Näin tietokoneen näppäimistöt toimivat

Tietokoneen osa, jonka kanssa olemme eniten tekemisissä, on luultavasti se osa, jota ajattelemme vähiten. Näppäimistö on kuitenkin hämmästyttävä osa teknologiaa. Tiesitkö esimerkiksi, että tyypillisen tietokonejärjestelmän näppäimistö on itse asiassa itse tietokone?


Perus-Windows-näppäimistösi

Näppäimistö on pohjimmiltaan sarja kytkimiä, jotka on kytketty mikroprosessoriin, joka tarkkailee kunkin kytkimen tilaa ja käynnistää tietyn reaktion tilan muutokseen. Tässä How Stuff Works -julkaisussa opit lisää tästä kytkentätoiminnosta sekä erityyppisistä näppäimistöistä, siitä, miten ne liitetään tietokoneeseen ja miten ne keskustelevat sen kanssa, ja siitä, mitä näppäimistön osat ovat.

Näppäimistötyypit
Näppäimistöjen ulkoasu on muuttunut hyvin vähän niiden käyttöönoton jälkeen. Itse asiassa yleisin muutos on ollut yksinkertaisesti luonnollinen kehitys, jossa lisätoimintoja tarjoavia näppäimiä on lisätty.

Yleisimmät näppäimistöt ovat:

  • 101-näppäiminen Enhanced-näppäimistö
  • 104-näppäiminen Windows-näppäimistö
  • 82-näppäiminen Applen vakionäppäimistö
  • 108-näppäiminen Applen laajennettu näppäimistö

Kannettavilla tietokoneilla, kuten kannettavilla tietokoneilla, on melko usein mukautettuja näppäimistöjä, joissa on hieman erilaiset näppäinjärjestelyt kuin vakionäppäimistössä. Lisäksi monet järjestelmävalmistajat lisäävät vakioasetteluun erikoisnäppäimiä. Tyypillisessä näppäimistössä on neljä perustyyppiä näppäimiä:

  • Kirjoitusnäppäimet
  • Numeerinen näppäimistö
  • Toimintonäppäimet
  • Säätönäppäimet

Kirjoitusnäppäimet ovat näppäimistön kirjainnäppäimet sisältävä osa, joka on yleensä sijoitettu samaan tyyliin kuin kirjoituskoneissa oli tapana. Tämä ulkoasu, joka tunnetaan nimellä QWERTY ulkoasun kuuden ensimmäisen kirjaimen mukaan, suunniteltiin alun perin hidastamaan nopeita näppäilijöitä tekemällä näppäinten sijoittelusta hieman hankalaa! Kirjoituskoneiden valmistajat tekivät näin siksi, että mekaaniset käsivarret, jotka painoivat kunkin merkin paperille, saattoivat juuttua yhteen, jos näppäimiä painettiin liian nopeasti. Koska QWERTY-näppäimistö on jo pitkään ollut standardi ja koska ihmiset ovat tottuneet QWERTY-kokoonpanoon, valmistajat kehittivät tietokoneiden näppäimistöjä, joissa käytetään samaa asettelua, vaikka näppäinten jumiutuminen ei ole enää ongelma. QWERTY-näppäimistön arvostelijat ovat ottaneet käyttöön toisen, Dvorak-näppäimistön, jossa yleisimmin käytetyt kirjaimet on sijoitettu kätevimpään järjestykseen.


Applen laajennettu näppäimistö.

Numeronäppäimistö on osa aiemmin mainittua luonnollista kehitystä. Kun tietokoneiden käyttö liiketoimintaympäristöissä lisääntyi, lisääntyi myös tarve nopealle tietojen syöttämiselle. Koska suuri osa tiedoista oli numeroita, näppäimistöön lisättiin 17 näppäimen sarja. Näppäimet on sijoitettu samaan kokoonpanoon kuin useimmissa laskukoneissa ja laskimissa, jotta näihin muihin koneisiin tottuneiden toimihenkilöiden siirtyminen tietokoneeseen olisi helpompaa.

