes zugeordnet. Sehen Sie sich einmal das E oder T an. Wenn Sie Scrabble spielen oder Glücksrad schauen, erkennen Sie den Zusammenhang rasch. Seltenere Buchstaben wie das Q oder Z (10 Punkte in der englischen Scrabble-Variante und nur selten im Glücksrad zu sehen) stehen neben längeren Codes.
Die meisten Menschen kennen zumindest ein paar Morse-Zeichen. Dreimal kurz, dreimal lang, dreimal kurz steht für SOS, das internationale Notrufzeichen. SOS steht übrigens nicht für einen bestimmten Text, sondern ist einfach eine leicht zu merkende Zeichenfolge. Im Zweiten Weltkrieg hat die British Broadcasting Corporation vor einigen Rundfunksendungen den Anfang von Beethovens Fünfter Symphonie (BAH, BAH, BAH, BAHMMMMM) ausgestrahlt. Beethoven konnte nicht wissen, dass diese Tonfolge irgendwann einmal dem Buchstaben V im Morsealphabet entsprechen würde – V wie Victory.
Ein Nachteil von Morse-Code ist, dass er nicht zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterscheidet. Doch wenigstens gibt es darin Zeichen für Ziffern, die aus jeweils fünf Punkten und Strichen bestehen:
Diese Zifferncodes sind deutlich logischer aufgebaut als die Buchstabencodes. Die meisten Satzzeichen nutzen fünf, sechs oder sieben Punkte und Striche:
Für die Umlaute und Buchstaben mit Akzent in europäischen Sprachen gibt es weitere Codes. Außerdem werden einige »Kurzschriftsignale« für besondere Zwecke verwendet. Das SOS gehört zu diesen Kurzschriftsignalen. Es wird durchgehend gesendet, wobei zwischen den drei Buchstaben jeweils nur eine Pause von der Länge eines Punkts gemacht wird.
Einige Taschenlampen erleichtern es erheblich, Morse-Zeichen zu senden. Neben dem Schieber oder Druckknopf zum Ein- und Ausschalten verfügen sie über einen zusätzlichen Taster, mit dem der Stromkreis zum Leuchtmittel kurz unterbrochen wird. Dann ist es mit etwas Übung möglich, fünf bis zehn Wörter pro Minute zu morsen. Das ist aber immer noch deutlich langsamer als das gesprochene Wort mit seinen 100 Wörtern pro Minute.
Irgendwann haben Sie und Ihre Freundin es endlich geschafft! Sie haben sich alle Zeichen gemerkt, können sie senden und entschlüsseln. Das klappt sogar, wenn sie im Beisein anderer ein Geheimnis austauschen möchten. Sagen Sie für jeden Punkt einfach dih (oder für den Punkt am Ende eines Worts dit) und für jeden Strich dah, also dih-dih-dih-dah für das V. Jetzt haben Sie nicht nur das geschriebene Wort in Punkte und Striche verwandelt, sondern auch das gesprochene Wort in zwei Laute.
Das Schlüsselwort hierbei ist zwei. Zwei Lichtsignale, zwei Laute, zwei von irgendetwas. Mit nur zwei Dingen können Sie durch Kombination alle möglichen Informationen übermitteln.
[1] Anmerkung des Übersetzers: Wir beschränken uns in diesem Buch auf die im Englischen üblichen Zeichen. Natürlich gibt es auch Morse-Zeichen für Umlaute oder das ß.
Kapitel 2: Codes und Kombinationen
Der Morse-Code wurde um 1837 von Samuel Finley Breese Morse (1791–1872) erfunden. Sie werden ihn im Laufe des Buchs noch besser kennenlernen. Der Code wurde von anderen weiterentwickelt, allen voran von Alfred Vail (1807–1859), sodass es heute verschiedene Versionen davon gibt. In diesem Buch verwende ich den internationalen Morse-Code.
Die Erfindung des Morse-Codes geht Hand in Hand mit der Erfindung des Telegrafen, den ich Ihnen ebenfalls noch näher vorstellen werde. Wie der Morse-Code den Einstieg in die Welt der Codes erleichtert, nutzt der Telegraf Komponenten, mit denen sich die Funktionsweise eines Computers darstellen lässt.
Die meisten Menschen tun sich leichter damit, Morse-Codes zu senden, als zu empfangen. Selbst ohne Vorkenntnisse können Sie die folgende Tabelle verwenden und einfach die Signalabfolge für die einzelnen Buchstaben ablesen:
Das Übersetzen der Punkte und Striche in Buchstaben ist deutlich aufwendiger als umgekehrt. Wenn Sie die Codes nicht im Kopf haben, müssen Sie beim Erhalt jeder Abfolge in der Tabelle danach suchen und so zum Beispiel für Strich-Punkt-Strich-Strich das Y ermitteln.
Bisher haben wir nur eine Tabelle für einen Weg:
Buchstabe des Alphabets → Morse-Code-Folge aus Punkten und Strichen
Was fehlt, ist eine Tabelle für die Decodierung:
Morse-Code-Folge aus Punkten und Strichen → Buchstabe des Alphabets
Wenn Sie keine oder wenig Erfahrung mit dem Morse-Code haben, wäre eine solche Tabelle enorm hilfreich. Aber wie sollte sie aufgebaut sein? Punkte und Striche lassen sich nicht alphabetisch sortieren.
Welche anderen Möglichkeiten gibt es? Was ist mit der Anzahl der Punkte und Striche? Ein Signal, das nur einen Punkt oder nur einen Strich enthält, muss für einen der Buchstaben E oder T stehen:
Kombinationen aus zwei Punkten oder Strichen stehen für vier weitere Buchstaben, nämlich I, A, N und M:
Mit drei Punkten oder Strichen ergeben sich acht weitere Buchstaben:
Schließlich können wir noch Abfolgen mit vier Punkten und Strichen auflisten (Ziffern und Satzzeichen lassen wir einmal außen vor) und erhalten so weitere 16 Buchstaben:
Insgesamt enthalten diese vier Tabellen 2 plus 4 plus 8 plus 16 Codes für insgesamt 30 Buchstaben und damit vier mehr als die 26 Buchstaben des lateinischen Alphabets. Vier der Codes in der letzten Tabelle stellen akzentuierte Buchstaben dar, nämlich drei Umlaute (Ä, Ö, Ü) und ein S mit Cedille (Ş).
