Binäres Rechnen
Addition und Subtraktion im Binärsystem – vom sicheren Grundfakten-Drill bis zur Overflow-Analyse im Zweierkomplement. Erst nachlesen, dann in sieben Stufen üben – mit beliebig vielen Aufgaben.
Daten & Codierung – Kursstufe🎯 Worum geht's? Klasse 11–13 · mehrere Unterrichtsstunden
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- Binärzahlen schriftlich addieren und subtrahieren – auch mit Übertrag und Borgen
- negative Zahlen im Einer- und Zweierkomplement darstellen und ablesen
- begründen, warum man eine Subtraktion als Addition des Zweierkomplements rechnen kann
- erkennen, wann ein Ergebnis nicht mehr in die Stellenzahl passt (Überlauf)
Vorwissen: Binärzahlen in Dezimalzahlen umrechnen und umgekehrt, schriftliches Addieren im Dezimalsystem
So arbeitest du mit dieser Seite
- Nachlesen: Hier im Reiter Informationen findest du alle Regeln mit Merksätzen und durchgerechneten Beispielen.
- Üben: In den Reitern Addition und Subtraktion rechnest du zuerst auf Papier, gibst das Ergebnis ein und tippst auf Prüfen (oder Enter).
- Hilfe holen: Tipp zeigt gestufte Hinweise – nimm immer nur den nächsten. Die Lösung erst ansehen, wenn du es selbst versucht hast.
- Fehler finden: Bei einer falschen Eingabe nennt die Rückmeldung die erste falsche Bit-Position von rechts – dort lohnt sich der Blick auf Übertrag oder Borge.
- Festigen: Mit Neue Aufgaben erhältst du frische, gleich schwierige Aufgaben. Übe, bis eine Stufe sicher sitzt.
Empfohlener Lernweg
- Grundfakten 1 + 1 = 10Addition · Stufe 1
- Addieren mit ÜberträgenAddition · Stufe 2
- Subtrahieren mit BorgenSubtraktion · Stufe 1
- Einer- und ZweierkomplementSubtraktion · Stufe 2
- Subtrahieren wie die MaschineSubtraktion · Stufe 3
- Negative Zahlen addierenAddition · Stufe 3
- Overflow erkennenAddition · Stufe 4
Inhalt dieses Reiters
1 · Stellenwerte im Binärsystem
Das Binärsystem kennt nur die Ziffern 0 und 1. Wie im Zehnersystem hat jede Stelle einen festen Stellenwert – nur verdoppelt er sich von Stelle zu Stelle, statt sich zu verzehnfachen.
| Bit-Position | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Stellenwert | 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 |
| dezimal | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
Bit-Positionen werden von rechts ab 0 gezählt. Bit 0 (ganz rechts) heißt LSB, das höchste Bit (bei 8 Bit: Bit 7) heißt MSB. Zur besseren Lesbarkeit schreibt man 8 Bit in zwei Vierergruppen: 1011 0010.
1011 0010 = 128 + 32 + 16 + 2 = 178.
Umgekehrt: 45 = 32 + 8 + 4 + 1 → 0010 1101.
2 · Schriftliche Addition
Du addierst spaltenweise von rechts nach links – genau wie im Zehnersystem. Weil es nur 0 und 1 gibt, entsteht schon bei 1 + 1 ein Übertrag.
| Spalte | Summe | Ergebnisbit | Übertrag |
|---|---|---|---|
| 0 + 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 + 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 + 1 | 10 | 0 | 1 |
| 1 + 1 + 1 | 11 | 1 | 1 |
1 + 1 = 10: schreibe 0, übertrage 1.
1 + 1 + 1 = 11: schreibe 1, übertrage 1.
Notiere jeden Übertrag sofort klein über der nächsten Spalte links.
0111 + 0101 (also 7 + 5):
111 ← Überträge 0111 + 0101 ────── 1100
Bit 0: 1 + 1 = 10 → 0, Übertrag 1. Bit 1: 1 + 0 + 1 = 10 → 0, Übertrag 1. Bit 2: 1 + 1 + 1 = 11 → 1, Übertrag 1. Bit 3: 0 + 0 + 1 = 1.
