(Also, eigentlich so für ein Schulkollegium. Ich habe meine Notizen für eine Fortbildung mal zusammengeschrieben, weil ich die Fortbildung eh nie halten werde.)

Arbeitsspeicher und Festplatte

Damit ein Computer mit Dingen arbeiten kann, muss er sie sich irgendwie merken können. Das geschieht in der Regel in seinem Arbeitsspeicher. Die Filme, die man zum Beispiel sieht, und die Programme, mit denen man sie sieht, werden dazu in den Arbeitsspeicher geladen und von dort aus bearbeitet, zum Beispiel auch: auf dem Monitor gezeigt. Wenn man den Computer ausschaltet, wird der Arbeitsspeicher zurückgesetzt und gelöscht, er funktioniert nur, während das Gerät läuft.

Will man Dinge länger aufheben, speichert man sie auf der Festplatte des Rechners. (Oder vergleichbaren Speichermedien: USB-Stick, CD, modernere Festplatten-Varianten.) Das ändert sich auch beim Aus- und Einschalten nicht von selber.

Die Festplatte wird auch als Zwischenspeicher verwendet, wenn der Arbeitsspeicher für die aktuellen Aufgaben nicht ausreicht. Dabei wird immer ein Teil des Arbeitsspeichers auf die Festplatte kopiert und ein anderer von der Festplatte in den Arbeitsspeicher. Dann kann der Computer so arbeiten, als hätte er einen viel größeren Arbeitsspeicher – nur langsamer, weil die Festplatte an sich schon langsam ist und das Herumkopieren auch Zeit kostet. Und wenn man den Rechner in den Ruhezustand versetzt, wird der gesamte Arbeitsspeicher auf die Festplatte kopiert und beim Starten von dort wiederhergestellt. So kann man an der gleichen Stelle weiterarbeiten wie vor dem Ausschalten.

Die Größe sowohl von Arbeitsspeicher als auch Festplattenspeichern wird in Byte angegeben, früher waren das mal Megabyte, heute sind es Gigabyte (Arbeitsspeicher, RAM) oder sogar Terabyte (Festplatte). Deswegen und weil beides Speicher heißt, verwechselt man das gerne mal.

Was wirklich gespeichert wird

Tatsächlich speichert ein Computer nur Zahlen und arbeitet nur mit Zahlen. Schon das ist eine Abstraktion und stimmt eigentlich nicht: Auf der technischsten Seite arbeiten sowohl Arbeitsspeicher als auch Festplattenspeicher mit Transistoren oder Kondensatoren oder magnetisierbaren Platten – irgendwas Technischem halt. Die kann man sich etwas abstrahiert als kleine Schalterchen mit jeweils zwei verschiedenen Einstellungen vorstellen, viele Milliarden davon. Schließlich ist so ein Computer eine Maschine und die haben ja gerne viele Schalter. Noch abstrakter kann man sich die Schalter beziehungsweise ihre Einstellungen als einen Haufen von Nullen und Einsen vorstellen, wobei die 0 für die eine und die 1 für die andere Einstellung steht, zum Beispiel so:

0100100001100001011011000110110001101111 0010000001010111011001010110110001110100

In Wirklichkeit sind das immer noch Transistoren oder Schalterchen mit zwei Positionen, aber so ist das – ein wenig – übersichtlicher. (Warum macht man keine Schalter mit drei oder mehr Einstellungen? Prinzipiell und arg theoretisch wäre das möglich, aber der mit zwei ist halt der mit Abstand einfachste.)

