Programmier-Terminologie: Bit
Im Zeitalter der Computer und in der Computer Programmierung basiert alles auf Bits und Bytes. Aber was bedeutet das eigentlich und was genau ist ein Bit?
Binärsystem
Zu dem Zeitpunkt, als Menschen zum ersten Mal darüber nachdachten Maschinen zu bauen, die mathematische Berechnungen durchführen können, versuchte man, das gleiche numerische System dafür zu nutzen, das auch wir Menschen nutzen: das Dezimalsystem.
Mit den zehn möglichen Werten (von Null bis Neun) für jede Stelle einer Nummer, und einem einfachen, stellengebundenen System für die Berechnung der Werte (von rechts nach links in 10er-Potenzen aufsteigend), ist das Dezimalsystem für die meisten Menschen einfach zu begreifen. Wir können dabei auch unsere Hände benutzen, um Werte einfach zählen zu können.
Es stellte sich allerdings heraus, das eine technische Umsetzung dieses Systems und den zugehörigen Rechenoperationen für das Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren und Dividieren sehr schwierig und komplex ist. Mit den damals verfügbaren technischen Mitteln ließen sich lediglich einzelne Operationen mechanisch umsetzen, aber nicht alle in einer einzigen Maschine.
Glücklicherweise fanden andere Leute eine Lösung: anstelle des Dezimalsystems begannen sie das Binärsystem zu nutzen. Das Binärsystem kennt pro Stelle einer Zahl nur zwei verschiedene Werte - Null und Eins. Diese binären Werte können in dezimale Werte umgerechnet werden, ebenso wie Dezimalwerte in Binärwerte.
Bei der Verwendung von Binärzahlen muss ein technisches Rechensystem bei den einzelnen Stellen zudem nur zwei verschiedene Zustände voneinander unterscheiden können, um damit Zahlen lesen und verarbeiten zu können.
Technische Implementierung
Mit dem Aufkommen der Versorgung mit elektrischem Strom und den zugehörigen elektrischen Komponenten und Schaltungen wurde es einfach, in Maschinen binäre Werte direkt zu verarbeiten. Im Lauf der Zeit hat sich dabei ein Standard herausgebildet: wenn eine Stromleitung (oder eine stromspeichernde elektrische Komponente wie etwa ein Kondensator) keinen Strom führt (d.h. wenn sie eine Spannung von Null Volt hat), wird dies mit dem Binärwert Null gleichgesetzt. Liegt an der gleichen Leitung oder Komponente eine Spannung von mehr als einem Volt an, ist der binäre Wert gleich Eins.
In modernen Computern und elektronischen Schaltungen wird meist eine Spannung von 5 Volt (z.B. bei PCs) oder 3,3 Volt (Notebooks u.ä.) für den binären Wert "Eins" verwendet. Bei manchen Systemen, insbesondere bei mobilen Sytemen die möglichst wenig Energie verbrauchen sollen, werden auch andere Spannungswerte verwendet. Allerdings ist in jedem Fall ein deutlicher, messbarer Unterschied zwischen den Spannungsniveaus für die beiden binären Werte vorhanden, der in den elektronischen Schaltungen genutzt werden kann.
Ein nützlicher Seiteneffekt dieser Art der technischen Umsetzung besteht darin, dass die binären Werte direkt für die Steuerung von verschiedenen Teilen elektronischer Schaltkreise verwendet werden können, etwa indem sie über die anliegende Spannung Komponenten ein- oder ausschalten. Es lassen sich auf diese Weise also nicht nur Informationen in der Form von Binärzahlen speichern, sondern auch verarbeiten.
Aktuell arbeiten Forscher und Ingenieure auch an anderen technischen Implementierungen der gleichen grundlegenden binären Prinzipien. Einige arbeiten an Komponenten, die anstelle von elektrischem Strom Lichtimpulse zusammen mit optischen Elementen verwenden, um binäre Werte darstellen und verarbeiten zu können. Andere versuchen, die gleichen Funktionen mit Hilfe spezieller, chemisch erzeugter Moleküle und daraus aufgebauten logischen Komponenten zu realisieren.
Alle diese alternativen technischen Ansätze verwenden jedoch weiterhin das Binärsystem als Grundlage, und damit auch Bits.
Das Bit
Damit kommen wir endlich zum Bit selbst. Bei einem Bit handelt es sich um einen einzelnen binären Wert von Eins oder Null, der in einem (elektronischen) Speicher oder einer Schaltung an einer spezifischen Stelle gespeichert ist oder verarbeitet wird.
Durch Verwendung einer aufeinanderfolgenden Reihe von einzelnen Bits lassen sich beliebige numerische Werte speichern oder verarbeiten.
Dabei wird eine Gruppe von acht aufeinanderfolgenden Bits ein Byte genannt.
Als Computer und integrierte Schaltkreise, die auf dem Binärsystem basieren, im zwanzigsten Jahrhundert entwickelt wurden, entwickelten sich nach einiger Zeit 8-Bit CPUs (Recheneinheiten) zu einem ersten Standard. In einer 8-Bit CPU kann die zentrale Recheneinheit jeweils 8 Bits mit ihren aktuellen binären Werten jeweils auf einmal (in einem Rechenzyklus) einlesen, schreiben oder verarbeiten. Innerhalb der CPU können dabei die Register für die Zwischenspeicherung von Werten und die damit verbundenen logischen Schaltungen auch mehr als 8 Bit auf einmal verarbeiten, da bei manchen Berechnungen wie etwa der Addition hoher Werte oder der Multiplikation Ergebnisse entstehen können, für die 8 Bit nicht mehr ausreichen.
Heutzutage können die meisten Standard-CPUs 32- oder 64-Bit Werte in den einzelnen Rechenschritten auf einmal verarbeiten, und künftige Recheneinheiten werden vermutlich noch größere Werte verarbeiten können. Aber auch diese CPUs verfügen über die Möglichkeit, einzelne Bits innerhalb von Bytes etc. zu lesen, zu schreiben oder sie auf verschiedenste Weise zu bearbeiten. Auch sehr große Werte im Bereich von Mega-, Giga- oder Terabytes bestehen letztendlich aus einer Abfolge einzelner Bits.
Daher ist das Bit die kleinste und grundlegenste Informations- bzw. Wert-Einheit in technischen Systemen, die mit dem Binärsystem arbeiten.