Vuonna 1986 IBM laajensi perusnäppäimistöä lisäämällä siihen toiminto- ja ohjausnäppäimet. Toimintonäppäimille, jotka oli sijoitettu riviin näppäimistön yläreunaan, voitiin antaa tiettyjä komentoja nykyisen sovelluksen tai käyttöjärjestelmän toimesta. Ohjausnäppäimillä voitiin ohjata kursoria ja näyttöä. Neljä näppäintä, jotka on sijoitettu käänteiseen T-kirjaimen muotoon kirjoitus- ja numeronäppäimistön väliin, antavat käyttäjälle mahdollisuuden siirtää kursoria näytöllä pienin askelin. Ohjausnäppäimillä käyttäjä voi tehdä suuria hyppäyksiä useimmissa sovelluksissa. Yleisiä ohjausnäppäimiä ovat mm:

  • Home
  • End
  • Insert
  • Delete
  • Page Up
  • Page Down
  • Control (Ctrl)
  • Alternate (Alt)
  • Escape (Esc)

Windowsin näppäimistö lisää joitakin ylimääräisiä ohjausnäppäimiä: Kaksi Windows- tai Käynnistä-näppäintä ja Sovellusnäppäin. Applen näppäimistöt ovat Apple Mac -järjestelmille ominaisia.

Näppäimistön sisällä
Näppäimistön prosessorin on ymmärrettävä useita näppäimistön käyttökelpoisuuden kannalta tärkeitä asioita, kuten:

  • Näppäimen sijainti näppäinmatriisissa.
  • Kimmokkeen määrä ja sen suodattaminen.
  • Nopeus, jolla näppäimistötiedot välitetään.


Näppäimistön mikroprosessori ja ohjainpiiri.

Näppäinmatriisi on näppäinten alla oleva piirien ruudukko. Kaikissa näppäimistöissä kapasitiivisia näppäimistöjä lukuun ottamatta jokainen piiri katkeaa tietyn näppäimen alapuolella olevasta kohdasta. Kun näppäintä painetaan, virtapiirissä oleva aukko ylitetään, jolloin pieni määrä virtaa pääsee kulkemaan sen läpi. Prosessori tarkkailee näppäinmatriisia ja etsii merkkejä jatkuvuudesta missä tahansa verkon kohdassa. Kun se löytää sulkeutuneen piirin, se vertaa piirin sijaintia näppäinmatriisissa ROM-muistissa olevaan merkkikarttaan. Merkkikartta on periaatteessa prosessorin vertailutaulukko, joka kertoo prosessorille, mitä näppäin x,y-koordinaattien kohdalla oleva näppäin edustaa näppäinmatriisissa. Jos samanaikaisesti painetaan useampaa kuin yhtä näppäintä, prosessori tarkistaa, onko kyseisellä näppäinyhdistelmällä nimitys merkkikartassa. Esimerkiksi a-näppäimen painaminen yksinään johtaisi siihen, että tietokoneelle lähetettäisiin pieni a-kirjain. Jos painat Shift-näppäintä ja pidät sitä alhaalla samalla, kun painat a-näppäintä, prosessori vertaa tätä yhdistelmää merkkikarttaan ja tuottaa ison kirjaimen ”A”.


Katso näppäinmatriisia.

Näppäimistön merkkikartta voidaan korvata tietokoneen antamalla eri merkkikartalla. Näin tehdään melko usein kielissä, joiden merkeille ei ole englanninkielisiä vastineita. Lisäksi on olemassa apuohjelmia, joilla merkkikartan voi vaihtaa perinteisestä QWERTY:stä DVORAKiin tai muuhun mukautettuun versioon.

Näppäimistöt perustuvat kytkimiin, jotka aiheuttavat muutoksen näppäimistön piirien läpi kulkevassa virrassa. Kun näppäin painaa näppäinkytkintä piiriä vasten, syntyy yleensä pieni värähtely pintojen välillä, jota kutsutaan pomppimiseksi. Näppäimistön prosessori tunnistaa, että tämä hyvin nopea kytkeytyminen päälle ja pois ei johdu siitä, että painat näppäintä toistuvasti. Siksi se suodattaa kaikki pienet vaihtelut pois signaalista ja käsittelee sitä yhtenä näppäimen painalluksena.

