Wie Computertastaturen funktionieren

Der Teil des Computers, mit dem wir am meisten in Berührung kommen, ist wahrscheinlich der Teil, über den wir am wenigsten nachdenken. Aber die Tastatur ist ein erstaunliches Stück Technik. Wussten Sie zum Beispiel, dass die Tastatur eines typischen Computersystems eigentlich selbst ein Computer ist?


Ihre einfache Windows-Tastatur

Im Grunde genommen ist eine Tastatur eine Reihe von Schaltern, die mit einem Mikroprozessor verbunden sind, der den Zustand jedes Schalters überwacht und bei einer Änderung dieses Zustands eine bestimmte Reaktion auslöst. In dieser Ausgabe von How Stuff Works erfährst du mehr über diese Schaltvorgänge, über die verschiedenen Arten von Tastaturen, darüber, wie sie mit deinem Computer verbunden sind und wie sie mit ihm kommunizieren, und darüber, aus welchen Komponenten eine Tastatur besteht.

Arten von Tastaturen
Tastaturen haben sich seit ihrer Einführung nur wenig im Layout verändert. Die häufigste Änderung ist einfach die natürliche Entwicklung, mehr Tasten hinzuzufügen, die zusätzliche Funktionen bieten.

Die gängigsten Tastaturen sind:

  • 101-Tasten Erweiterte Tastatur
  • 104-Tasten Windows-Tastatur
  • 82-Tasten Apple-Standardtastatur
  • 108-Tasten Apple-Erweiterte Tastatur

Portable Computer wie Laptops haben häufig kundenspezifische Tastaturen, die eine etwas andere Tastenanordnung haben als eine Standardtastatur. Außerdem fügen viele Systemhersteller dem Standardlayout spezielle Tasten hinzu. Eine typische Tastatur hat vier Grundtypen von Tasten:

  • Tipptasten
  • Numerischer Tastenblock
  • Funktionstasten
  • Steuertasten

Die Tipptasten sind der Teil der Tastatur, der die Buchstabentasten enthält, die in der Regel im gleichen Stil angeordnet sind, wie er bei Schreibmaschinen üblich war. Diese Anordnung, die nach den ersten sechs Buchstaben als QWERTY bezeichnet wird, sollte ursprünglich schnelle Schreibkräfte bremsen, da die Anordnung der Tasten etwas umständlich war! Der Grund, warum die Schreibmaschinenhersteller dies taten, war, dass die mechanischen Arme, die jedes Zeichen auf das Papier druckten, sich verklemmen konnten, wenn die Tasten zu schnell gedrückt wurden. Da es sich seit langem als Standard etabliert hat und die Menschen sich an die QWERTY-Konfiguration gewöhnt haben, haben die Hersteller Tastaturen für Computer entwickelt, die dasselbe Layout verwenden, auch wenn das Verklemmen kein Problem mehr ist. Kritiker des QWERTY-Layouts haben sich für ein anderes Layout, Dvorak, entschieden, bei dem die am häufigsten verwendeten Buchstaben in der bequemsten Anordnung angeordnet sind.


Eine Apple Extended Tastatur.

Der Ziffernblock ist ein Teil der oben erwähnten natürlichen Entwicklung. Mit der zunehmenden Verwendung von Computern in Unternehmen stieg auch der Bedarf an einer schnellen Dateneingabe. Da ein großer Teil der Daten aus Zahlen besteht, wurde die Tastatur um einen Satz von 17 Tasten erweitert. Diese Tasten sind in der gleichen Anordnung angeordnet wie bei den meisten Rechenmaschinen und Taschenrechnern, um Angestellten, die an diese anderen Geräte gewöhnt sind, den Übergang zum Computer zu erleichtern.

