Binärpräfix

Binärpräfixe sind Vorsätze für Maßeinheiten (Einheitenvorsätze), die Vielfache bestimmter Zweierpotenzen bezeichnen. Sie werden vorwiegend mit Einheiten wie Bit (Symbol „bit“, selten „b“) oder Byte (Symbol „B“) verwendet, um Datenmengen zu bemessen, da hier aus technischen Gründen häufig Zweierpotenzen auftreten. Im Unterschied dazu sind Dezimalpräfixe Einheitenvorsätze, die Vielfache bestimmter Zehnerpotenzen bezeichnen. SI-Präfixe sind Dezimalpräfixe für die Benutzung im SI-Einheitensystem, IEC-Binärpräfixe sind Binärpräfixe, gedacht für die Verwendung bei Datenmengen. Als Einheitenvorsatz wird sowohl der Name als auch das zugehörige Symbol bezeichnet.

Historisch betrachtet wurden für Datenmengen zunächst nur die SI-Präfixe als Binärpräfixe verwendet, während für physikalische SI-Einheiten die SI-Präfixe (als Dezimalpräfixe) dienen. Später wurden für Datenmengen je nach Kontext die SI-Präfixe mal als Binärpräfix und mal als Dezimalpräfix verwendet. Um eine Alternative zur mehrdeutigen Verwendung der SI-Präfixe zu haben, legte die IEC eigene Präfixe fest, die nun ausschließlich als Binärpräfixe dienen sollen.

Inhaltsverzeichnis

IEC-Präfixe zur Basis 2

Die Binärpräfixe sind gemäß der folgenden Tabelle definiert:

Name Symbol Wert
kibi Ki 210 = 10241 = 1.024
mebi Mi 220 = 10242 = 1.048.576
gibi Gi 230 = 10243 = 1.073.741.824
tebi Ti 240 = 10244 = 1.099.511.627.776
pebi Pi 250 = 10245 = 1.125.899.906.842.624
exbi Ei 260 = 10246 = 1.152.921.504.606.846.976
zebi Zi 270 = 10247 = 1.180.591.620.717.411.303.424
yobi Yi 280 = 10248 = 1.208.925.819.614.629.174.706.176

Beispiel: 512 MiB (Mebibyte) = 512 · 220 Byte = 536.870.912 Byte ≈ 537 MB (Megabyte).

Normen

Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, schlug die Internationale elektrotechnische Kommission (IEC) im Juni 1996 einen neuen Normentwurf für Binärpräfixe vor, die nur in der binären Bedeutung verwendet werden sollten.[1][2]

Dieser Entwurf wurde im Dezember 1998 als Norm beschlossen und im Januar 1999 als Ergänzung zu IEC 60027-2 veröffentlicht.[3] Er führte die Präfixe kibi, mebi, gibi, tebi, pebi und exbi für binäre Vielfache von Einheiten ein. In diesen Bezeichnungen wurden die ersten zwei Buchstaben der bereits genormten SI-Präfixe um „bi“ für „binär“ ergänzt. Für die Symbole der Binärpräfixe wurden die Symbole der SI-Präfixe verwendet und an diese der Kleinbuchstabe „i“ angehängt, wobei für das kibi im Gegensatz zum kilo der Großbuchstabe „K“ verwendet wurde. In der Norm wurde außerdem darauf hingewiesen, dass die SI-Präfixe nur für auf Zehnerpotenzen basierende Vielfache verwendet werden sollten. Diese Ergänzungen wurden in die im November 2000 veröffentlichte zweite Auflage der Norm IEC 60027-2 integriert. In die im August 2005 veröffentlichte dritte Ausgabe der Norm IEC 60027-2 wurden auch die Binärpräfixe zebi und yobi aufgenommen.[4]

Viele Standardisierungsorganisationen schlossen sich dieser Empfehlung an. Darunter sind zu nennen das BIPM/CIPM (1998), das IEEE 1541 (2002) und speziell in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (2007)[5] (weitere: NIST, CENELEC[6], DIN/EN[7][8]).