Diese vier Tabellen sind beim Entschlüsseln des Morse-Codes hilfreich. Sie zählen einfach die Punkte und Striche eines Morse-Zeichens ab und sehen in der zugehörigen Tabelle nach. Die Tabellen beginnen mit dem Zeichen, das ausschließlich aus Punkten besteht, und enden mit dem Zeichen, in dem nur Striche benutzt werden.
Ist Ihnen ein Muster bei der Größe der vier Tabellen aufgefallen? Jede enthält doppelt so viele Codes wie die vorhergehende Tabelle. Das ergibt Sinn: Jede Tabelle enthält die um einen Punkt bzw. Strich ergänzten Codes aus der vorhergehenden Tabelle.
Das lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Anzahl der Punkte und Striche
Anzahl der Codes
1
2
2
4
3
8
4
16
Jede der vier Tabellen enthält doppelt so viele Codes wie die vorhergehende Tabelle. Die erste Tabelle enthält 2 Codes, die zweite enthält 2 × 2 Codes, die dritte 2 × 2 × 2 Codes. Anders dargestellt:
Anzahl der Punkte und Striche
Anzahl der Codes
1
2
2
2 × 2
3
2 × 2 × 2
4
2 × 2 × 2 × 2
Wenn Zahlen mit sich selbst multipliziert werden, können Sie diese auch mit einem Exponenten schreiben und so Potenzen ausdrücken. 2 × 2 × 2 × 2 bedeutet dasselbe wie 24 (2 hoch 4 bzw. 2 zur 4. Potenz). Die Zahlen 2, 4, 8 und 16 sind allesamt Potenzen von 2, da sie durch mehrfaches Multiplizieren der 2 mit sich selbst berechnet werden können. Ich notiere diese Erkenntnis hier in einer weiteren Tabellenform:
Anzahl der Punkte und Striche
Anzahl der Codes
1
21
2
22
3
23
4
24
Fällt Ihnen etwas auf? Die Anzahl der möglichen Codes entspricht 2 hoch der Anzahl der Punkte und Striche:
Potenzen von 2 sind in Codes immer wieder zu finden. Das gilt auch für dieses Buch. Das nächste Beispiel ist nur ein Kapitel entfernt.
Sie können Morse-Code auch mit einem Baumdiagramm decodieren:
Das Diagramm zeigt die Buchstaben, die einer bestimmten Abfolge von Punkten und Strichen entsprechen. Zum Decodieren folgen Sie den Pfeilen einfach von links nach rechts. Ein Beispiel: Sie erhalten das Morse-Zeichen Punkt-Strich-Punkt. Beginnen Sie links mit dem Punkt, folgenden Sie dann dem Pfeil nach rechts zum Strich und dem nächsten Pfeil zum Punkt. Dort finden Sie neben dem Punkt den Buchstaben R.
Wer weiß, vielleicht wurde der Morse-Code mit genau so einem Diagramm entwickelt. Immerhin stellt es sicher, dass für jeden Buchstaben ein eigener Code verwendet wird. Außerdem bleiben die Codeabfolgen möglichst kurz.
Wenn Sie möchten, können Sie auf einem größeren Bogen Papier noch eine Spalte mit Kombinationen aus fünf Punkten und Strichen anfügen. Diese fünfte Spalte ermöglicht die Darstellung von 32 weiteren Codes (2 × 2× 2 × 2 × 2 oder 25). Das reicht für zehn Ziffern und 16 Satzzeichen, und so wird es auch teilweise im Morse-Code gehandhabt: Ziffern werden durch fünf Punkte und Striche dargestellt. Allerdings werden die restlichen Abfolgen nicht für Satzzeichen verwendet, sondern für akzentuierte Buchstaben.
Mit der bekannten Formel
können Sie ganz einfach ermitteln, wie viele Codes Sie mit noch längeren Kombinationen aus Punkten und Strichen bilden könnten:
Zum Glück mussten weder Sie noch ich dafür alle möglichen Kombinationen aufschreiben. Es reicht, die Zahl 2 immer wieder mit sich selbst zu multiplizieren.
Morse-Code wird auch als binär (wörtlich zwei mal zwei) bezeichnet, da der Code aus nur zwei Komponenten besteht, nämlich Punkt und Strich. Das ähnelt einer Münze, die nach einem Wurf Kopf oder Zahl zeigen kann. Wenn Sie eine Münze zehnmal werfen, gibt es 1024 verschiedene Kombinationen aus Kopf und Zahl.
Kombinationen von binären Objekten (wie Münzen) und binären Codes (wie dem Morse-Code) lassen sich stets als Potenzen von zwei ausdrücken. Die Zwei spielt in diesem Buch eine sehr wichtige Rolle.
Kapitel 3: Braille-Schrift und binäre Codes
Samuel Morse war nicht der erste Mensch, der die Buchstaben einer geschriebenen Sprache in einen deutbaren Code umgesetzt hat. Er war auch nicht der erste Mensch, bei dessen Namen wir eher an den Code als die Person selbst denken. Diese Ehre gebührt einem blinden, französischen Teenager, der etwa 18 Jahre nach Samuel Morse geboren wurde, aber der Welt früher als dieser seinen Stempel aufdrückte. Über sein Leben ist nur wenig bekannt. Doch das Wenige ist überaus beeindruckend.
Louis Braille, Quelle: © Julien Vivet / stock.adobe.com
Louis Braille wurde 1809 im französischen Coupvray geboren, nur etwa 35 km östlich von Paris. Sein Vater war Sattler. Im Alter von drei Jahren stach der kleine Louis sich in der Werkstatt des Vaters mit einem spitzen Werkzeug ins Auge. Die Wunde entzündete sich, und die Infektion griff auch auf das andere Auge über, sodass er vollständig erblindete. Ein solches Schicksal bedeutete damals meist ein Leben in Unwissenheit und Armut, doch Louis war intelligent und wies große Lernbereitschaft auf. Der Dorfpriester und ein Schulmeister sorgten dafür, dass er zunächst die Dorfschule besuchte, bevor er schließlich im Alter von 10 Jahren an das Institution Royal des Jeunes Aveugles (Königliches Institut für junge Blinde) in Paris wechselte.
Die größte Hürde bei der Bildung blinder Kinder ist der Mangel an Zugang zu Lesestoff. Valentin Haüy (1745–1822), der Gründe der Pariser Blindenschule, hatte ein System erfunden, bei dem die Buchstaben in einer großen, erhabenen Schrift auf Papier geprägt und ertastet werden konnten. Allerdings war dieses System kompliziert in der Anwendung. Es wurde nur für wenige Bücher genutzt.