Noch ein wenig übersichtlicher wird es, wenn man die 0en und 1er in Achtergruppen bündelt:

01001000 01100001 01101100 01101100 01101111 00100000 01010111 01100101 01101100 01110100

Denn eine Achtergruppe kann man jeweils als eine achtstellige Zahl im Binärsystem interpretieren. Im Dezimalsystem wäre das jeweils eine Zahl zwischen 0 und 255. Und diese Zahl kann man wiederum darstellen als eine zweistellige Zahl im Hexadezimalsystem, was übersichtlicher ist, wenn man sich erst einmal daran gewöhnt hat. Im Hexadezimalsystem sieht die Kolonne von oben dann nämlich so aus:

48 61 6C 6C 6F 20 57 65 6C 74

Jede gespeicherte Datei ist eine Reihe solcher Zahlen. Das kann man überprüfen, wenn man sich die Datei in einem Hexeditor anschaut. Das ist ein Programm, das einem die Zahlen zeigt, im Hexadezimalsystem, aus denen die Datei wirklich besteht, also jedenfalls auf einer für uns sinnvollen Abstraktionsebene. Solche Hexeditoren gibt es als Programm für den eigenen Rechner, aber wenn man nach “hex editor online” sucht, findet man auch viele Seiten, um das im Browser auszuprobieren.

Kodierung (Zahlen, die etwas bedeuten)

Die Zahlen, aus denen Dateien bestehen, sind selten beliebig, sie bedeuten vielmehr meist etwas. Manchmal ist das einfach: “0110 0001” (binär) entspricht “61” (hexadezimal) entspricht “97” (dezimal), das bedeutet oft einfach: 97, also die Zahl zwischen 96 und 98.

Manchmal bedeutet die 97 (dezimal) aber auch den Buchstaben “a”. Denn: wenn ein Computer nur mit Zahlen arbeiten kann, wie werden dann Buchstaben gespeichert? Gar nicht. Das heißt, für jeden Buchstaben gibt es, vereinfacht gesagt, eine Zahl, und wenn ich ein “a” speichern möchte, wird die Zahl 97 (dezimal) gespeichert. Beim Laden der Datei muss das Programm halt daran denken, diesen Wert nicht als Zahl 97, sondern als Buchstaben “a” zu interpretieren.

Es gibt einen sehr alten Standard namens ASCII, in dem festgelegt ist, welche Zahlen den Buchstaben und anderen Zeichen zugeordnet sind. Dass es so einen Standard geben muss, ist wohl klar. Darin steht zum Beispiel:

Zahl (hex)	Zeichen
20	<Leerzeichen>
48	H
57	W
61	a
65	e
6C	l
6C	l
6F	o
74	t

Damit lässt sich oben angegebene Folge „48 61 6C 6C 6F 20 57 65 6C 74“ interpretieren als „Hallo Welt“. Was ist also wirklich gespeichert? In den verschiedenen Abstraktionsstufen sieht das so aus:

Irgendwas Technisches → 01001000 01100001 01101100 01101100 01101111 00100000 01010111 01100101 01101100 01110100 → 48 61 6C 6C 6F 20 57 65 6C 74 → Hallo Welt

Für die meisten Benutzer reicht die oberste Abstraktionsebene. Aber selbst da stößt man manchmal darauf, dass doch eine andere Zahlen-Buchstaben-Zuordnungstabelle benutzt wurde. Denn ASCII kennt nur das lateinische Alphabet, keine Umlaute, wenig Sonderzeichen. Deswegen gibt es Nachfolger, etwa ISO 8859-1, Windows-1252, UTF-8. Bei allen Nachfolgern ist es praktischer Weise so, dass die Zahl 97 (dezimal) dem Buchstaben “a” entspricht, aber sobald es an die Zeichen geht, die in ASCII nicht enthalten sind, kann es Probleme geben, wenn nach dem einen Standard gespeichert und nach dem anderen Standard geladen wird. Dann sieht man so etwas wie “Viele Grüße” oder “ich w�rde es begr��en” oder bei Mebis Namen wie “Ibrahimovi?” statt “Ibrahimović”.

Ansonsten müssen sich nur Programmierer manchmal in die tieferen Ebenen wagen, und richtige Ingenieure auf die Ebene ganz unten, die wirkliche, die mit den Transistoren und so.