Jos jatkat näppäimen pitämistä painettuna, prosessori määrittää, että haluat lähettää kyseisen merkin toistuvasti tietokoneelle. Tätä kutsutaan typematiikaksi. Tässä prosessissa viive jokaisen merkkikappaleen välillä voidaan yleensä asettaa ohjelmistossa, ja se vaihtelee yleensä 30 merkistä sekunnissa (cps) vain kahteen cps:iin.

Näppäimistötekniikat
Näppäimistöissä käytetään erilaisia kytkentätekniikoita. On mielenkiintoista huomata, että pidämme yleensä jonkinlaisesta ääni- ja tuntoaistivasteesta näppäimistöllä kirjoittamisellemme. Haluamme kuulla näppäinten ”naksahtavan” kirjoittaessamme, ja haluamme, että näppäimet tuntuvat tukevilta ja palautuvat nopeasti, kun painamme niitä. Tutustutaanpa näihin eri tekniikoihin:

  • Kumikuppikytkimet mekaaniset
  • Kapasitiiviset ei-mekaaniset
  • metallikontaktikytkimet mekaaniset
  • kalvokytkimet mekaaniset
  • vaahtomuovielementtikytkimet mekaaniset


Tässä näppäimistössä käytetään kumisilla kytkimillä varustettuja kytkimiä.

Tänä päivänä todennäköisesti suosituin käytössä oleva kytkintekniikka on kumikupu. Näissä näppäimistöissä jokainen näppäin istuu pienen, joustavan kumikupolin päällä, jonka keskellä on kova hiilikuitu. Kun näppäintä painetaan, näppäimen pohjassa oleva mäntä painuu kupua vasten. Tämä saa hiilikeskiönkin painumaan alaspäin, kunnes se painuu kovaa tasaista pintaa vasten näppäinmatriisin alapuolella. Niin kauan kuin näppäintä pidetään painettuna, hiilikeskus sulkee virtapiirin kyseisen matriisin osan osalta. Kun avain vapautetaan, kumikupu jousittuu takaisin alkuperäiseen muotoonsa ja pakottaa avaimen takaisin paikalleen.

Kumikuppikytkinnäppäimistöt ovat edullisia, niissä on melko hyvä tuntoaisti ja ne kestävät melko hyvin roiskeita ja korroosiota näppäinmatriisia peittävän kumikerroksen ansiosta. Kalvokytkimet ovat toiminnaltaan hyvin samanlaisia kuin kumikuppinäppäimistöt. Kalvonäppäimistössä ei kuitenkaan ole erillisiä näppäimiä. Sen sijaan siinä on yksi yksittäinen kumilevy, jossa on pullistumia kutakin näppäintä varten. Kalvokytkimiä on nähty monissa raskaaseen teollisuuskäyttöön tai ääriolosuhteisiin suunnitelluissa laitteissa. Koska ne eivät anna juuri lainkaan tuntoaistimuksia ja niitä voi olla hieman vaikea käsitellä, näitä näppäimistöjä on harvoin tavallisissa tietokonejärjestelmissä.

Kapasitiivisia kytkimiä pidetään ei-mekaanisina, koska ne eivät yksinkertaisesti sulje virtapiiriä kuten muut näppäimistötekniikat. Sen sijaan virta kulkee jatkuvasti kaikkien näppäinmatriisin osien läpi. Jokainen näppäin on jousikuormitettu, ja siinä on pieni levy, joka on kiinnitetty männän pohjaan. Kun näppäintä painetaan, tämä levy tuodaan hyvin lähelle toista, aivan sen alapuolella olevaa levyä. Kun nämä kaksi levyä tuodaan lähemmäs toisiaan, se vaikuttaa matriisin läpi kulkevan virran määrään kyseisessä kohdassa. Prosessori havaitsee muutoksen ja tulkitsee sen näppäimen painallukseksi kyseisessä kohdassa. Kapasitiiviset kytkinnäppäimistöt ovat kalliita, mutta ne eivät kärsi korroosiosta ja niiden käyttöikä on muita näppäimistöjä pidempi. Niissä ei myöskään ole pomppimisongelmia, koska kaksi pintaa ei koskaan kosketa toisiaan.