Als sehender Mensch stand Haüy vor einer für ihn unüberwindbaren Hürde. Ein A war und blieb ein A und musste natürlich auch so aussehen (und sich anfühlen) wie ein A. Wer weiß, hätte er mit einer Taschenlampe kommunizieren müssen, wäre er vielleicht ebenfalls auf die Idee gekommen, die Buchstaben in die Luft zu malen. Haüy erkannte nicht, dass ein Code, der sich deutlich von den geprägten Buchstaben unterscheidet, für blinde Menschen eine bessere Lösung darstellen könnte.
Der Anstoß für einen solchen Code kam von gänzlich unerwarteter Seite. Charles Barbier, ein Hauptmann in der französischen Armee, hatte 1815 ein Schriftsystem entwickelt, das später unter dem Namen écriture nocturne, also »Nachtschrift« bekannt wurde. Dabei wurden erhabene Punkte auf dickem Papier verwendet, über die Soldaten Nachrichten austauschen konnten, wenn absolute Stille erforderlich war oder Dunkelheit herrschte. Mit einer Art Ahle wurden die Punkte von der Rückseite aus ins Papier gestochen. Die erhabenen Punkte konnten dann mit den Fingern ertastet bzw. »gelesen« werden.
Im Alter von 12 Jahren lernte Louis Braille dieses System kennen. Ihm gefielen die erhabenen Punkte, denn so wurde das Lesen mit den Fingern erleichtert, während die Schrift zugleich einfach zu schreiben war. Alle Schülerinnen und Schüler, die einen Bogen Papier und einen Stift oder Stab hatten, konnten damit Notizen machen und lesen. Louis Braille machte sich an die Arbeit, das System zu verbessern. Drei Jahre später, mit 15 Jahren, war er fertig und präsentierte eine Schrift, die in ihren Grundzügen noch heute verwendet wird. Viele Jahre lang war diese Schrift nur am Institut bekannt, doch im Laufe der Zeit verbreitete sie sich über die gesamte Welt. 1835 erkrankte Louis Braille an Tuberkulose. Kurz nach seinem 43. Geburtstag starb er 1852 an der Krankheit.
Heute gibt es unterschiedliche Varianten der Braille-Schrift. Natürlich sind auch Hörbücher mittlerweile eine große Hilfe für blinde Menschen, doch die Braille-Schrift bleibt ein überaus wertvolles Hilfsmittel für diese Personengruppe. Für Menschen, die Sehkraft und Gehör verloren haben, ist es sogar die einzige Möglichkeit, Bücher zu lesen. Die meisten von uns kennen die Braille-Schrift aus dem Alltag. Sie ist allgegenwärtig, beispielsweise in Aufzügen und an Geldautomaten.
In diesem Kapitel werden wir den Braille-Code detailliert untersuchen und entschlüsseln. Keine Angst: Sie müssen die Braille-Schrift dafür nicht erlernen. Es geht lediglich darum, dass Sie ein besseres Verständnis für Codes an sich gewinnen.
In der Braille-Schrift wird jedes Zeichen aus der geschriebenen Sprache (also Buchstaben, Ziffern und Satzzeichen) in Form von einem oder mehreren erhabenen Punkten in einem 2 × 3 Felder großen Raster dargestellt. Die Punkte in diesem Raster werden üblicherweise mit 1 bis 6 nummeriert:
Mit speziellen Schreibmaschinen wurde es einfacher, die Braille-Schrift zu Papier zu bringen. Heute gibt es dafür computergesteuerte Prägeautomaten.
Dennoch bleibt es ein aufwendiges und teures Verfahren. Damit dieses Buch bezahlbar bleibt, stelle ich die Braille-Zeichen ohne Prägung dar. Dazu verwende ich jeweils eine Grafik, die alle sechs Punkte des Rasters zeigt. Große, dicke Punkte geben dabei die Stellen an, an denen das Papier erhaben ist. Kleine Punkte markieren Stellen, an denen das Papier glatt ist. Hier ein Beispiel:
In diesem Zeichen sind die Punkte 1, 3 und 5 erhaben, die Punkte 2, 4 und 6 nicht.
Das Interessante ist, dass die Punkte binär sind. Jeder Punkt ist entweder flach oder erhaben. Damit lässt sich das in Verbindung mit dem Morse-Code und binären Kombinationen Gelernte auf die Braille-Schrift übertragen. Es gibt sechs Punkte. Jeder Punkt kann entweder erhaben oder flach sein. Daraus ergeben sich 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 oder 26 und somit 64 Kombinationsmöglichkeiten.
Mit dem Braille-System können also 64 eindeutige Codes dargestellt werden. Hier sind die 64 Codes:
Natürlich müssen nicht alle davon für die Braille-Schrift verwendet werden. Aber in diesem System können auch nicht mehr als diese 64 Codes dargestellt werden.
Wie setzt der Braille-Code sich zusammen? Finden wir es heraus! Hier sind die Kleinbuchstaben – ohne Sonderzeichen – des Alphabets:
Die englische Wortfolge »you and me« sieht in Braille-Schrift so aus:
Die einzelnen Zeichen sind jeweils durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt, die Wörter durch einen größeren Abstand, der so breit wie ein normales Braille-Zeichen ist.
Das ist die Grundlage der von Louis Braille erdachten Braille-Schrift. Er hat außerdem einige Codes für akzentuierte Buchstaben festgelegt, die im Französischen oft vorkommen. Es gibt kein w, da es im klassischen Französisch nicht verwendet wird. (Keine Sorge, heute gibt es auch ein Zeichen für diesen Buchstaben.) Damit sind 25 der 64 möglichen Zeichen belegt.
Bei näherer Betrachtung wird ein Muster in den Braille-Codes für die 25 Kleinbuchstaben ersichtlich. Die erste Zeile (mit den Buchstaben a bis j) nutzt nur die oberen vier Punkte des Rasters, also die Punkte 1, 2, 4 und 5. Die zweite Zeile (mit den Buchstaben k bis t) ist praktisch eine Kopie der ersten Zeile – mit dem einzigen Unterschied, dass auch Punkt 3 erhaben ist. Die dritte Zeile (mit den Buchstaben u bis z) ist ebenfalls eine Kopie der ersten Zeile, wobei die Punkte 3 und 6 erhaben sind.