Dateien und Programme: Grundlagen

Einen prinzipiellen Unterschied zwischen dem, was man so Dateien und Programme nennt, gibt es eigentlich nicht. Meistens ist es so, dass man ein Programm kauft oder herunterlädt oder bereits vorfindet, und dass man dieses Programm benutzt, um damit Dateien zu erstellen, die man dann auf der Festplatte speichert. Ein Programm ist so etwas wie ein Videorekorder und eine Datei so etwas wie eine Videokassette. Um den Film anschauen zu können, braucht man die Film-Daten, als Videodatei oder Videokassette, und ein passendes Abspielgerät, also einen Videorekorder oder ein Video-Programm. Manchmal, wie bei Computerspielen, kommt das Programm gleich mit einem eingebauten Film.

Ein Programm ist eine Datei, die für eine Maschine zum Ausführen gedacht ist, zum Beispiel für den Prozessor in einem Windowsrechner, oder für die simulierte Java-Maschine in einem Rechner. Deswegen besteht ein Programm aus Zahlen, die als Befehle verstanden werden können.

Eine Datei ist eine Menge von Daten, die von einem passenden Programm bearbeitet werden. Diese Daten können Anweisungen für eine Maschine sein (dann ist die Datei eben ein Programm) oder Information für ein Programm (zum Beispiel eine Video- oder Textdatei). Ein Programm startet man, und dann wird es ausgeführt (von der passenden Maschine, also dem Rechner oder dem Betriebssystem oder einem Teil davon), und dann kann man meist Sachen machen – als Spielfigur herumlaufen, oder Tippen, oder Dateien speichern.

Dass Windows selbst so ein Programm ist, und der Windows-Explorer auch, das übersieht man meist.

Dateien und Programme: Die Sache mit dem Doppelklick

Wenn man eine Videokassette oder eine Musik-CD hat, dann braucht man nicht nur ein Abspielgerät, um die darin enthaltene Information herauszulocken, man hat oft die Wahl zwischen mehreren Geräten: Der CD-Spieler im Wohnzimmer im Regal, die Spielekonsole unter dem Fernseher, den Blue-ray-Spieler daneben oder das Laufwerk im Computer. Wenn man eine Audio- oder Textdatei hat, kann man auch oft zwischen verschiedenen Abspielprogrammen wählen. Für Audiodateien gibt es etwa VLC oder iTunes oder den alten Windows Media Player, für Textdateien gibt es Libre Office oder Word und viele andere. Für Grafikdateien gibt es oft zwei verschiedene Programme, eines, um das Bild schnell anzusehen und eines, um es zu bearbeiten. Es gibt auch Programme, die beides anbieten, vor allem auf Tablets und Smartphones. Und ein Browser ist ein Allroundprogramm, das alle möglichen Dateien zeigen kann; bearbeiten lassen sie sich nicht damit.

Wenn ich auf eine Datei doppelklicke, passiert oft etwas: Die Datei wird mit einem Programm geöffnet. Das ist so, wie wenn ich eine CD anstupse und sie fliegt automatisch in den CD-Spieler im Regal und wird dann gespielt. Das ist praktisch – wenn man nur ein einziges Abspielgerät hat. Anders gesagt: Wenn man auf eine Datei doppelklickt, wird sie nicht immer mit dem Programm geöffnet, das man gerne hätte. Da gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man bringt dem Computer bei, in Zukunft ein anderes Programm zu benutzen, oder man startet erst das gewünschte Programm und wählt dann in diesem explizit “Datei öffnen”, um wirklich die Datei mit dem Wunschprogramm zu öffnen. Gerade in Schulzusammenhängen funktioniert das mit dem Doppelklick nämlich oft nicht. (An Tablets gibt es meist eine Funktion “Teilen”, mit dem man auswählen kann, mit welchem Programm die Datei verwendet werden soll.)

