Grundlagen der Informatik

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1 Bits & Bytes Schriften und Typografie in Anwendungsprogrammen Dateiformate /1

2 Bits & Bytes /2

3 /3

4 LVZ /4

5 Daten in Computern Daten in Computern und auf Datenträgern werden in kleinsten Informationseinheiten gespeichert, ausgelesen bzw. übertragen. Man spricht von digitalen Daten. Diese Informationseinheiten summieren sich inzwischen auf jedem Computer zu großen Datenmassen, die in kurzen Zeiträumen immer wieder umgeschlagen/verändert werden. Welche Dateneinheiten sind im Gebrauch? Was ist das Speicherprinzip? /5

6 Das Grundprinzip 1 Stromimpuls -> 1 Information 1 Information = 1 Bit ( binary digit ) Spannung/Magnetisierung vorhanden: an = 1 = ja = wahr Keine Spannung/Magnetisierung vorhanden: aus = 0 = nein = falsch Aneinanderreihung von Zuständen 0 oder 1 Duales oder binäres System von Zahlen (s. Leibniz) /6

7 Das Grundprinzip Im Computer werden Daten über Bussysteme und Kabel mit einer gewissen Bandbreite verteilt. Ein Bit kommt selten allein, meist mindestens vier bzw. acht zugleich. Deshalb hat man die Grundeinheit Byte erfunden, was einer 8-Bit-Information mit einer eindeutigen Speicheradresse entspricht. 1 Byte = 8 Bit. Zugleich mit der Information selbst muss also immer die Information über die Speicheradressen im Paar übertragen werden /7

8 Daten- und Adressleitungen Sinnbildlich: /8

9 bit-byte-mb/datenmenge- -filegroesse-speicherplatz.htm Größere Datenmengen... 1 KB = 8192 Bit = 2 10 Byte = 2 13 Bit 1 MB = 1024 KB = 2 20 Byte = B 1 GB = 1024 MB = 2 30 Byte = B 1 TB = 1024 GB = 2 40 Byte = B 1 PB = 1024 TB = 2 50 Byte = (rechnen Sie selbst) Verbal: Kilobyte, Megabyte, Gigabyte, Terrabyte, Pentabyte. Großbuchstaben = Faktor 1024, Kleinb. = F Wie viel ist das eigentlich real??? /9

10 Datenübertragung /faq-datenuebertragung-und-dateigroessen dateigroessen html z.b. 56k Modem > 56kbit/s bzw. 56kbps = bit pro Sekunde (bit/s, bps) = 7 kbyte/s z.b. DSL (hier T-DSL ) > 16Mbit/s bzw mbps im Download = bit pro Sekunde (bit/s, bps) = 2 MByte/s (Upload: > 1Mbit/s = bit/s = 0,125 MByte/s) z.b. LAN (hier 100 Base-TX) > 100mbit/s bzw. 100mbps = bit pro Sekunde (bit/s, bps) = 11,9 MByte/s Bits & Bytes, Schriften /10

11 Datenumwandlung Precht 1996, S. 14 Bits & Bytes, Schriften /11

12 Beispiele 1 Buchstabe = 1 Byte (normalerweise) 1 Textseite (*.txt) = 1 KB (ungefähr) 1 Textseite (*.doc) = 4 KB (ungefähr) 1 Foto 10x15 (*.jpg) = 100KB (ungefähr) 1 Diskette = 1,44 MB 1 CD = MB (nach Bauart) 1 Festplatte = 80 GB - 2 TB (2010) 20 Videofilme = 1 TB 1 Bibliothek = 1 TB und mehr /12

13 Informationsmengen Wie viele Informationen kann man mit wie viel Bits darstellen? 1 Bit 0 2 Bit Informationen 2^ Informationen 2^2 3 Bit Informationen 2^3 4 Bit Informationen 2^4 5 Bit Informationen 2^5 6 Bit Informationen 2^6 7 Bit Informationen 2^7 8 Bit Informationen 2^8 9 Bit 512 Informationen 2^9 10 Bit 1024 Informationen 2^ /13