Probe: 1100 = 8 + 4 = 12 = 7 + 5 ✓
Mit n Bit hat auch das Ergebnis nur n Stellen. Ein Übertrag über das höchste Bit hinaus passt nicht mehr hinein und fällt weg.
3 · Subtraktion mit Borgen
Auch die Subtraktion läuft spaltenweise von rechts nach links. Ist die obere Ziffer zu klein, wird bei der linken Nachbarspalte geborgt: Die obere Ziffer wird um 102 = 2 größer, die linke Spalte muss dafür 1 mehr abziehen.
| Spalte | Ergebnisbit | Borge nach links |
|---|---|---|
| 0 − 0, 1 − 1 | 0 | nein |
| 1 − 0 | 1 | nein |
| 0 − 1 → 10 − 1 | 1 | ja |
| 0 − 1 − 1 (Borge) → 10 − 1 − 1 | 0 | ja |
0 − 1 geht nicht: Borge links. Aus der 0 wird 102, also 10 − 1 = 1. Die linke Spalte zieht dafür 1 zusätzlich ab.
1010 − 0110 (also 10 − 6):
1010 − 0110 ────── 0100
Bit 0: 0 − 0 = 0. Bit 1: 1 − 1 = 0. Bit 2: 0 − 1 geht nicht → borgen: 10 − 1 = 1. Bit 3: 1 − 0 − 1 (Borge) = 0.
Probe: 0100 = 4 = 10 − 6 ✓
Borge-Kette: Steht links auch eine 0, muss diese selbst weiterborgen. Bei 1000 − 0001 wandert die Borge durch alle Nullen bis zur 1: Ergebnis 0111. Genau diese mühsame Kette ist der Grund, warum Rechner anders subtrahieren (Abschnitt 5).
4 · Negative Zahlen: Einer- und Zweierkomplement
Ein Rechner speichert kein Minuszeichen – nur Bits. Deshalb wird eine feste Bitbreite n vereinbart (hier meist 8 Bit), und ein Teil der Bitmuster steht für negative Zahlen.
Einerkomplement
Alle Bits invertieren (aus 0 wird 1, aus 1 wird 0): 5 = 0000 0101 → 1111 1010.
Nachteil: Es gibt zwei Nullen (0000 0000 und 1111 1111), und beim Addieren sind Korrekturen nötig. Deshalb rechnen Computer mit dem Zweierkomplement.
Zweierkomplement
Negieren = alle Bits invertieren, dann 1 addieren. Das funktioniert in beide Richtungen: Aus −x wird so wieder x.
−5 in 8 Bit:
- 5 als 8-Bit-Muster: 0000 0101
- invertieren: 1111 1010
- plus 1: 1111 1011 = −5
Erst auf n Bit auffüllen, dann invertieren! Wer 101 statt 0000 0101 invertiert, verliert die führenden Einsen.
Abkürzung: Von rechts bis einschließlich zur ersten 1 abschreiben, alle Bits links davon invertieren. Beispiel 40 = 0010 1000 → −40 = 1101 1000.
Muster interpretieren
- MSB = 0: positive Zahl (oder 0) – wie gewohnt ablesen.
- MSB = 1: negative Zahl. Wert = Musterwert − 2n, bei 8 Bit also Musterwert − 256.
Im Zweierkomplement hat das MSB ein negatives Gewicht: bei 8 Bit −128, alle anderen Bits behalten ihren positiven Stellenwert.
1110 0000 = −128 + 64 + 32 = −32.
Ebenso: Musterwert 224 − 256 = −32.
Wertebereich
Mit n Bit: −2n−1 bis 2n−1 − 1. Bei 4 Bit: −8 … 7, bei 8 Bit: −128 … 127. Es gibt eine negative Zahl mehr als positive, weil die 0 zur „positiven Hälfte“ gehört.