Im Jahr 1986 erweiterte IBM die Basistastatur um Funktions- und Steuerungstasten. Die Funktionstasten, die in einer Reihe über der Tastatur angeordnet waren, konnten von der aktuellen Anwendung oder dem Betriebssystem mit bestimmten Befehlen belegt werden. Die Steuertasten dienten der Steuerung des Cursors und des Bildschirms. Vier Tasten, die in einer umgekehrten T-Formation zwischen den Tipptasten und dem Ziffernblock angeordnet sind, ermöglichen es dem Benutzer, den Cursor auf dem Bildschirm in kleinen Schritten zu bewegen. Mit den Steuertasten kann der Benutzer in den meisten Anwendungen große Sprünge machen. Übliche Steuerungstasten sind:

  • Startseite
  • Ende
  • Einfügen
  • Löschen
  • Seite hoch
  • Seite runter
  • Steuerung (Strg)
  • Alternativ (Alt)
  • Escape (Esc)

Die Windows-Tastatur enthält einige zusätzliche Steuerungstasten: zwei Windows- oder Start-Tasten und eine Anwendungstaste. Die Apple-Tastaturen sind spezifisch für Apple Mac-Systeme.

Das Innere der Tastatur
Der Prozessor in einer Tastatur muss mehrere Dinge verstehen, die für den Nutzen der Tastatur wichtig sind, wie zum Beispiel:

  • Position der Taste in der Tastenmatrix.
  • Das Ausmaß des Rückpralls und wie man ihn filtert.
  • Die Geschwindigkeit, mit der die Typematik übertragen werden soll.


Der Mikroprozessor und die Steuerschaltung einer Tastatur.

Die Tastenmatrix ist das Raster der Schaltungen unter den Tasten. Bei allen Tastaturen, mit Ausnahme der kapazitiven, ist jeder Schaltkreis an der Stelle unterhalb einer bestimmten Taste unterbrochen. Durch Drücken der Taste wird die Lücke im Schaltkreis überbrückt, so dass eine winzige Strommenge durchfließen kann. Der Prozessor überwacht die Tastenmatrix auf Anzeichen von Kontinuität an jedem Punkt des Gitters. Wenn er einen geschlossenen Stromkreis findet, vergleicht er die Position dieses Stromkreises auf der Tastenmatrix mit der Zeichentabelle im ROM. Die Zeichentabelle ist im Grunde eine Vergleichstabelle für den Prozessor, die ihm sagt, was die Taste an den x,y-Koordinaten in der Tastenmatrix bedeutet. Wenn mehr als eine Taste gleichzeitig gedrückt wird, prüft der Prozessor, ob diese Tastenkombination eine Bezeichnung in der Zeichentabelle hat. Wenn Sie z. B. die Taste a alleine drücken, wird ein kleiner Buchstabe „a“ an den Computer gesendet. Wenn Sie die Umschalttaste drücken und gedrückt halten, während Sie die Taste a drücken, vergleicht der Prozessor diese Kombination mit der Zeichentabelle und erzeugt einen Großbuchstaben „A“.


Ein Blick auf die Tastenmatrix.

Die Zeichentabelle auf der Tastatur kann durch eine andere Zeichentabelle ersetzt werden, die vom Computer bereitgestellt wird. Dies geschieht häufig in Sprachen, für deren Zeichen es keine englischen Entsprechungen gibt. Außerdem gibt es Hilfsprogramme, um die Zeichentabelle von der traditionellen QWERTY-Tastatur auf DVORAK oder eine andere benutzerdefinierte Version umzustellen.

Tastaturen beruhen auf Schaltern, die eine Änderung des Stroms bewirken, der durch die Schaltkreise der Tastatur fließt. Wenn die Taste den Schalter gegen den Schaltkreis drückt, kommt es in der Regel zu einer kleinen Vibration zwischen den Oberflächen, die als Prellung bezeichnet wird. Der Prozessor in einer Tastatur erkennt, dass dieses sehr schnelle Ein- und Ausschalten nicht durch wiederholtes Drücken der Taste verursacht wird. Daher filtert er alle winzigen Schwankungen aus dem Signal heraus und behandelt es wie einen einzelnen Tastendruck.