14 Zahlensysteme Binärsystem: Basis 2 Dezimalsystem: Basis 10 Hexadezimalsystem: Basis 16 (Ziffern: A-F) /14

15 Umwandlung: Dezimal Dual Den Dezimalwert durch 2 (Basis des Binärsystems) dividieren und den Rest der Reihe nach von rechts nach links notieren: 65:2 = 32 Rest 1 32:2 = 16 Rest 0 16:2 = 8 Rest 0 8:2 = 4 Rest 0 4:2 = 2 Rest 0 2:2 = 1 Rest 0 1:2 = 0 Rest 1 ergibt: Das Ganze wird ggf. bis auf 8 Zeichen mit führenden Nullen aufgefüllt und in Viererblöcke geordnet /15

16 Strichcodes, Bar Codes Wenige (!) der vielen Arten Strichcodes beruhen auf der Kodierung von Zahlen und Buchstaben in Binärcodes: z.b. schwarz = 1, weiß = /16

17 Dezimal Hexadezimal Den Dezimalwert durch 16 (Basis des Hexadezimalsystems) dividieren und den Rest der Reihe nach von rechts nach links notieren: 65:16 = 4 Rest 1 4:16 = 0 Rest 4 ergibt: 41 Ein Anwendungsbeispiel für den Hexadezimalwert: Die Codierung der Farben für das Internet. #FF0000, #00FF00, #0000FF, #000000, #FFFFFF (nach dem Rot-Grün-Blau-Modell) /17

18 Der Hardcore-Programmierer denkt und arbeitet streng digital! /18

19 Darstellung von Schrift /19

20 Der ASCII-Code Der ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange) entstand als Code für Fernschreiber. Seit 1963 bis heute ist er Grundlage der Kodierung von Standardzeichen in Personalcomputern. Es ist ein 7-Bit-Code, d.h. es können nur 128 Zeichen kodiert werden! Umlaute und andere nationale Sonderzeichen müssen unter Windows 95, 98, NT beim Datenexport noch mit MIME extra kodiert werden (z.b. bei s) /20

21 Der ANSI-Code ANSI entspricht der Bezeichnung American National Standards Institute. ANSI ist ein 8-Bit-Code mit anderer Belegung als beim ASCII-Code, = Windows Code Page 1252, d.h. der ASCII-Code entspricht den Steuerzeichen des ANSI-Codes, weitere Zeichen sind in den Steuerzeichen untergebracht. ANSI wird unter dem Betriebssystem Windows zur Darstellung verwendet, z.b. für MS Word /21

22 Der ANSI-Code Welche Sonderzeichen in den Zeichen untergebracht werden, hängt vom bedienten Sprachraum ab. Bedingung ist, dass es eine Sprache mit fast-lateini- schem Alphabet sein muss. Daraus entstehen dann die sogenannten Code- Tabellen, die auch in der Webseitenprogrammierung zur Angabe des Zeichensatzes in einer Webseite benutzt werden /22

23 ANSI-Tabelle in Windows Vgl /23

24 Unicode UTF-8, UTF-16 Unicode UTF-8 wurde seit 1992 aufgebaut. Es ist ein Code zur Darstellung von Zeichen in bis zu vier 8-Bit-Gruppen je Zeichen. Unicode erlaubt die Darstellung nichtlateinischer Zeichensätze, wie z.b. Arabisch, Hebräisch, Griechisch, Kyrillisch, Armenisch, Indisch, Einheitszeichen aus dem Chinesischen, ڤ丳 Koreanischen und Japanischen etc. 株 䝼 Unicode UTF-8 wird unter den Betriebssystemen Windows 2000, XP intern genutzt /24