Als Louis Braille das System erdachte, hatte er das Schreiben (oder Stanzen) mit der Hand im Sinn. Das ist nicht besonders exakt. Also wählte er die 25 Kleinbuchstaben so, dass es möglichst wenig Mehrdeutigkeiten gibt. Von den 64 möglichen Braille-Codes weisen sechs einen einzelnen erhabenen Punkt auf. Doch nur einer davon wird für die Kleinbuchstaben verwendet, nämlich für den Buchstaben a. Vier der 64 Codes weisen zwei Punkte direkt untereinander auf. Auch davon wird nur einer verwendet, nämlich für den Buchstaben b. Drei Codes weisen zwei Punkte nebeneinander auf. Wieder wird nur einer davon verwendet – für das c.
Louis Braille hat keine willkürliche Zuordnung vorgenommen, sondern eine Sammlung aus leicht erkennbaren Formen zusammengestellt, die auch bei geringfügigen Abweichungen noch lesbar bleiben. Ein a besteht aus einem erhabenen Punkt, ein b aus zwei erhabenen Punkten untereinander, ein c aus zwei erhabenen Punkten nebeneinander usw.
Die meisten Codes sind fehleranfällig. Es gibt Fehler, die beim Schreiben des Codes entstehen (in diesem Fall also beim Stechen eines Braille-Punkts in das Papier). Sie werden Codierfehler genannt. Fehler, die beim Lesen des Codes entstehen, werden Decodierfehler genannt. Außerdem gibt es noch Übertragungsfehler. Sie entstehen z.B., wenn eine Seite mit Braille-Schrift beschädigt wird.
Hochtechnische Codes sehen für diese Fälle eine integrierte Fehlerkorrektur vor. Streng genommen ist damit auch der von Louis Braille definierte Code hochtechnisch, denn mithilfe von Redundanzen werden kleine Fehler beim Stanzen und Lesen der Punkte ausgeglichen. Seit damals wurde der Braille-Code auf vielerlei Weise erweitert, z.B. für mathematische Zwecke oder Musiknoten. In englischen Texten wird heute hauptsächlich das als Grade 2 Braille benannte System verwendet. Es enthält viele Abkürzungen in Form von Buchstabenkombinationen, die den Platzbedarf auf dem Papier verringern und die Lesegeschwindigkeit erhöhen. Viele davon stimmen nicht mit dem deutschen System überein. Weitere Informationen zur deutschen Braille-Schrift gibt es auf der Website des Deutschen Blinden- und Sehbehindertenverbands: https://www.dbsv.org/brailleschrift-blindenschrift.html. In Grade 2 ersetzen einzeln stehende Buchstabencodes bestimmte, häufig verwendete Wörter, die hier dargestellt sind:
Die Wortfolge »you and me« kann in Grade 2 also verkürzt so geschrieben werden:
Sie kennen nun 31 Codes: den Leerraum zwischen Wörtern (keine erhabenen Punkte) und 3 × 10 Codes, die für Einzelbuchstaben bzw. Wörter stehen. Es sind also noch einige der 64 Codes frei. Diese Chance hat man sich in Grade 2 nicht entgehen lassen.
Durch Kombination der Codes für die Buchstaben a bis j mit einem erhabenen Punkt 6 wurden häufige (englische) Buchstabenfolgen, das w und eine weitere Buchstabenkombinationen aufgenommen:
Das Wort »about« kann in Grade 2 also verkürzt so geschrieben werden:
Im nächsten Schritt wurden weitere Codezeichen eingeführt, die allerdings eine gewisse Gefahr der Mehrdeutigkeit mit sich bringen. Dabei werden die Codes für die Buchstaben a bis j ein Rasterfeld nach unten verschoben, sodass sie die Punkte 2, 3, 5 und 6 nutzen. An dieser Position stehen sie je nach Kontext für Satzzeichen oder Buchstabenkombinationen:
Die ersten vier Codes stehen für Komma, Semikolon, Doppelpunkt und Punkt. Für die öffnende und schließende Klammer wird derselbe Code verwendet, für das öffnende und schließende Anführungszeichen gibt es jeweils einen eigenen Code. Da diese Codes leicht mit denen für die Buchstaben a bis j verwechselt werden können, sind sie in erster Linie in längeren Texten nützlich.
Haben Sie mitgezählt? Nun sind 51 der 64 Codezeichen belegt. Die nächsten sechs Codes kombinieren bisher ungenutzte Zusammenstellungen der Punkte 3, 4, 5 und 6 für weitere Buchstabenkombinationen und Satzzeichen:
Der Code für »ble« ist besonders wichtig, denn wenn er nicht Teil eines Worts ist, kennzeichnet er den Beginn einer Ziffernfolge. Für die Ziffern werden dieselben Zeichen wie für die Buchstaben a bis j verwendet:
Die Codeabfolge
steht also für die Zahl 256.
Damit wären noch sieben von 64 Codes frei. Es sind diese:
Der erste Code (Punkt 4 ist erhaben) dient als Akzenthinweis. Die anderen sind Präfixe für bestimmte Buchstabenkombinationen sowie für weitere Zwecke gedacht: Wenn die Punkte 4 und 6 erhaben sind (fünfter Code in der Reihe), handelt es sich je nach Kontext um ein Dezimalkomma oder ein Betonungszeichen. Sind die Punkte 5 und 6 erhaben (sechster Code), ist dies der Hinweis, dass eine Zahl endet und wieder Buchstaben verwendet werden.
Wenn Sie in Braille-Schrift anzeigen möchten, dass ein Großbuchstabe folgt, verwenden Sie dafür einen erhabenen Punkt 6. Er ist quasi der Code für die Umschalttaste. Der Name des ursprünglichen Erfinders des Systems sieht also so aus:
Am Anfang der Sequenz steht der Code für einen Großbuchstaben, gefolgt vom Buchstaben l, dann die Buchstabenkombination ou, die Buchstaben i und s, ein Leerraum, wieder der Code für einen Großbuchstaben gefolgt von den Buchstaben b, r, a, i, l, l und e. (In der Praxis wird der Name oft durch Weglassen der nicht ausgesprochenen letzten beiden Buchstaben verkürzt oder gar nur als »brl« geschrieben.)