Wenn Sie eine Taste weiter gedrückt halten, erkennt der Prozessor, dass Sie dieses Zeichen wiederholt an den Computer senden wollen. Dies wird als Typematik bezeichnet. Dabei kann die Verzögerung zwischen den einzelnen Zeichen in der Regel in der Software eingestellt werden, typischerweise im Bereich von 30 Zeichen pro Sekunde (cps) bis hin zu zwei cps.

Tastaturtechnologien
Tastaturen verwenden eine Vielzahl von Schaltertechnologien. Es ist interessant festzustellen, dass wir im Allgemeinen eine gewisse hörbare und fühlbare Reaktion auf unser Tippen auf einer Tastatur wünschen. Wir möchten die Tasten beim Tippen „klicken“ hören, und wir möchten, dass sich die Tasten fest anfühlen und schnell zurückfedern, wenn wir sie drücken. Werfen wir einen Blick auf diese verschiedenen Technologien:

  • Gummikuppel mechanisch
  • Kapazitiv nicht mechanisch
  • Metallkontakt mechanisch
  • Membran mechanisch
  • Schaumelement mechanisch


Diese Tastatur verwendet Gummikuppelschalter.

Die wohl beliebteste Schaltertechnologie, die heute verwendet wird, ist der Rubberdome. Bei diesen Tastaturen sitzt jede Taste über einer kleinen, flexiblen Gummikuppel mit einem harten Kohlenstoffkern. Wenn die Taste gedrückt wird, drückt ein Stößel an der Unterseite der Taste nach unten gegen die Kuppel. Dadurch wird der Kohlenstoffkern ebenfalls nach unten gedrückt, bis er gegen eine harte flache Oberfläche unter der Tastenmatrix drückt. Solange die Taste gehalten wird, schließt der Kohlenstoffkern den Stromkreis für diesen Teil der Matrix. Wenn die Taste losgelassen wird, federt die Gummikuppel in ihre ursprüngliche Form zurück und zwingt die Taste wieder in ihre Ruhestellung.

Gummikuppeltastaturen sind preiswert, haben ein recht gutes Tastgefühl und sind aufgrund der Gummischicht, die die Tastenmatrix bedeckt, recht widerstandsfähig gegen Verschütten und Korrosion. Folientastaturen sind in ihrer Funktionsweise den Rubberdome-Tastaturen sehr ähnlich. Eine Folientastatur hat jedoch keine separaten Tasten. Stattdessen besteht sie aus einer einzigen Gummischicht mit Ausbuchtungen für jede Taste. Folientastaturen sind in vielen Geräten zu finden, die für den Einsatz in der Schwerindustrie oder unter extremen Bedingungen entwickelt wurden. Da sie fast keine taktile Reaktion bieten und etwas schwierig zu bedienen sind, sind diese Tastaturen nur selten in normalen Computersystemen zu finden.

Kapazitive Schalter gelten als nicht mechanisch, weil sie nicht einfach einen Stromkreis schließen wie die anderen Tastaturtechnologien. Stattdessen fließt ständig Strom durch alle Teile der Tastenmatrix. Jede Taste ist federbelastet und hat eine winzige Platte, die an der Unterseite des Stößels befestigt ist. Wenn eine Taste gedrückt wird, wird diese Platte sehr nahe an eine andere Platte direkt darunter gebracht. Die Annäherung der beiden Platten beeinflusst die Stromstärke, die an diesem Punkt durch die Matrix fließt. Der Prozessor erkennt diese Veränderung und interpretiert sie als Tastendruck an dieser Stelle. Tastaturen mit kapazitiven Schaltern sind zwar teuer, aber sie sind korrosionsbeständig und haben eine längere Lebensdauer als andere Tastaturen. Außerdem gibt es bei ihnen keine Probleme mit dem Rückprall, da die beiden Oberflächen nie in tatsächlichen Kontakt kommen.

