Jak fungují počítačové klávesnice

Část počítače, se kterou přicházíme do styku nejčastěji, je pravděpodobně tou částí, o které přemýšlíme nejméně. Klávesnice je však úžasný kus technologie. Věděli jste například, že klávesnice na typickém počítačovém systému je vlastně sama počítačem?


Vaše základní klávesnice Windows

Klávesnice je ve své podstatě řada spínačů připojených k mikroprocesoru, který sleduje stav každého spínače a iniciuje specifickou reakci na změnu tohoto stavu. V tomto vydání seriálu Jak věci fungují se dozvíte více o této spínací činnosti a o různých typech klávesnic, o tom, jak se připojují a komunikují s počítačem a jaké jsou součásti klávesnice.

Typy klávesnic
Klávesnice se od svého vzniku změnily v rozložení jen velmi málo. Nejčastější změnou byl vlastně jen přirozený vývoj přidávání dalších kláves, které poskytují další funkce.

Nejběžnější klávesnice jsou následující:

  • 101kláves Rozšířená klávesnice
  • 104kláves Klávesnice Windows
  • 82kláves Standardní klávesnice Apple
  • 108kláves Rozšířená klávesnice Apple

Přenosné počítače, jako jsou notebooky, mají poměrně často vlastní klávesnice, které mají trochu jiné uspořádání kláves než standardní klávesnice. Také mnoho výrobců systémů přidává ke standardnímu rozložení speciální tlačítka. Typická klávesnice má čtyři základní typy kláves:

  • Typ kláves
  • Číslicová klávesnice
  • Funkční klávesy
  • Ovládací klávesy

Typ kláves je část klávesnice, která obsahuje klávesy pro psaní písmen, obvykle uspořádané stejným stylem, jaký byl běžný u psacích strojů. Toto rozložení, známé jako QWERTY podle prvních šesti písmen v rozložení, bylo původně navrženo tak, aby zpomalilo rychlé písaře tím, že uspořádání kláves bylo poněkud nepohodlné! Výrobci psacích strojů tak učinili proto, že mechanická ramena, která otiskovala jednotlivé znaky na papír, se mohla při příliš rychlém stisknutí kláves zaseknout. Protože toto uspořádání bylo dlouho zavedeno jako standard a lidé si na něj zvykli, vyvinuli výrobci klávesnice pro počítače se stejným uspořádáním, přestože zasekávání již není problém. Kritici rozložení QWERTY přijali jiné rozložení, Dvorakovo, které umisťuje nejčastěji používaná písmena do nejvhodnějšího uspořádání.


Rozšířená klávesnice Apple.

Číslicová klávesnice je součástí již zmíněného přirozeného vývoje. S rostoucím používáním počítačů v podnikovém prostředí rostla i potřeba rychlého zadávání dat. Protože velkou část dat tvořila čísla, přibyla na klávesnici sada 17 kláves. Tyto klávesy jsou rozloženy ve stejné konfiguraci, jakou používá většina sčítacích strojů a kalkulaček, aby úředníkům zvyklým na tyto jiné stroje usnadnily přechod na počítač.

V roce 1986 společnost IBM rozšířila základní klávesnici o funkční a ovládací klávesy. Funkčním klávesám, uspořádaným v řadě napříč horní částí klávesnice, mohla aktuální aplikace nebo operační systém přiřadit konkrétní příkazy. Ovládací klávesy umožňovaly ovládání kurzoru a obrazovky. Čtyři klávesy uspořádané do tvaru obráceného T mezi klávesami pro psaní a numerickou klávesnicí umožňovaly uživateli pohybovat kurzorem na displeji v malých krocích. Ovládací klávesy umožňují uživateli provádět velké skoky ve většině aplikací. Mezi běžné ovládací klávesy patří např:

  • Home
  • End
  • Insert
  • Delete
  • Page Up
  • Page Down
  • .

  • Control (Ctrl)
  • Alternate (Alt)
  • Escape (Esc)

Klávesnice Windows přidává některé další ovládací klávesy: dvě klávesy Windows nebo Start a klávesu Aplikace. Klávesnice Apple jsou specifické pro systémy Apple Mac.

Uvnitř klávesnice
Procesor v klávesnici musí rozumět několika věcem, které jsou důležité pro užitečnost klávesnice, jako např:

  • Pozice klávesy v matici kláves.
  • Velikost odskoku a způsob jeho filtrování.
  • Rychlost, jakou se má přenášet typematika.