Sie haben in diesem Kapitel gesehen, wie mit sechs binären Elementen (den Punkten) maximal 64 Codes dargestellt werden können. Der Raum darstellbarer Zeichen wird erweitert, indem viele Codes je nach Kontext eine von zwei Bedeutungen haben. Dabei sind besonders die Codes für Beginn und Ende einer Ziffernfolge wichtig. Diese beiden Codes verändern die Bedeutung der darauffolgenden Codes. Sie schalten von Buchstaben zu Ziffern um und wieder zurück. Sie werden daher als Umschaltcodes oder Shift-Codes bezeichnet. Sie verändern die Bedeutung aller nachfolgenden Codezeichen und werden erst durch eine weitere Umschaltung aufgehoben.
Ein Umschaltcode ähnelt damit dem Gedrückthalten der Umschalttaste auf einer Computertastatur. Diese Taste verdankt ihre Bezeichnung der Tatsache, dass bei alten Schreibmaschinen damit der Mechanismus angehoben wurde, damit Großbuchstaben getippt werden konnten.
Das Braille-Zeichen für den Großbuchstaben ist allerdings kein Umschaltcode, denn es gibt an, dass nur der direkt folgende Buchstabe ein Großbuchstabe sein soll. Die korrekte Bezeichnung für einen solchen Code lautet Escape-Code.Mit Escape-Codes können Sie die normale Bedeutung eines Codes vorübergehend verlassen (aus ihr ausbrechen, englisch: to escape), um das entsprechende Code-Zeichen anders auszuwerten. Umschaltcodes und Escape-Codes werden bei der Darstellung geschriebener Sprache in einem binären Code häufig verwendet, führen aber zu der Problematik, dass einzelne Zeichen nicht interpretiert werden können, ohne die vorhergehenden Codes zu kennen.
Bereits 1855 begannen einige Fürsprecher der Braille-Schrift, das System um eine weitere Zeile, also zwei zusätzliche Punkte, zu ergänzen. Dieses 8-Punkt-Braille, Computer-Braille oder Euro-Braille genannte System wird für spezielle Zwecke wie Musik, Stenografie oder japanische Kanji-Schriftzeichen verwendet. Es ermöglicht 28 oder 256 eindeutige Codes und ist somit auch für Computeranwendungen geeignet. Mit dieser Zeichenmenge lassen sich Klein- und Großbuchstaben, Ziffern und Satzzeichen mit eigenen Codes darstellen – ganz ohne Umschalt- und Escape-Codes.
Kapitel 4: Aufbau einer Taschenlampe
Taschenlampen sind für vielerlei Dinge nützlich, vor allem natürlich zum Lesen unter der Bettdecke und zum Übermitteln codierter Nachrichten. Eine weitere Aufgabe, bei der Taschenlampen großartige Dienste leisten, ist die Wissensvermittlung beim Thema Elektrizität.
Elektrizität ist allgegenwärtig und vielleicht gerade deshalb ein faszinierendes Phänomen. Sie ist überaus hilfreich – und gleichzeitig geheimnisvoll. Das bestätigen sogar Menschen, die vorgeben zu wissen, wie sie funktioniert. Sobald Sie ein paar grundlegende Konzepte kennen, können Sie nachvollziehen, wie Elektrizität in Computern genutzt wird.
In praktisch jedem Haushalt gibt es eine Taschenlampe. Sie gehört zu den recht einfach aufgebauten elektrischen Geräten. Wenn Sie eine normale Taschenlampe in ihre Einzelteile zerlegen, ist die Anzahl der Komponenten überschaubar: Es gibt eine oder mehrere Batterien, eine Glühbirne, einen Schalter, ein paar Objekte aus Metall und ein Gehäuse, in dem alle anderen Teile montiert sind.
Heutzutage kommen in den meisten Taschenlampen Leuchtdioden (kurz: LEDs) anstelle der früher verbreiteten Glühbirnen zum Einsatz. Der Vorteil einer Glühbirne ist jedoch ihre Transparenz.
Glühbirnen werden auch als Lampenkolben, Glühlampe oder allgemein als Leuchtmittel bezeichnet. Die meisten Amerikaner sind der Meinung, sie sei von Thomas Edison erfunden worden, und die Briten halten dagegen, es sei Joseph Swan gewesen. Tatsache ist, dass viele kreative Köpfe und Personen aus der Wissenschaft die Grundlage für die Arbeit von Edison und Swan gelegt haben.
Der Faden in der Birne besteht aus Wolfram und glüht, wenn Strom hindurchfließt. Der Lampenkolben ist mit einem Edelgas gefüllt. Dadurch wird verhindert, dass das Wolfram verbrennt, wenn es heiß wird. Die beiden Enden des Fadens sind mit dünnen Drähten verbunden, die an der rohrförmigen Basis und der Spitze unten befestigt sind.
Eine ganz einfache »Taschenlampe« besteht aus der Glühbirne und den Batterien, die mit ein paar kurzen ummantelten und an den Enden abisolierten Drahtstücken verbunden sind. Außerdem benötigen Sie noch ein Gehäuse, um alles an Ort und Stelle zu halten.
Achten Sie rechts in der Abbildung auf die Drahtenden. Sie berühren einander nicht. Diese Lücke ist unser Schalter. Wenn die Batterien über eine ausreichende Ladung verfügen und die Birne nicht durchgebrannt ist, reicht es, die Drahtenden aneinanderzuhalten, damit der Glühfaden leuchtet.
Glückwunsch! Sie haben soeben einen einfachen Schaltkreis oder Stromkreis aufgebaut. Der Name kommt nicht von ungefähr, denn ein Schaltkreis bildet einen Kreis. Die Glühbirne leuchtet nur dann, wenn der Pfad von den Batterien durch den Draht und die Glühbirne über den Schalter und zurück zu den Batterien geschlossen (oder durchgängig) ist. Jede Unterbrechung in diesem Kreislauf führt dazu, dass die Birne erlischt. Mit einem Schalter lässt sich dieser Umstand nutzen, um den Stromkreis bei Bedarf zu unterbrechen.
Der kreisförmige Aufbau eines Stromkreises deutet darauf hin, dass sich etwas in diesem Kreislauf bewegt, analog zu Wasser, das durch eine Rohrleitung fließt. Diese Analogie wird in Erklärungen zur Funktionsweise der Elektrizität gern verwendet. Doch wie alle Analogien hat sie ihre Grenzen. Elektrizität ist anders als alle anderen Phänomene im Universum. Darum gibt es auch Fachbegriffe, um sie zu beschreiben.