25 Unicode-Darstellungen Mit Unicode geschriebene Texte können verschieden dargestellt werden: - Ideal ist es, wenn das Betriebssystem und die Applikationssoftware Unicode korrekt in Zeichen umsetzen können. - Das Nächstideale ist es, wenn wenigstens die Unicode-Nummern der Zeichen angezeigt werden. - Das am wenigsten Ideale ist es, wenn Fragezeichen oder Kästchen erscheinen /25

26 Beispiel: Tamil Bits & Bytes, Schriften /26

27 Beispiel: Tamil Bits & Bytes, Schriften /27

28 Beispiel: Arabisch und ähnliche /28

29 Codepages...! Bits & Bytes, Schriften /29

30 Dateiformate /30

31 Dateiformate für Texte Klassisches Dateiformat für Texte ist *.txt. Diese Dateien können nur ANSI-Texte, unter dem Betriebssystem UNIX sogar nur ASCII-Texte. Als Anwendungssoftware für diesen Dateityp steht z.b. das alte Programm Notepad unter Windows zur Verfügung. Der Font ist nur zur Ansicht wählbar, nicht zum Speichern. Das Dateiformat *.txt ist für alle Betriebssysteme kompatibel und frei transferierbar /31

32 Dateiformate für Texte Das nächstreichhaltigere Dateiformat mit freier Transferierbarkeit zwischen allen Betriebssystemen ist das Rich Text Format *.rtf. Es basiert auf dem ANSI-Code bzw. auf Unicode, in Abhängigkeit vom gewählten Schriftfont bei der Erstellung. Die verwendeten Fonts müssen auf dem Rechner des Betrachters installiert sein, sonst werden Ersatzfonts genommen. Typografische Auszeichnungen (Einrückungen, Blocksatz, Absätze etc.) werden gespeichert. Anwendungssoftware sind z.b. Wordpad oder MS Word unter Windows. Bits & Bytes, Schriften /32

33 Dateiformate für Texte Universell für alle Betriebssysteme ist sonst derzeit nur PDF als Dateiformat benutzbar (*.pdf). PDF speichert die Schriften mit in der Datei, also auch Unicode-Schriftfonts. Damit ist PDF universell für alle Schriftsprachen einsetzbar. Die Speicherart ist die von frei skalierbaren Vektorgrafiken, d.h. die Schriftzeichen werden rein geometrisch charakterisiert, nur der Maßstab der Darstellung ändert sich. (Vgl. Bitmapgrafiken.) /33

34 Dateiformate für Texte PDF ist eine Seitenbeschreibungssprache, d.h. PDF-Dateien können nicht in PDF direkt geschrieben oder korrigiert werden. Das Schreiben muss mit klassischen Textver- arbeitungsprogrammen erfolgen. Das PDF-Format wird dann aus dem fertigen Schriftsatz hergestellt. Mit Adobe Acrobat können dann noch einzelne Zeichen ausgetauscht werden, nicht viel mehr. PDF ist multimediafähig /34

35 Dateiformate für Texte Für Webbrowser ist das Format HTML geeignet. Es ist ein Hypertextformat, das grundsätzlich Unicode-fähig ist. (*.html, *.htm, *.hta, *.mht) In der Praxis sind Webseiten jedoch meistens für einen Kulturkreis und in einer Sprache geschrieben, Deshalb findet man Unicode in HTML-Seiten in Europa und Amerika selten. HTML-Seiten sind mit Webbrowsern auf allen Betriebssystemen lesbar /35

36 Dateiformate für Texte Alle anderen Dateiformate für Texte sind an bestimmte Betriebssysteme bzw. bestimmte Anwendungsprogramme gekoppelt. (Open Word, MS Word / QuarkExpress, Adobe InDesign und andere Textsatzprogramme / DocBook XML / DjVU (sprich DeZhaVü, deja vu),...) Jedes Betriebssystem hat seine favorisierten Schriftfonts und Schriftarten /36