Das für die SI-Präfixe zuständige Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) rät von der binären Verwendung der SI-Präfixe ausdrücklich ab und empfiehlt für die Bezeichnung von Zweierpotenzen die Binärpräfixe gemäß der bisherigen IEC 60027-2,[9] die durch die weltweite ISO-Norm IEC 80000-13:2008 (bzw. DIN EN 80000-13:2009-01) ersetzt wurde.

SI-Präfixe für binäre Vielfache zur Basis 10

Da es bis 1996 keine speziellen Einheitenvorsätze für Zweierpotenzen gab, hat es sich verbreitet, die SI-Präfixe im Zusammenhang mit Speicherkapazitäten zur Bezeichnung von Zweierpotenzen zu verwenden (mit Faktor 210 = 1024 statt 1000), die den gewünschten Zweierpotenzen am nächsten kamen. Es sollte dann aus der Kombination mit den Einheiten Bit oder Byte oder einem anderen Kontext hervorgehen, dass eine Zweierpotenz gemeint war. Während dies bei Speicherbausteinen, die üblicherweise nur in Größen von Zweierpotenzen hergestellt werden, wenig problematisch ist, führte dies beispielsweise bei der Angabe von Festplattenkapazitäten in GB oder Datenübertragungsraten in MB/s oder Mbit/s zu Zweifeln hinsichtlich der genauen Bedeutung. Zudem wird die Abweichung bei höherwertigen Präfixen immer größer, sodass sie oft nicht mehr vernachlässigbar ist. Das für die SI-Präfixe zuständige Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) rät daher von dieser nicht normgemäßen Verwendung der SI-Präfixe ausdrücklich ab und empfiehlt für die Bezeichnung von Zweierpotenzen die Binärpräfixe gemäß IEC 60027-2.[10] Trotzdem ist diese empfohlene Bezeichnungsweise auch heute (2010) nicht sehr weit verbreitet.[11] Diese binäre Verwendung der SI-Präfixe wurde 1986 von der IEEE auch in einem Glossar dokumentiert.[12]

Vereinzelt kommen auch Mischformen vor, etwa bei der Speicherkapazität einer 3,5-Zoll-Diskette: 1,44 MB = 1440 kB = 1440 × 1024 Byte.

Die Werte der SI-Präfixe und der nächstliegenden Zweierpotenzen sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Name Symbol Wert gemäß SI nächstliegende Zweierpotenz
Kilo k 103 = 1.000 210 = 1.024
Mega M 106 = 1.000.000 220 = 1.048.576
Giga G 109 = 1.000.000.000 230 = 1.073.741.824
Tera T 1012 = 1.000.000.000.000 240 = 1.099.511.627.776
Peta P 1015 = 1.000.000.000.000.000 250 = 1.125.899.906.842.624
Exa E 1018 = 1.000.000.000.000.000.000 260 = 1.152.921.504.606.846.976
Zetta Z 1021 = 1.000.000.000.000.000.000.000 270 = 1.180.591.620.717.411.303.424
Yotta Y 1024 = 1.000.000.000.000.000.000.000.000  280 = 1.208.925.819.614.629.174.706.176 

Statt des SI-konformen Kleinbuchstabens „k“ wird auch der Großbuchstabe „K“ geschrieben (häufig nur als Ka gesprochen), um auf die beabsichtigte Abweichung von der Zehnerpotenz hinzuweisen. So kann „k“ für 1000 Einheiten verwendet werden und „K“ für 1024. Diese Konvention ist jedoch weder normiert noch wird sie konsequent angewendet. Zudem kann dieser Ansatz nicht auf die größeren Präfixe übertragen werden.