Mikroprocesor a řídicí obvody klávesnice.

Matrice kláves je mřížka obvodů pod klávesami. U všech klávesnic s výjimkou kapacitních je každý obvod přerušen v místě pod konkrétní klávesou. Stisknutí klávesy přemostí mezeru v obvodu a umožní průchod malého množství proudu. Procesor sleduje matici kláves a hledá známky spojitosti v kterémkoli bodě mřížky. Když najde obvod, který je uzavřený, porovná umístění tohoto obvodu na matici kláves s mapou znaků v paměti ROM. Mapa znaků je pro procesor v podstatě srovnávací tabulka, která mu říká, co představuje klíč na souřadnicích x,y v matici klíčů. Pokud je současně stisknuta více než jedna klávesa, procesor zkontroluje, zda má tato kombinace kláves označení v mapě znaků. Například při samostatném stisknutí klávesy a bude do počítače odesláno malé písmeno „a“. Pokud stisknete a podržíte klávesu Shift a současně stisknete klávesu a, procesor porovná tuto kombinaci s mapou znaků a vytvoří velké písmeno „A“.


Pohled na matici kláves.

Mapa znaků v klávesnici může být nahrazena jinou mapou znaků poskytnutou počítačem. To se poměrně často děje v jazycích, jejichž znaky nemají české ekvivalenty. Také existují nástroje pro změnu mapy znaků z tradiční QWERTY na DVORAK nebo jinou vlastní verzi.

Klávesnice se spoléhají na spínače, které způsobují změnu proudu protékajícího obvody v klávesnici. Když klávesa stiskne spínač proti obvodu, dochází obvykle k malým vibracím mezi povrchy, tzv. odskoku. Procesor v klávesnici rozpozná, že toto velmi rychlé zapnutí a vypnutí není způsobeno opakovaným stisknutím klávesy. Proto ze signálu odfiltruje všechna drobná kolísání a považuje je za jediné stisknutí klávesy.

Pokud klávesu nadále držíte stisknutou, procesor zjistí, že si přejete tento znak opakovaně odeslat do počítače. Tomuto postupu se říká typematika. Při tomto procesu lze obvykle softwarově nastavit prodlevu mezi jednotlivými případy znaku, která se obvykle pohybuje od 30 znaků za sekundu (cps) až po pouhé dva cps.

Technologie klávesnice
Klávesnice používají různé technologie přepínačů. Je zajímavé, že obecně máme rádi určitou zvukovou a hmatovou odezvu na naše psaní na klávesnici. Chceme slyšet, jak klávesy při psaní „cvakají“, a chceme, aby klávesy byly pevné a rychle pružily, když je stiskneme. Podívejme se na tyto různé technologie:

  • Pryžové kopulové mechanické
  • Kapacitní nemechanické
  • Kovové kontaktní mechanické
  • Membránové mechanické
  • Pěnové prvkové mechanické


Tato klávesnice používá pryžové kopulové spínače.

Pravděpodobně nejoblíbenější technologií spínačů, která se dnes používá, je technologie gumových kopulí. V těchto klávesnicích je každá klávesa umístěna nad malou pružnou gumovou kopulkou s tvrdým karbonovým středem. Při stisknutí klávesy zatlačí píst na spodní straně klávesy na kopuli. To způsobí, že se karbonový střed také stlačí dolů, až se přitiskne k tvrdému plochému povrchu pod maticí klávesy. Dokud je klávesa držena, uhlíkový střed uzavírá obvod pro danou část matrice. Po uvolnění klíče se pryžová kopulka vrátí do původního tvaru a vytlačí klíč zpět do klidové polohy.

Klávesnice s gumovými kopulovitými spínači jsou levné, mají docela dobrou hmatovou odezvu a jsou poměrně odolné proti polití a korozi díky gumové vrstvě pokrývající matrici kláves. Membránové spínače jsou svým fungováním velmi podobné pryžovým kopulovým klávesnicím. Membránová klávesnice však nemá samostatné klávesy. Místo toho má pro každou klávesu jednu gumovou fólii s výčnělky. S membránovými spínači jste se mohli setkat na mnoha zařízeních určených pro náročné průmyslové použití nebo do extrémních podmínek. Protože nenabízejí téměř žádnou hmatovou odezvu a manipulace s nimi může být poněkud obtížná, tyto klávesnice se v běžných počítačových systémech vyskytují jen zřídka.