37 Was ist ein Dateiformat? Die meisten Dateiformate werden in Dokumenten definiert, die man Spezifikationen nennt. Dort muss die Art der Datenkodierung und die Anordnung der Daten innerhalb des Dateiformats beschrieben werden. Ein Dateiformat wird z.b. erkannt an der Dateiendung (*.abcd), an den ersten Zeichen oder Elementen des Dateiinhalts, oder an eingeschlossenen Metadaten. Mitunter ist ein MIME-Typ(e) / Internet Media Type angegeben /37

38 Was ist ein Dateiformat? Die Geschichte der Dateiformate und ihrer Kennungen kann man z.b. unter nachlesen. Dort gibt es Links zu Listen existierender Dateiendungen nach Alphabet. Schalten Sie im Windows Explorer unter Extras Ordneroptionen Ansicht das Ausblenden bekannter Dateitypen ab, um die Endungen zu sehen! /38

39 Wie sind Dateien kodiert? Man unterscheidet prinzipiell textbasierte und maschinencodebasierte Kodierung von Dateiformaten. Letztere ist unlesbar für Menschen. Je mehr die Datenwelt multimedial wird, um so mehr überwiegen maschinencodierte Formate. Sie lassen sich schneller ausführen und platzsparender speichern. Sehen Sie sich einmal Dateiinhalte in einfachen Texteditoren an, z.b. in Wordpad! /39

40 Beispiel: Bitmap-Grafik /40

41 Hierarchie Anwendungen, Applikationen, komplexe Software Dateiformate für Medien und Daten zum Ausführen, Interagieren Dateiformate für Medien und Daten zum Aufbewahren TXT- / RTF-Dateiformate (viele) ASCII- / ANSI- / Unicode-Zeichen Bits & Bytes /41

42 Codecs für Audio/Video Bei Audio und Video gilt es, zwei Dinge zu wissen. Erstens werden Audio- und Videosignale kodiert und zum Abspielen dekodiert. Daher kommt das Wort Codec als Bezeichnung des Standards, mit dem dieser Prozess vollzogen wurde bzw. zu vollziehen ist. Es gibt sehr viele Codecs, und ständig werden neue erprobt und in die Praxis überführt /42

43 Dateiformate dazu Zweitens müssen Audio/Video in Dateiformate für Lagerung und Transport verpackt werden. Dateiformate enthalten noch Metadaten zu den Medien, Protokollanweisungen, und sie sind mitunter noch einmal kryptografisch verschlüsselt bzw. datentechnisch komprimiert (z.b. ZIP, RAR). Es gibt ausgesprochene Containerformate (z.b. AVI), die verschiedenste Codecs aufnehmen können /43

44 Audio/Video-Codecs und -Formate Codec PCM (unkomprimiert) MPEG-Audio Layer 2 MPEG-Audio Layer 3 MPEG Videostream (ohne Audiostream) MPEG-1 oder MPEG-2 Video (mit Audio Layer 1 oder 2) Windows Media Audio Windows Media Video (mit WMA-Audiostream) Dolby Digital (Audio Coding 3) Flash Video (Streaming) Dateiendung des Dateiformats PCM, WAV (Wave-Format) MP2, MPA MP3 MPV, M2V (nur MPEG-2) MPG, MPEG WMA WMV AC3 FLV Shockwave Format 4,5,6,7,8,9 SWF AUSWAHL! /44

45 Quellen - Alles über Fonts, ein Tutorial - ANSI bzw. Windows Code Page WS/CP1252.TXT - Übersetzung von ANSI (= Windows Code Page 1252) in Unicode - Homepage von Unicode - Unicode-Fonts für Windows, Mac und Unix - Profunde Anleitung zur Selbsthilfe rund um den PC, mit Bauanleitungen, technischen Beschreibungen, Hilfestellungen etc. sehr empfohlen /45

46 DjVU The Universal Digital Library, Carnegie Mellon University Million Book Collection (bis 2008) Literatur ist u.a. als DjVU-Dateien im offenen Zugriff hinterlegt. DjVU-Browser-Plugin: - reiche Toolsammlung Bits & Bytes, Schriften /46

47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit bis demnächst /47

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