Dateinamen

Dateien auf der Festplatte haben einen Dateinamen. Zu diesem gehört häufig, aber nicht zwangsläufig, auch eine Dateiendung, also .doc oder .docx oder .odt oder .mp4 oder .jpg oder .zip oder .avi. Diese Dateiendung hilft dem Betriebssystem dabei, zu erraten, was die 0er und 1er bedeuten sollen: Eine Datei mit .doc hinten ist vermutlich eine Textdatei, eine Datei mit .jpg eine Bilddatei. (Fußnote: Oft steckt am Anfang der Datei auch zusätzliche Information zu dem Typ der Datei.) Das alles muss aber nicht so sein, denn wenn ich bei einem Dateinamen das .doc entferne und durch .jpg ersetze, bleibt die Datei ja völlig unverändert; insbesondere wird aus der Textdatei eben keine funktionierende Bilddatei. Man kann auch aus einer docx-Datei keine pdf-Datei machen, indem man sie einfach umbennt. (Fußnote: Bastler haben da natürlich auch schon lustige Sachen erfunden, etwa eine Datei, die sowohl als Bilddatei als auch Zip-Datei funktioniert. Wenn ich sie mit einem Bildprogramm betrachte, sehe ich das Bild; wenn ich sie mit einem Pack-Program, betrachte, sehe ich einen Haufen von auspackbaren Dateien.)

Leider blendet Windows in der Standardeinstellung diese Dateiendung oft aus, so dass man vielleicht gar nicht sieht, wie die Datei wirklich heißt, auf die man klickt. Das ist schlecht, auch aus Sicherheitsgründen: Wenn die Datei „Liesmich.doc.exe“ heißt, wird der Rechner dann vielleicht nur „Liesmich.doc“ anzeigen, beim Doppelklick wird aber nicht Word geöffnet, sondern das Programm, das unter anderem dafür zuständig ist, Programme zu installieren – so holt man sich Schadsoftware ins Haus. Und Tablets sind da noch schlimmer.

(Dass die Wahl des Dateiformats beziehungsweise der Dateiendung als Signal dafür Bedeutung trägt, zeigt dieser Cartoon von xkcd. Ich würde allerdings inzwischen pdf und csv umtauschen.)

Zip-Dateien

Eine Zip-Datei (von englisch zipper/to zip, Reißverschluss) ist eine Datei, die ein Bündel von anderen Dateien und Verzeichnissen enthält. Dabei ist das entstandene Bündel häufig viel kleiner als die ursprünglichen Dateien. Wenn man im Info-Portal etwa sechs Dateien verschicken will, muss man jede einzeln hochladen, und der Empfänger muss jede einzeln herunterladen. Das ist lästig. Viel einfacher geht es, wenn man die sechs Dateien in ein zip-Paket bündelt, dann muss man nur eine, mitunter sogar kleinere, Datei hoch- und herunterladen. Das ist sehr praktisch, wenn man irgendwo mehrere Dateien als Anhang mitschicken will!

Es gibt viele Programme, die aus Dateien so ein zip-Bündel schnüren und es auch wieder entpacken können. Windows bringt so etwas automatisch mit: Man kann mit der rechten Maustaste eine Reihe von Ordnern und Dateien markieren und dann mit der rechten Maustaste ein Menü öffnen, das einem „Senden an… ZIP-komprimierter Ordner“ anbietet. Andersherum kann man mit der rechten Maustaste auf eine zip-Datei klicken und „Alle extrahieren“ wählen. Man kann auch darauf doppelklicken, dann lässt einen Windows hineinlugen in die Datei, die dann sehr ähnlich aussieht wie ein gewöhnlicher Ordner – das Bündel ist dabei aber noch nicht entschnürt, man kann nicht alles mit den jetzt sichtbaren Dateien machen. Dazu muss man das Bündel wirklich erst aufschnüren und nicht nur hineinspitzeln.

Zip-Dateien erkennt man häufig an der Dateiendung .zip. Aber auch Dateien mit den Endungen .jar oder .docx oder .pptx oder .odt sind solche Pakete, und man kann sie mit einem Zip-Programm öffnen und hineinschauen. Gerne ausprobieren!