Alle 4-Bit-Muster auf einen Blick
| Muster | vorzeichenlos | Zweierkompl. |
|---|---|---|
| 0000 | 0 | 0 |
| 0001 | 1 | 1 |
| 0010 | 2 | 2 |
| 0011 | 3 | 3 |
| 0100 | 4 | 4 |
| 0101 | 5 | 5 |
| 0110 | 6 | 6 |
| 0111 | 7 | 7 |
| Muster | vorzeichenlos | Zweierkompl. |
|---|---|---|
| 1000 | 8 | −8 |
| 1001 | 9 | −7 |
| 1010 | 10 | −6 |
| 1011 | 11 | −5 |
| 1100 | 12 | −4 |
| 1101 | 13 | −3 |
| 1110 | 14 | −2 |
| 1111 | 15 | −1 |
Tippe auf die Bits, um sie umzuschalten. Probiere „Invertieren“ und danach „+ 1“ – so entsteht das Zweierkomplement.
5 · Subtraktion im Rechner: a − b = a + (−b)
Ein Prozessor braucht kein eigenes Subtrahierwerk: Er bildet das Zweierkomplement von b und addiert es zu a. Ein Übertrag über das MSB hinaus wird verworfen.
13 − 5 in 8 Bit: −5 = 1111 1011
0000 1101 (13) + 1111 1011 (−5) ─────────── 1 0000 1000 (8)
Die vorderste 1 ist der Übertrag über das MSB – er wird verworfen. Ergebnis 0000 1000 = 8 ✓
5 − 13 in 8 Bit: −13 = 1111 0011
0000 0101 (5) + 1111 0011 (−13) ─────────── 1111 1000
Kein Übertrag über das MSB. MSB = 1 → negativ: 248 − 256 = −8 ✓
a − b = a + Zweierkomplement(b). Den Übertrag über das MSB verwirfst du einfach.
Für a ≥ 0 und b > 0 gilt: Es entsteht genau dann ein Übertrag über das MSB, wenn das Ergebnis nicht negativ ist.
6 · Overflow – wenn das Ergebnis nicht mehr hineinpasst
Mit 8 Bit im Zweierkomplement lassen sich nur −128 bis 127 darstellen. Liegt das wahre Ergebnis außerhalb, liefert die Hardware trotzdem 8 Bit – mit falschem Wert und meist falschem Vorzeichen. Das nennt man Overflow (Überlauf).
96 + 47 (beide positiv):
0110 0000 (96) + 0010 1111 (47) ─────────── 1000 1111
MSB = 1 → gelesen als −113. Richtig wäre 143 > 127: Overflow.
(−100) + (−50) (beide negativ):
1001 1100 (−100) + 1100 1110 (−50) ─────────── 1 0110 1010
Der Übertrag vorn fällt weg. MSB = 0 → gelesen als +106. Richtig wäre −150 < −128: Overflow.
Vorzeichenregel: Overflow kann nur entstehen, wenn beide Summanden dasselbe Vorzeichen haben – und er liegt vor, wenn das Ergebnis das andere Vorzeichen trägt.
Übertragsregel: Overflow ⇔ Übertrag in das MSB ≠ Übertrag aus dem MSB.
Ein Übertrag aus dem MSB ist kein Beweis für Overflow. Bei 13 − 5 (Abschnitt 5) entsteht er auch – und das Ergebnis stimmt.
7 · Typische Stolperfallen
- Übertrag vergessen oder in die falsche Spalte geschrieben – notiere ihn sofort über der nächsten Spalte.
- Borge-Kette abgebrochen: Eine geborgte 0 muss selbst weiterborgen.
- „+ 1“ vergessen: Nur invertieren ergibt das Einerkomplement, nicht −x.
- Bitbreite missachtet: Vor dem Invertieren auf n Bit mit führenden Nullen auffüllen.
- Muster vorzeichenlos gelesen: Bei MSB = 1 im Zweierkomplement 256 abziehen.
- Übertrag aus dem MSB für Overflow gehalten: Entscheidend sind die Vorzeichen (bzw. Übertrag in vs. aus dem MSB).
Kontrolliere jedes Ergebnis mit einer Probe im Zehnersystem – das deckt fast jeden dieser Fehler auf.