Metallkontakt- und Schaumstofftastaturen sind nicht mehr so verbreitet wie früher. Metallkontaktschalter haben einfach eine federbelastete Taste mit einem Metallstreifen an der Unterseite des Stößels. Wenn die Taste gedrückt wird, verbindet der Metallstreifen die beiden Teile des Schaltkreises. Der Schaumstoffschalter ist im Grunde genommen gleich aufgebaut, hat aber ein kleines Stück schwammigen Schaumstoff zwischen der Unterseite des Stößels und dem Metallstreifen, was für eine bessere taktile Reaktion sorgt. Beide Technologien haben ein gutes taktiles Ansprechverhalten, machen zufriedenstellend hörbare „Klicks“ und sind kostengünstig zu produzieren. Das Problem ist, dass sich die Kontakte schneller abnutzen oder korrodieren als bei Tastaturen, die andere Technologien verwenden. Außerdem gibt es keine Barriere, die verhindert, dass Staub oder Flüssigkeiten in direkten Kontakt mit den Schaltkreisen der Tastenmatrix kommen.

Von der Tastatur zum Computer
Während Sie tippen, analysiert der Prozessor in der Tastatur die Tastenmatrix und bestimmt, welche Zeichen an den Computer gesendet werden sollen. Er speichert diese Zeichen in einem Puffer, der normalerweise etwa 16 Byte groß ist. Anschließend sendet er die Daten in einem Strom über eine Art von Verbindung an den Computer.


Ein Tastaturanschluss vom Typ PS/2.

Die häufigsten Tastaturanschlüsse sind:

  • 5-poliger DIN-Stecker (Deustche Industrie Norm)
  • 6-poliger IBM PS/2 Mini-DIN-Stecker
  • 4-poliger USB-Stecker (Universal Serial Bus)
  • interner Stecker (für Laptops)

Normale DIN-Stecker werden kaum noch verwendet. Die meisten Computer verwenden den Mini-DIN-PS/2-Anschluss, aber immer mehr neue Systeme verzichten auf den PS/2-Anschluss zugunsten von USB. Unabhängig von der Art des Anschlusses werden zwei wesentliche Elemente durch das Verbindungskabel übertragen. Das erste ist die Stromversorgung für die Tastatur. Tastaturen benötigen eine geringe Menge an Strom, in der Regel etwa 5 Volt, um zu funktionieren. Das Kabel überträgt auch die Daten von der Tastatur zum Computer.

Das andere Ende des Kabels ist mit einem Anschluss verbunden, der von der Tastatursteuerung des Computers überwacht wird. Dies ist ein integrierter Schaltkreis (IC), dessen Aufgabe es ist, alle von der Tastatur kommenden Daten zu verarbeiten und an das Betriebssystem weiterzuleiten. Wenn dem Betriebssystem mitgeteilt wird, dass Daten von der Tastatur vorliegen, kann eine Reihe von Dingen geschehen:

  • Es prüft, ob es sich bei den Tastaturdaten um einen Befehl auf Systemebene handelt. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Tastenkombination Strg-Alt-Entf auf einem Windows-Computer, die einen Neustart auslöst.
  • Das Betriebssystem gibt dann die Tastaturdaten an die aktuelle Anwendung weiter.
  • Die aktuelle Anwendung versteht die Tastaturdaten als einen Befehl auf Anwendungsebene. Ein Beispiel hierfür wäre Alt – f, das in einer Windows-Anwendung das Menü Datei öffnet.
  • Die aktuelle Anwendung ist in der Lage, Tastaturdaten als Inhalt für die Anwendung zu akzeptieren (alles von der Eingabe eines Dokuments über die Eingabe einer URL bis zur Durchführung einer Berechnung), oder
  • Die aktuelle Anwendung akzeptiert keine Tastaturdaten und ignoriert daher die Informationen.

Sobald die Tastaturdaten als system- oder anwendungsspezifisch identifiziert sind, werden sie entsprechend verarbeitet. Das wirklich Erstaunliche ist, wie schnell dies alles geschieht. Während ich diesen Artikel schreibe, vergeht zwischen dem Drücken der Tasten und dem Erscheinen der Zeichen auf dem Bildschirm keine merkliche Zeit. Wenn man bedenkt, was der Computer alles tut, damit jedes einzelne Zeichen erscheint, ist das einfach unglaublich!

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