Ein Ansatz zum Verständnis der Elektrizität ist die Elektronentheorie. Sie erklärt Elektrizität als Bewegung von Elektronen.
Die Gesamtheit der Materie um uns herum (also alles, was Sie sehen und größtenteils auch anfassen können), besteht aus enorm kleinen Bausteinen, den Atomen. Jedes Atom wiederum setzt sich aus drei verschiedenen Teilchen zusammen, die Neutronen, Protonen und Elektronen genannt werden. Manchmal wird ein Atom als kleines Sonnensystem dargestellt, bei dem die Neutronen und Protonen in einen Kern eingeschlossen sind, um den die Elektronen wie Planeten um eine Sonne kreisen. Dieses Modell ist allerdings veraltet.
Normalerweise enthält ein Atom exakt dieselbe Anzahl Elektronen und Protonen. Doch unter bestimmten Umständen können Elektronen aus dem Atom herausgelöst werden. Dabei entsteht Elektrizität.
Die Bezeichnungen Elektron und Elektrizität gehen auf das altgriechische Wort ἤλεκτρον (elektron) zurück, das im modernen Griechisch »Bernstein« bedeutet – der glasähnliche, verhärtete Baumsaft. Das liegt daran, dass die alten Griechen Wolle über Bernstein rieben. Dabei entstand das, was wir heute als statische Elektrizität (oder Reibungselektrizität oder einfach elektrostatische Aufladung) bezeichnen. Werden Wolle und Bernstein aneinandergerieben, »entzieht« die Wolle dem Bernstein Elektronen. Damit enthält die Wolle mehr Elektronen als Protonen, und der Bernstein enthält weniger Elektronen als Protonen. Sie kennen das aus dem Alltag, wenn der Teppich Elektronen aus den Schuhsohlen stiehlt.
Protonen und Elektronen verfügen über eine Ladung genannte Eigenschaft. Dabei sind Protonen positiv (+) geladen, Elektronen dagegen negativ (–). Obacht! Diese Zeichen stehen nicht für Plus und Minus im rechnerischen Sinn. Sie bedeuten auch nicht, dass Protonen etwas enthalten, das in Elektronen nicht vorkommt. Die Zeichen + und – geben einfach nur an, dass Protonen und Elektronen ein Gegensatzpaar bilden. Diese gegensätzlichen Eigenschaften zeigen sich im Verhältnis von Protonen und Elektronen zueinander.
Protonen und Elektronen sind nämlich dann besonders glücklich und stabil, wenn sie in gleicher Anzahl beisammen sind. Gibt es mehr Protonen als Elektronen (oder umgekehrt), liegt ein Ungleichgewicht vor, das zur Eigenkorrektur neigt. Diese Korrektur spüren Sie am eigenen Leib, nachdem beim Laufen über einen Teppich Elektronen aus den Schuhsohlen in den Teppich gewandert sind. Irgendwann berühren Sie einen anderen Gegenstand und spüren einen Funken. Dieser Funke aus statischer Elektrizität besteht aus den Elektronen, die auf Umwegen aus dem Teppich durch Ihren Körper zurück in die Schuhe gelangen.
Statische Elektrizität ist jedoch nicht auf kleine Funken zwischen Fingern und Türgriffen beschränkt. Bei einem Sturm sammeln sich Elektronen an der Unterseite der Wolken. An der Oberseite dagegen fließen Elektronen ab. Irgendwann entlädt sich dieses Ungleichgewicht in einem Blitz. Ein Blitz besteht aus sehr vielen Elektronen, die sich sehr schnell von einem Ort zu einem anderen bewegen.
Zum Glück fließt die Elektrizität im Stromkreis der Taschenlampe sehr viel zahmer als bei einer statischen Entladung oder einem Blitz. Das Licht brennt gleichmäßig und dauerhaft, weil die Elektronen nicht wild hin- und herspringen. Sobald ein Atom im Stromkreis ein Elektron an ein anderes Atom in der Nähe verliert, schnappt es sich einfach ein neues Elektron von einem anderen benachbarten Atom, das ebenso verfährt. Jedes Atom bedient sich also beim Nachbarn. Dieses Durchreichen der Elektronen von Atom zu Atom ist Elektrizität.
Doch das ist nicht alles. Sie können nicht einfach ein paar Komponenten zusammenstöpseln und so Elektrizität erzeugen. Sie müssen die Bewegung der Elektronen im Stromkreis irgendwie in Gang setzen. Anhand der Abbildung einer einfachen Taschenlampe wird schnell klar, dass weder die Drähte noch die Glühbirne Ausgangspunkt für die Elektrizität sind. Damit bleiben die Batterien.
Die Batterien in einer Taschenlampe sind meist zylinderförmig. Je nach Durchmesser wird zwischen unterschiedlichen Typen unterschieden: D, C, A, AA, oder AAA. Das flache Ende der Batterie ist mit einem Minuszeichen (–) markiert, das andere Ende mit der kleinen Vorwölbung mit einem Pluszeichen (+).
Elektrizität wird in Batterien durch eine chemische Reaktion erzeugt. Die Chemikalien in einer Batterie sind so gewählt, dass die Reaktionen zwischen diesen Stoffen dazu führen, dass überschüssige Elektronen auf der mit dem Minuszeichen markierten Seite (dem Minuspol, auch Anode genannt) entstehen und an der anderen Seite (dem Pluspol, auch Kathode genannt) ein Elektronenmangel herrscht. Auf diese Weise wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Die üblicherweise in Taschenlampen verwendeten Batterien erzeugen etwa 1,5 Volt an Elektrizität. Ich erkläre gleich, was das bedeutet.
Die chemische Reaktion kann nur weitergehen, wenn die überschüssigen Elektronen am Minuspol der Batterie abfließen und zum Pluspol der Batterie geführt werden können. Das geschieht, wenn ein Stromkreis die beiden Pole miteinander verbindet. Die Elektronen fließen gegen den Uhrzeigersinn durch diesen Stromkreis:
Damit die Elektronen aus den Chemikalien in der Batterie überhaupt mit den Elektronen in den Kupferdrähten arbeiten können, gibt es eine Grundvoraussetzung: Alle Elektronen – wo auch immer sie sind – sind gleich. Ein Kupferelektron weist keinerlei Unterschied zu einem beliebigen anderen Elektron auf.