Pdf und docx

Dateien im Format docx können mehr oder weniger nur Menschen richtig lesen, die Word in einer aktuellen Version auf ihrem Rechner installiert haben oder Online-Word nutzen. Das kostet jeweils Geld. (Fußnote: Technisch heißt das Format “Office Open XML” oder “OOXML”, aber die Endung dazu heißt .docx, deshalb nenne ich das der Einfachkeit halber so.) Also sollte man docx-Dateien nur weitergeben, wenn der Empfänger oder die Empfängerin das in genau diesem Format haben muss, etwa um es weiter zu verarbeiten. Für andere Zwecke gibt es das Format pdf, das man mit vielen verschiedenen kostenlosen Programmen lesen kann.

Wie groß ist eine Bilddatei?

Man zeige ein Bild am Beamer und frage: Wie breit ist dieses Bild? Da kommt vielleicht heraus, dass es einen Meter breit ist. Aber es ist klar, dass das von der Entfernung des Beamers zur Projektionsfläche abhängt. Es macht aber auch nicht viel mehr Sinn, mit dem Zentimetermaß am Bildschirm direkt zu messen. Auch die Bildschirme unterscheiden sich in ihrer Größe, und noch dazu kann man Bilder vergrößert oder verkleinert darstellen. Zentimeter ist einfach keine gute Maßeinheit für die Breite oder Höhe eines Bildes. Tatsächlich muss man die Anzahl der Bildpunkte angeben, also etwa 3000 x 2000 Pixel.

Wenn ich so ein Bild mit 3000 x 2000 Pixeln ausdrucke, wie groß ist es dann auf dem Papier? Das kann man auch nicht so einfach sagen, es kommt darauf an, wieviel Punkte pro Zentimeter der Drucker macht.

Oft meint man mit der Frage nach der Größe eines Bildes auch de Größe der Bilddatei, also 100 Kilobyte oder 10 Megabyte.

Für Videodateien gilt das auch, aber da ist ein Faktor noch viel wichtiger als bei Bilddateien: Das interne Format und die Kompression. Ob eine Bilddatei mehr oder weniger stark komprimiert ist, ob es eine jpg- oder png-Datei ist, macht oft keinen so großen Unterschied. (Fußnote: Screenshots und Maschinenschrift als png, alles andere als jpg.) Videodateien können sehr groß werden, wenn sie nicht stark komprimiert sind. Das ist gut, wenn man sie bearbeiten, also schneiden, will, aber schlecht, wenn der Film auf die Homepage soll.

Aus Apple-Geräten kommen die Bilddatei seit einem Jahr oder zwei im Format .heic und nicht mehr im Format .jpg. Das macht das unmittelbare Verwenden auf der Homepage schwer, aber ich glaube, der Zug ist abgefahren: Bilder in verschiedenen Formaten speichern ist ganz leicht, aber das verlange ich schon nicht mehr.

Was man über Textverarbeitung wissen sollte

Das wäre ein eigenes Thema. “Das Programm hat meine Lücken nicht eingehalten. Ich schick die Liste nochmals” (was ein Tab ist).

Macht der Computer alles schlechter?

(xkcd-Cartoon)

Warum macht der Computer nicht, was ich will?

Darauf gibt es zwei Antworten, eine kurze und eine lange. Beide sind weniger unmittelbar hilfreich, als man es sich wünscht.

Die kurze Antwort: Der Computer kann keine Gedanken lesen kann; er weiß also nicht, was du willst. Er macht das, was du ihm sagst. Damit es da nicht zu Missverständnissen kommt, müsst ihr die gleiche Sprache sprechen. Aber der Computer ist dabei wie ein böser Geist, der die ausgesprochenen Wünsche extrem wörtlich erfüllt. (Beim Programmieren ist das noch schlimmer.) Außerdem bist du nicht der einzige, der gerade etwas vom Computer will. Er kriegt nicht nur Aufträge von dir, sondern auch andere Aufträge, von denen du nichts mitkriegst und die gleichzeitig bearbeitet werden und die die Ausführung deiner eigenen Anweisungen behindern können, zum Beispiel automatische Updates.