Hintergrund für Lehrkräfte: Intelligentes Üben und Bildungsplan
Dieses Übungsset folgt den Prinzipien des intelligenten Übens (nach Leuders/Bruder): Üben ist nicht bloßes Wiederholen, sondern systematisches Vertiefen mit Variation, Feedback und Reflexion. Konkret:
- Wissensbasis vor dem Üben: Der Reiter Informationen bündelt Regeln, Merksätze, durchgerechnete Beispiele, einen interaktiven Bit-Baukasten und typische Stolperfallen. Ein empfohlener Lernweg verknüpft die Abschnitte mit den passenden Übungsstufen.
- Automatisierung vor Komplexität: Der Einstieg im Reiter Addition drillt die Grundfakten (1+1=10, 1+1+1=11). Wer sie sicher abrufen kann, hat Arbeitsgedächtniskapazität frei für die Übertragungslogik in den schwereren Stufen.
- Gestufte Schwierigkeit in kleinen Schritten: Sieben Stufen verteilen sich auf die beiden Übungsreiter (Addition: Grundfakten, Überträge, negative Zahlen, Overflow; Subtraktion: Borgen, Komplemente, Subtraktion über das Zweierkomplement). Jede Stufe fügt genau eine neue Schwierigkeit hinzu. Der Lernweg führt vom Borgen über das Zweierkomplement zurück zur Addition negativer Zahlen.
- Aufgabenvariation: Die Aufgaben werden zufallsgeneriert und variieren bei gleich bleibendem Grundgedanken die Oberfläche (Zahlen, Kontexte, Vorzeichenkombinationen). Antwortoptionen von Auswahlfragen werden gemischt.
- Unmittelbares, fehlerspezifisches Feedback: Die Rückmeldung nennt die erste abweichende Bit-Position von rechts (dort, wo beim Rechnen der Fehler entstand) und erkennt typische Fehldeutungen (z. B. vorzeichenfreie Interpretation eines Zweierkomplementmusters).
- Gestufte Hilfen (Hilfe zur Selbsthilfe): Pro Aufgabe gibt es eine Tipp-Hierarchie vom Strategiehinweis bis zum konkreten nächsten Rechenschritt – erst auf Klick.
- Musterlösungen mit Erklärungswissen: Vollständiges Spaltenrechnen mit Übertrags- bzw. Borgezeile, Einzelschritte und Probe im Zehnersystem.
- Worked Examples und Merksätze: Zu jeder Stufe ein durchgerechnetes Beispiel und ein Merksatz vor der Selbstbearbeitung (Abbau kognitiver Last).
- Anwendung und Reflexion: Der Overflow-Abschluss verankert das Verfahren in einem Anwendungskontext (Zähler eines Fahrzeugs) und verlangt die Bewertung der Grenzen endlicher Stellenzahl.
- Selbstüberwachung: Fortschrittsanzeigen in den Reitern und in der Stufenleiste machen den Lernstand sichtbar.
Bezug zum Bildungsplan
Bildungsplan 2016 (Schulversuchsfassung), Gymnasium, Informatik, 3.2.1.1 Bitebene, Klassen 11/12 – die Schülerinnen und Schüler können:
- (1) negative Zahlen in ihrer Einerkomplement- und Zweierkomplementdarstellung angeben und interpretieren (Informationen Abschnitt 4; Reiter Subtraktion, Stufe 2; Reiter Addition, Stufe 3),
- (2) Addition und Subtraktion von Binärzahlen in Zweierkomplementdarstellung schriftlich durchführen und das Ergebnis interpretieren (Abschnitte 2–5; beide Reiter, Stufen 2 bis 4),
- (3) Einschränkungen beim Rechnen mit endlicher Stellenzahl erläutern, zum Beispiel Overflow (Abschnitt 6; Reiter Addition, Stufe 4).
Einsatz im Unterricht
- Einsetzbar in Einzel-, Partner- oder Stillarbeit (etwa 20–30 Minuten), auch als Hausübung; läuft im Browser auf Rechner, Tablet und Smartphone.
- Direktlinks auf einzelne Stufen sind möglich, z. B.
binaeres_rechnen.html#l5öffnet Subtraktion Stufe 3. - In Partnerarbeit bewährt: Ein Partner rechnet, der andere spielt „die Maschine“ und interpretiert das Muster – dann Rollenwechsel.
- Leitfrage für den Abschluss: „Warum braucht ein Rechner keine Subtraktionsschaltung?“