Kapacitní spínače jsou považovány za nemechanické, protože jednoduše neuzavírají obvod jako ostatní technologie klávesnic. Místo toho všemi částmi matice kláves neustále protéká proud. Každá klávesa je odpružená a má malou destičku připevněnou ke spodní části pístu. Při stisknutí klávesy se tato destička přiblíží k jiné destičce, která je těsně pod ní. Když se obě destičky přiblíží k sobě, ovlivní to velikost proudu, který v daném místě protéká maticí. Procesor tuto změnu detekuje a interpretuje ji jako stisknutí klávesy v daném místě. Klávesnice s kapacitními spínači jsou drahé, ale netrpí korozí a mají delší životnost než jiné klávesnice. Také nemají problémy s odskokem, protože oba povrchy se nikdy nedostanou do skutečného kontaktu.

Klávesnice s kovovým kontaktem a pěnovým prvkem nejsou tak běžné jako dříve. Spínače s kovovým kontaktem mají jednoduše odpruženou klávesu s kovovým proužkem na spodní straně pístu. Po stisknutí klávesy kovový proužek spojí obě části obvodu. Spínač s pěnovým prvkem je v podstatě stejné konstrukce, ale mezi spodní částí pístu a kovovým proužkem je malý kousek houbovité pěny, která zajišťuje lepší hmatovou odezvu. Obě technologie mají dobrou hmatovou odezvu, vytvářejí uspokojivě slyšitelné „cvaknutí“ a jsou levné na výrobu. Problémem je, že kontakty mají tendenci se opotřebovávat nebo korodovat rychleji než u klávesnic, které používají jiné technologie. Neexistuje také žádná bariéra, která by zabránila přímému kontaktu prachu nebo tekutin s obvody matice kláves.

Z klávesnice do počítače
Při psaní analyzuje procesor v klávesnici matici kláves a určuje, jaké znaky má poslat do počítače. Tyto znaky udržuje ve vyrovnávací paměti, která je obvykle velká asi 16 bajtů. Poté odesílá data v proudu do počítače prostřednictvím určitého typu připojení.


Konektor klávesnice typu PS/2. V případě, že se jedná o klávesnici typu PS/2, je možné ji připojit k počítači.

Nejběžnější konektory klávesnice jsou následující:

  • 5pinový konektor DIN (Deustche Industrie Norm)
  • 6pinový konektor IBM PS/2 mini-DIN
  • 4pinový konektor USB (Universal Serial Bus)
  • interní konektor (pro notebooky)

Normální konektory DIN se již používají zřídka. Většina počítačů používá konektor mini-DIN PS/2; stále více nových systémů však od konektorů PS/2 upouští ve prospěch konektorů USB. Bez ohledu na to, který typ konektoru je použit, jsou propojovacím kabelem přenášeny dva základní prvky. Prvním je napájení klávesnice. Klávesnice potřebují ke svému fungování malé množství energie, obvykle kolem 5 V. Proto je nutné, aby klávesnice fungovala. Kabel také přenáší data z klávesnice do počítače.

Druhý konec kabelu se připojuje k portu, který je monitorován řadičem klávesnice počítače. Jedná se o integrovaný obvod (IC), jehož úkolem je zpracovat všechna data, která přicházejí z klávesnice, a předat je operačnímu systému. Když je operační systém upozorněn, že z klávesnice přicházejí data, může se stát několik věcí:

  • Zkontroluje, zda jsou data z klávesnice příkazem systémové úrovně. Dobrým příkladem je Ctrl-Alt-Delete v počítači se systémem Windows, který iniciuje restart počítače.
  • Operační systém pak předá data z klávesnice aktuální aplikaci.
  • Aktuální aplikace chápe data z klávesnice jako příkaz na úrovni aplikace. Příkladem může být Alt – f, který otevře nabídku Soubor v aplikaci Windows.
  • Aktuální aplikace je schopna přijmout data z klávesnice jako obsah aplikace (cokoli od zadání dokumentu přes zadání adresy URL až po provedení výpočtu), nebo
  • Aktuální aplikace nepřijímá data z klávesnice, a proto tyto informace ignoruje.

Jakmile jsou data z klávesnice identifikována jako specifická pro systém nebo pro aplikaci, jsou podle toho zpracována. Opravdu úžasné je, jak rychle se to všechno děje. Když píšu tento článek, není mezi stisknutím kláves mými prsty a zobrazením znaků na monitoru žádný znatelný časový interval. Když si uvědomíte, co všechno počítač dělá, aby se každý jednotlivý znak objevil, je to prostě neuvěřitelné!

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.