Das führt zur zweiten, längeren Antwort: Der Computer funktioniert plötzlich nicht mehr oder anders, weil es nicht mehr derselbe Computer ist. Der Computer, den du am einen Tag benutzt, ist gar nicht der gleiche Computer wie der, den du am anderen Tag benutzt. Kein Wunder, dass er sich anders verhält! Schon Heraklit sagte: Man kann nicht zweimal denselben Computer benutzen. Wenn das Gerät von mehreren Menschen benutzt wird, ist das ohnehin klar. Denn es ist wie mit einem gemeinsam genutzten Auto, wo die Fahrer und Fahrerinnen den Außenspiegel anders einstellen und den Sitz vor oder zurück schieben, Klimaanlage und Radiosender so einrichten, wie es ihnen passt.

Aber es gibt eine grundsätzlichere Ursache, und die hat damit zu tun, was ein Computer eigentlich ist, nämlich eine Universalmaschine, die sich ständig ändert. Ein Taschenrechner ist sehr zuverlässig, weil er immer ein Taschenrechner bleibt. Bevor es moderne Computer gab, gab es schon elektronische Maschinen, die alles mögliche machen konnten. Aber wenn man von der einen Aufgabe zu einer anderen wechseln wollte, muss man das Ding neu verkabeln, sozusagen. Der moderne Computer ist eine Universalmaschine, die ebenfalls alles mögliche machen kann (Fußnote: aber nicht: Unmögliches), aber bei der dafür kein Umstecken der Kabel nötig ist, das Umstellen geschieht intern.

Jedesmal, wenn man ein neues Programm startet, wird der Computer zu einer neuen Maschine. Jedesmal, wenn ein Update durchgeführt wird, ist der Computer eine neue Maschine. Wenn der Computer von Festplatte oder Internet abhängig ist, und das ist oft der Fall, dann hat man jedesmal eine neue Maschine, wenn sich dort etwas ändert. Wenn man ein neues Programm installiert, ist der Computer danach ein anderer. Wenn man keinerlei Updates zulassen würde (und der Computer nicht vom Internet abhängig wäre), dann wäre der Computer tatsächlich viel zuverlässiger. Ich habe einen Freund mit einigen uralten Computern, die laufen extrem stabil – keine Updates, kein Internet. Aber das will eigentlich niemand, neue Software und Features möchte man schon immer wieder. Neue Software heißt neue Maschine, die dann ja auch meistens wirklich sehr ähnlich funktioniert wie die vorherige. Aber manchmal hakt es halt doch. (Wenn man einen Computer so einschränkt, dass man möglichst wenig an ihm ändern kann, also möglichst wenig mit ihm machen kann, reduziert man auch die Gefahr von Problemen. Und dass Betriebssysteme so angelegt sind, dass es möglichst wenig Probleme überhaupt gibt, und dass es da schon große Fortschritte gegeben hat, stimmt auch.)

Kleine Übungsaufgaben (wird eventuell ergänzt)

• Entpacke eine .odt- oder .docx-Datei mit einem Zip-Programm und schau dir ihre Bestandteile an.
• Benutze einen Online-Hex-Editor, um dir deine Datei, zum Beispiel eine Bilddatei, anzusehen. Wenn du mutig bist, ändere einige oder viele Werte (eher nicht die ganz am Anfang) und speichere das Ergebnisse – vielleicht ist die Datei danach kaputt, wahrscheinlich sieht es aber nur ein bisschen anders aus.
• Suche online nach einem “ASCII decimal converter” und tippe ein paar Wörter ein, um die ASCII-Entsprechung zu erhalten.

Nachtrag: Weitere Ideen

• siehe Kommentare
• Unterschied Kilo-, Mega-, Giga-, Terabyte
• Sinnvolle Anhangsgrößen
• wie erkenne ich, ob ich lokal arbeite oder im Browser