Verhältnis binärer und dezimaler Präfixe

Verhältnis bin/dez

Die Werte der SI-Präfixe steigen in Zehnerpotenzen, weswegen die SI-Präfixe auch als dezimale Präfixe bezeichnet werden, während die Werte der Binärpräfixe in Zweierpotenzen ansteigen. Konkret steigen die Werte der dezimalen Präfixe – ausgehend von kilo – jeweils um den Faktor 103 = 1000 und die Werte der binären Präfixe um den Faktor 210 = 1024. D. h. kilo entspricht 10001, mega 10002, giga 10003 usw., und kibi entspricht 10241, mebi 10242, gibi 10243 usw. Beschreibt n \in\N die Präfixe derart, dass n = 1 für kilo und kibi steht, n = 2 für mega und mebi, n = 3 für giga und gibi usw., so ergeben sich die Werte der dezimalen Präfixe zu 1000n und die Werte der binären Präfixe zu 1024n. Aus dieser Tatsache lässt sich leicht eine Formel erstellen, welche das Verhältnis der Präfix-Werte zueinander angibt.

\Phi_{\frac{\mathrm{bin}}{\mathrm{dez}}}(n) = \frac{1024^n}{1000^n} = \left(\frac{1024}{1000}\right)^n = 1{,}024^n, \quad n \in \N
\Phi_{\frac{\mathrm{dez}}{\mathrm{bin}}}(n) = \frac{1000^n}{1024^n} = \left(\frac{1000}{1024}\right)^n = 1{,}024^{-n}, \quad n \in \N

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die sich daraus ergebenden Verhältnisse.

Name Bin : Dez Dez : Bin Beispiel Unterschied in %
Kilobyte, kibibyte 1,024 0,977 100 kB = 97,7 KiB +2,4 % bzw. −2,3 %
Megabyte, mebibyte 1,049 0,954 100 MB = 95,4 MiB +4,9 % bzw. −4,6 %
Gigabyte, gibibyte 1,074 0,931 100 GB = 93,1 GiB +7,4 % bzw. −6,9 %
Terabyte, tebibyte 1,100 0,909 100 TB = 90,9 TiB +10,0 % bzw. −9,1 %
Petabyte, pebibyte 1,126 0,888 100 PB = 88,8 PiB +12,6 % bzw. −11,2 %
Exabyte, exbibyte 1,153 0,867 100 EB = 86,7 EiB +15,3 % bzw. −13,3 %
Zettabyte, zebibyte 1,181 0,847 100 ZB = 84,7 ZiB +18,1 % bzw. −15,3 %
Yottabyte, yobibyte 1,209 0,827 100 YB = 82,7 YiB +20,9 % bzw. −17,3 %

Motivation und Geschichte

Ein wichtiger Bestandteil eines Computers ist der Arbeitsspeicher, der heute üblicherweise als Halbleiterspeicher realisiert wird. Die einzelnen Speicherzellen werden mit Hilfe von parallelen, binär arbeitenden Leitungen adressiert, die zusammengefasst als Adressbus bezeichnet werden. Mit einem Adressbus, der n Leitungen besitzt, können 2n Speicherzellen adressiert werden. Daher werden Halbleiterspeicher üblicherweise in Größen von Zweierpotenzen hergestellt. Mit zunehmender Größe der Speicher wurde es mangels standardisierter Alternativen üblich, SI-Präfixe mit den Speichereinheiten Bit und Byte zu verwenden, um Zweierpotenzen zu quantifizieren, obwohl die SI-Präfixe auf Zehnerpotenzen basieren. Bei Datenspeichern mit sequentieller Adressierung oder bei der sequentiellen Übertragung von Daten gibt es allerdings keinen Grund, mit Zweierpotenzen zu arbeiten, sodass hier die SI-Präfixe meist normgerecht verwendet werden. Dies hat zu einiger Verwirrung geführt, da teilweise auch für Fachleute nicht mehr eindeutig erkennbar ist, ob der jeweilige SI-Vorsatz normgerecht als Zehnerpotenz oder normwidrig als Zweierpotenz interpretiert werden soll.