Sie haben natürlich bemerkt, dass beide Batterien gleich ausgerichtet sind. Das positive Ende der unteren Batterie bezieht die Elektronen vom negativen Ende der oberen Batterie. Praktisch bilden die beiden Einzelbatterien eine größere Batterie, die an einem Ende über einen Pluspol und am anderen Ende über einen Minuspol verfügt. Diese kombinierte Batterie besitzt eine Spannung von 3 Volt statt der 1,5 Volt der Einzelbatterien.
Sobald Sie eine der Batterien umdrehen, funktioniert der Stromkreis nicht mehr:
Die beiden positiven Enden der Batterien benötigen Elektronen für die chemischen Reaktionen, aber in dieser Ausrichtung berühren diese Enden einander, sodass kein Elektronenfluss möglich ist. Erst, wenn auch die beiden negativen Enden miteinander verbunden werden, funktioniert es wieder:
Die Birne leuchtet. Bei dieser Schaltung spricht man davon, dass die Batterien parallel geschaltet sind und nicht mehr in Reihe wie zuvor. Die kombinierte Spannung beträgt 1,5 Volt, entspricht also der Spannung einer einzelnen Batterie. Daher leuchtet die Glühbirne auch schwächer als bei der Reihenschaltung. Dieser Nachteil wird durch die längere Leuchtdauer ausgeglichen: Parallel geschaltet liefern die Batterien doppelt so lange Strom.
Vermutlich haben Sie bisher gedacht, dass eine Batterie einen Stromkreis mit Elektrizität versorgt. Tatsächlich ist es eher so, dass der Stromkreis die chemischen Reaktionen in der Batterie ermöglicht. Der Stromkreis nimmt Elektronen am negativen Ende der Batterie auf und leitet sie zum positiven Ende der Batterie. Die Reaktionen in der Batterie laufen weiter, bis alle Chemikalien verbraucht sind. Anschließend müssen Sie die Batterie entsorgen. Falls Sie stattdessen Akkus verwendet haben, müssen diese jetzt aufgeladen werden.
Die Elektronen fließen durch die Drähte und die Glühbirne vom negativen zum positiven Batterieende. Aber wieso werden überhaupt Drähte benötigt? Kann die Elektrizität nicht einfach durch die Luft fließen? Im Prinzip ja. Speziell in feuchter Luft kann Elektrizität fließen. Gewitterblitze zeigen das sehr deutlich. Aber Luft ist kein gutes Medium für den Fluss der Elektrizität.
Bestimmte Substanzen sind deutlich besser als Überträger von Elektrizität geeignet. Das liegt in ihrer subatomaren Struktur begründet. Die Elektronen umgeben den Kern in unterschiedlichen Abständen auf sogenannten Schalen. Ein Atom, das nur über ein Elektron auf der äußeren Schale verfügt, kann dieses bereitwillig abgeben – die Voraussetzung für Elektrizität. Elemente oder Stoffe, die das Weitergeben von Elektrizität begünstigen, werden als Leiter bezeichnet. Die besten Leiter sind Kupfer, Silber und Gold. Es ist kein Zufall, dass diese drei Elemente in derselben Spalte des Periodensystems zu finden sind. Kupfer wird am häufigsten für die Herstellung von Drähten verwendet.
Das Gegenteil der Leitfähigkeit wird als Widerstand bezeichnet. Einige Stoffe erschweren den Fluss der Elektrizität und werden daher als Widerstände bezeichnet. Stoffe mit einem sehr hohen Widerstand, die so gut wie keine Elektrizität leiten, werden Isolator genannt. Gummi und Kunststoff sind gute Isolatoren. Darum werden sie häufig als Mantel für Drähte und Kabel verwendet. Textilien, Holz und trockene Luft sind ebenfalls gute Isolatoren. Allerdings wird nahezu jeder Stoff zum Leiter, wenn die Spannung hoch genug ist.
Kupfer weist einen sehr geringen Widerstand auf, doch etwas Widerstand ist auch hier vorhanden. Je länger ein Draht ist, desto höher ist sein Widerstand. Wenn Sie in Ihrer Taschenlampe einen Draht verwenden, der mehrere Kilometer lang ist, wird der Widerstand des Drahts so hoch, dass die Lampe nicht mehr funktioniert.
Je dicker ein Draht ist, desto niedriger ist sein Widerstand. Das klingt nicht einleuchtend. Würde ein besonders dicker Draht nicht besonders viel Elektrizität benötigen, um ihn zu füllen? Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: Bei einem hohen Drahtdurchmesser können sehr viel mehr Elektronen durch den Draht bewegt werden.
Ich bin Ihnen noch eine Erklärung zur Spannung schuldig. Was bedeutet es, wenn eine Batterie 1,5 Volt hat? Die Spannung, benannt nach Graf Alessandro Volta (1745–1827), der 1800 die erste Batterie erfunden hat, gehört zu den komplexeren Konzepten der grundlegenden Elektrizität. Die Spannung bezeichnet das Potenzial, Arbeit zu verrichten. Die Spannung existiert auch dann, wenn nichts mit der Batterie verbunden ist.
Betrachten Sie als Beispiel einen Ziegelstein. Wenn er vor Ihnen auf der Erde liegt, hat er kaum Potenzial. Wenn Sie ihn aber aufheben oder einen guten Meter über dem Boden halten, hat er mehr Potenzial. Sie können dieses Potenzial entfesseln, indem Sie den Ziegelstein fallen lassen. Wenn Sie ihn mit aufs Dach eines hohen Gebäudes nehmen, hat er sehr viel mehr Potenzial. In allen drei Fällen halten Sie den Ziegelstein in der Hand. Der Stein ist also nicht aktiv. Doch das Potenzial ändert sich je nach Umstand.
Ein weiteres Konzept in der Elektrizität, das zum Glück einfacher zu verstehen ist, ist der Strom. Der Strom informiert darüber, wie viele Elektronen in einem Stromkreis fließen. Elektrischer Strom wird in Ampere gemessen. Die Einheit wurde benannt nach André-Marie Ampère (1775–1836) und wird manchmal mit Amp abgekürzt (z.B. 10-Amp-Sicherung). Für ein Ampere Strom müssen über 6 Trillionen Elektronen pro Sekunde an einem bestimmten Punkt vorbeifließen. Das ist eine 6 mit 18 Nullen oder 6 Milliarden Milliarden.