Beispielsweise haben sich für die Bezeichnung „1 MB“ in der Praxis drei verschiedene Interpretationen eingebürgert:

  • „1 MB“ = 1.024.000 B = 1000 · 1024 B = 1024 kB = 1000 KiB – zur Kapazitätsangabe bei der klassischen 3½″-Diskette.

Außerdem findet sich noch die Bezeichnung „1 Mb“ (mit kleinem „b“ für „Bit“):

  • „1 Mb“ = 1.000.000 b – bei der Datenübertragung, z. B. Telekommunikationsleitungen und Ethernet;
  • „1 Mb“ = 1.048.576 b – bei Speicherbausteinen, z. B. „64-Mb-Chip“.

Diese inkonsequente Vorgehensweise kann beim Rechnen mit Einheiten zu schwer nachvollziehbaren Fehlern führen, wie an folgendem einfachen Beispiel gezeigt werden soll: Ein Computerbenutzer will eine Datei mit der angegebenen Größe von „40 MB“ aus dem Internet herunterladen und hat dazu eine Datenleitung mit einer Datenübertragungsrate von 8 Mbit/s zur Verfügung. Die zur vollständigen Übertragung dieser Datei benötigte Zeit lässt sich mit der Umrechnung 1 B = 8 bit (vereinfacht) folgendermaßen berechnen:


t = \frac{ 40\,\mathrm{MB} }{ 8\,\mathrm{Mbit}/\mathrm{s} }
  = \frac{ 40\,\mathrm{MB} }{ 8\,\mathrm{Mbit}/\mathrm{s} \cdot 1\,\mathrm{B}/8\,\mathrm{bit} }
  = \frac{ 40\,\mathrm{MB} }{ 1\,\mathrm{MB}/\mathrm{s} }

Hier drängt es sich auf, die „MB“ im Zähler gegen die „MB“ im Nenner zu kürzen, sodass sich ein Ergebnis von t = 40\,\mathrm s ergibt. Wenn jedoch mit dem „MB“ im Zähler eine Zweierpotenz gemeint ist, während im Nenner eine Zehnerpotenz gemeint ist, kann man diese Einheiten nicht gegeneinander kürzen, obwohl dies praktisch nicht mehr ersichtlich ist.

Für eine saubere Lösung dieses Problems gibt es mehrere Möglichkeiten:

  1. Verzicht auf Präfixe;
  2. ausschließliche und normgerechte Verwendung der SI-Präfixe;
  3. (zusätzliche) Verwendung der von der IEC genormten Binärpräfixe für Zweierpotenzen.

Die Einführung der Binärpräfixe bedeutet nicht, dass sie die SI-Präfixe für die Verwendung mit Bits und Bytes ersetzen sollen. Beispielsweise kann man die Größe eines 536.870.912 Byte großen Arbeitsspeichers mit 536.870.912 B, 229 B, ca. 537 MB oder eben praktischerweise als 512 MiB angeben. Dadurch können die SI-Präfixe stets eindeutig in ihrer genormten Bedeutung verwendet werden.

Für die sehr weit verbreitete Angabe von Dateigrößen oder verfügbarem Festplattenspeicherplatz in Zweierpotenzen (512 MiB) gibt es für die meisten Anwender keinen ersichtlichen Grund. Das Arbeiten mit Zweierpotenzen ist beispielsweise beim Addieren oder Subtrahieren von Datenmengen mit verschiedenen Binärpräfixen und beim Übergang auf größere oder kleinere Binärpräfixe ganz erheblich umständlicher als bei der Verwendung der auf das Dezimalsystem zugeschnittenen SI-Präfixe (537 MB).

Akzeptanz und Verbreitung

Die Akzeptanz für diese IEC-Binärpräfixe hielt sich zumindest bis zum Januar 2002 in industrieller und wissenschaftlicher Literatur sowie in Software in Grenzen und wurde somit nur selten verwendet.[13] Auch bis heute ist nur eine sehr langsam zunehmende Akzeptanz und Verbreitung festzustellen. Beispielsweise wird in den Informationen für Autoren des IEEE ausdrücklich auf die normgerechte Verwendung von SI-Präfixen hingewiesen.[14] Das Computermagazin PC Games Hardware verwendet sie seit der Ausgabe 11/2007 (Erscheinungsdatum 2. Oktober 2007).[15] Davon abgesehen gibt es mittlerweile einige Programme, welche die Binärpräfixe unterstützen, z. B. der Linux-Kernel[16], manche Linux-Distributionen, die GNU core utilities[17], KDE 4, phpMyAdmin, WinSCP[18] und einige BitTorrent-Programme. Zumindest im Fall des Linux-Kernels beschränkt sich die Unterstützung auf diagnostische Meldungen wie etwa die Größenangabe erkannter Massenspeicher. OS X geht ab Version 10.6 den umgekehrten Weg und verwendet SI-Präfixe, so wie sie für SI-Einheiten normiert sind, in ihrer dezimalen Bedeutung.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. International Electrotechnical Commission (IEC), new work item proposal 25/180/NP, Amendment of IEC 60027-2: 2005, 3. Auflage, Letter symbols to be used in electrical technology, Part 2: Telecommunications and electronics – Introduction of prefixes for binary multiples, IEC/TC 25/WG 1, June 1996.
  2. Markus Kuhn: Standardized units for use in information technology. 1996–12–29 [updated 1999-07-19]. [1]
  3. Amendment 2 to IEC 60027-2: Letter symbols to be used in electrical technology – Part 2: Telecommunications and electronics.
  4. IEC 60027-2, Ed. 3.0, (2005-08): Letter symbols to be used in electrical technology – Part 2: Telecommunications and electronics.
  5. Physikalisch-Technische Bundesanstalt: PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 2, S. 22. „Das Internationale Einheitensystem”
  6. HD 60027-2:2003 Informationen zum CENELEC-Normierungsprozess.
  7. prEN 60027-2:2006 Informationen zum EN-Normierungsprozess.
  8. DIN EN 60027-2:2007-11 Beuth Verlag, Detailanzeige
  9. BIPM – SI-Broschüre, 8. Auflage, März 2006, Abschnitt 3.1: SI-Präfixe. Randnotiz. Siehe auch: BIPM – SI prefixes
  10. BIPM – SI-Broschüre, 8. Auflage, März 2006, Abschnitt 3.1: SI-Präfixe. Randnotiz. [2]
  11. http://www.thurgauerzeitung.ch/wirtschaft/dossier/die-frage/Ist-Mebi-mehr-als-Kibi-und-weniger-als-Gibi/story/29935378
  12. ANSI/IEEE Std 1084–1986 IEEE Standard Glossary of Mathematics of Computing Terminology, 30. Oktober 1986. Zitat: kilo (K). (1) A prefix indicating 1000. (2) In statements involving size of computer storage, a prefix indicating 210, or 1024. mega (M). (1) A prefix indicating one million. (2) In statements involving size of computer storage, a prefix indicating 220, or 1,048,576.
  13. tecCHANNEL: Von Kibibits und Gibibytes – Akzeptanz mangelhaft, 30. Januar 2002.
  14. IEEE Periodicals, Transactions/Journals Department: Information for Authors. Revised: 1/06. (PDF, 943.576 B ≈ 943,6 kB ≈921,5 KiB)
  15. Das Kibibyte kommt. In: PC Games Hardware Forum, 1. Oktober 2007.
  16. Linux Programmer’s Manual; UNITS(7) (englisch)
  17. Coreutils – GNU core utilities
  18. Can I transfer file larger than 4 GiB (or 2 GiB)?

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