Hier hilft die Analogie vom Wasser in den Leitungen: Der Strom ähnelt der Menge an Wasser, das durch eine Leitung strömt. Die Spannung ähnelt dem Wasserdruck. Der Widerstand ähnelt dem Leitungsdurchmesser – je geringer der Durchmesser, desto größer der Widerstand. Je höher der Wasserdruck ist, desto mehr Wasser strömt durch die Leitung. Je dünner die Leitung ist, desto weniger Wasser kann hindurchfließen. Die Menge des Wassers, das durch eine Leitung strömt (der elektrische Strom), ist direkt proportional zum Wasserdruck (die Spannung) und umgekehrt proportional zum Leitungsdurchmesser (der Widerstand).
In der Elektrizität können Sie den Strom in einem Stromkreis berechnen, wenn Sie die Spannung und den Widerstand kennen. Der Widerstand, also die Tendenz eines Stoffs, dem Elektronenfluss entgegenzuwirken, wird in Ohm gemessen, benannt nach Georg Simon Ohm (1789–1854), von dem auch das berühmte ohmsche Gesetz stammt. Es lautet:
Dabei steht I für den Strom in Ampere, U für die Spannung und R für den Widerstand.
Nehmen Sie eine Batterie, die einfach so herumliegt:
Die Spannung U beträgt 1,5 Volt. Das ist das Potenzial für die Arbeit. Doch Plus- und Minuspol sind nur über die Luft miteinander verbunden. Der Widerstand ist sehr, sehr hoch, sodass der Strom I der Quotient aus 1,5 Volt und einer sehr großen Zahl ist. Das Ergebnis der Berechnung ist ungefähr null.
Wenn Sie nun den Plus- und Minuspol über einen kurzen Kupferdraht miteinander verbinden, sieht das so aus (ab dieser Stelle verzichte ich auf die Darstellung des Mantels):
Diese Schaltung wird als Kurzschluss bezeichnet. Die Spannung beträgt noch immer 1,5 Volt, allerdings ist der Widerstand nun sehr gering. Also ist der Strom der Quotient aus 1,5 Volt und einer sehr kleinen Zahl und somit sehr groß. Unglaublich viele Elektronen fließen durch den Draht. In der Praxis begrenzt die physische Größe der Batterie den tatsächlichen Strom. Daher kann nur ein gewisser Strom geliefert werden, bevor die Spannung unter 1,5 Volt fällt. Hätten Sie jedoch eine hinreichend große Batterie, würde der Draht heiß werden. Das liegt daran, dass elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Irgendwann wird der Draht so heiß, dass er zu glühen beginnt und vielleicht sogar schmilzt.
Die meisten Stromkreise werden irgendwo zwischen diesen beiden Extremen betrieben. Das lässt sich so darstellen:
Die gezackte Linie ist für Elektroingenieure das Zeichen, dass ein Widerstand vorliegt. In der Abbildung ist der Widerstand im Stromkreis weder besonders niedrig noch besonders hoch.
Ein Draht mit einem niedrigen Widerstandswert kann sich erwärmen und glühen. So funktioniert der Glühfaden in der Glühbirne.
Der Glühfaden bei typischen Taschenlampenbirnen hat einen Widerstand von etwa 4 Ohm. Wenn in einer Taschenlampe zwei Batterien in Reihe verbunden sind, beträgt der Strom 3 Volt geteilt durch 4 Ohm und somit 0,75 Ampere oder 750 Milliampere. Es fließen also mehr als 4,5 Trillionen Elektronen pro Sekunde durch die Glühbirne. Der Widerstand des Fadens wandelt die elektrische Energie in Licht und Wärme um.
Eine weitere Größe, der Sie in der Elektrizität häufig begegnen, ist das Watt (nach James Watt, 1736–1819). Derselbe Herr Watt ist auch für seine Arbeit auf dem Gebiet der Dampfmaschine bekannt. Die Einheit Watt steht für die Leistung (P von Power) und wird wie folgt berechnet:
Aus den 3 Volt und 0,75 Ampere bei der Taschenlampe können Sie also darauf schließen, dass es sich um eine Glühbirne mit 2,25 Watt Leistung handelt. LEDs verdrängen Glühbirnen vor allem deshalb, weil sie dieselbe Lichtausbeute bei weniger Hitze und geringerer Leistung bieten. Ihr Stromanbieter rechnet normalerweise nach Watt ab. Wenn Sie also Glühbirnen mit einer niedrigeren Watt-Leistung verwenden, sparen Sie Geld und schützen die Umwelt.
Damit haben Sie fast jede Komponente der einfachen Taschenlampe näher betrachtet: Batterien, Drähte und Glühbirne. Doch der wichtigste Bestandteil fehlt noch.
Es handelt sich um den Schalter. Mit dem Schalter bestimmen Sie, ob Strom fließt oder nicht. Wenn der Schalter den Fluss der Elektrizität zulässt, ist er eingeschaltet oder auch geschlossen. Ein ausgeschalteter oder geöffneter Schalter lässt keine Elektrizität fließen. (Die Begriffe geschlossen und geöffnet haben bei Schaltern also genau die umgekehrte Bedeutung wie bei einer Tür. Bei einer geschlossenen Tür kann niemand hindurchgehen, während der geschlossene Schalter den Stromfluss zulässt.)
Schalter sind entweder geschlossen oder geöffnet. Entweder der Strom fließt oder nicht. Entweder leuchtet die Glühbirne oder nicht.
Wie die von Morse und Braille erfundenen binären Codes ist diese einfache Taschenlampe entweder an oder aus. Eine andere Möglichkeit gibt es nicht. Diese Ähnlichkeit zwischen binären Codes und einfachen Stromkreisen bildet die Grundlage für die nächsten Kapitel.
Kapitel 5: Um die Ecke kommunizieren
Sie sind 12 Jahre alt. Es ist ein schrecklicher Tag, denn die Familie Ihrer besten Freundin ist in eine andere Stadt gezogen. Natürlich schreiben Sie einander E-Mails oder SMS, aber das fühlt sich so ... gewöhnlich an. Die Aufregung und Spannung der nächtlichen Morse-Unterhaltungen mit der Taschenlampe fehlen. Zum Glück wohnt Ihr zweitbester Freund gleich nebenan. Und es kommt, wie erwartet: Mit der Zeit wird der zweitbeste zum besten Freund. Natürlich bringen Sie ihm die Morse-Zeichen bei und möchten die nächtlichen Taschenlampenunterhaltungen wieder starten.