Metallikosketusnäppäimistöt ja vaahtoelementtinäppäimistöt eivät ole enää niin yleisiä kuin ennen. Metallikontaktikytkimissä on yksinkertaisesti jousikuormitteinen näppäin, jossa on metalliliuska männän pohjassa. Kun näppäintä painetaan, metalliliuska yhdistää piirin kaksi osaa. Vaahtomuovielementtikytkin on periaatteessa samantyyppinen, mutta siinä on pieni pala vaahtomuovia männän pohjan ja metalliliuskan välissä, mikä antaa paremman tuntoaistin. Molemmilla tekniikoilla on hyvä tuntoaisti, ne tuottavat tyydyttävän kuuloisia ”naksahduksia” ja ovat edullisia valmistaa. Ongelmana on, että koskettimet kuluvat tai ruostuvat nopeammin kuin näppäimistöissä, joissa käytetään muita tekniikoita. Näppäimistöissä ei myöskään ole mitään estettä, joka estäisi pölyn tai nesteiden pääsyn suoraan kosketukseen näppäinmatriisin piirien kanssa.

Näppäimistöstä tietokoneeseen
Kun kirjoitat, näppäimistön prosessori analysoi näppäinmatriisia ja määrittää, mitä merkkejä tietokoneeseen lähetetään. Se säilyttää nämä merkit muistipuskurissa, joka on yleensä noin 16 tavun kokoinen. Sen jälkeen se lähettää tiedot tietovirtana tietokoneeseen jonkinlaisen yhteyden kautta.


PS/2-tyyppinen näppäimistöliitin.

Yleisimmät näppäimistöliittimet ovat:

  • 5-nastainen DIN (Deustche Industrie Norm) -liitin
  • 6-nastainen IBM PS/2 mini-DIN -liitin
  • 4-nastainen USB (Universal Serial Bus) -liitin
  • sisäinen liitin (kannettaviin tietokoneisiin)

Normaalit DIN-liittimet ovat enää harvoin käytössä. Useimmissa tietokoneissa käytetään mini-DIN PS/2-liitintä; mutta yhä useammat uudet järjestelmät luopuvat PS/2-liittimistä USB-liittimen hyväksi. Riippumatta siitä, minkä tyyppistä liitintä käytetään, liitäntäkaapelin kautta lähetetään kaksi pääelementtiä. Ensimmäinen on näppäimistön virta. Näppäimistöt tarvitsevat toimiakseen pienen määrän virtaa, yleensä noin 5 volttia. Kaapeli välittää myös tiedot näppäimistöltä tietokoneeseen.

Kaapelin toinen pää liitetään porttiin, jota tietokoneen näppäimistöohjain valvoo. Tämä on integroitu piiri (IC), jonka tehtävänä on käsitellä kaikki näppäimistöltä tulevat tiedot ja välittää ne käyttöjärjestelmään. Kun käyttöjärjestelmälle ilmoitetaan, että näppäimistöltä tulee tietoja, voi tapahtua useita asioita:

  • Se tarkistaa, onko näppäimistötieto järjestelmätason komento. Hyvä esimerkki tästä on Ctrl-Alt-Delete Windows-tietokoneessa, joka käynnistää uudelleenkäynnistyksen.
  • Tällöin käyttöjärjestelmä välittää näppäimistötiedot eteenpäin nykyiselle sovellukselle.
  • Nykyinen sovellus ymmärtää näppäimistötiedon sovellustason komennoksi. Esimerkki tästä on Alt – f, joka avaa Windows-sovelluksen Tiedosto-valikon.
  • Nykyinen sovellus pystyy hyväksymään näppäimistötiedot sovelluksen sisällöksi (mitä tahansa asiakirjan kirjoittamisesta URL-osoitteen syöttämiseen tai laskutoimituksen suorittamiseen), tai
  • Nykyinen sovellus ei hyväksy näppäimistötietoja ja jättää siksi tiedot huomiotta.

Kun näppäimistötiedot tunnistetaan joko järjestelmä- tai sovelluskohtaisiksi, ne käsitellään sen mukaisesti. Todella hämmästyttävää on se, miten nopeasti kaikki tämä tapahtuu. Kun kirjoitan tätä artikkelia, sormieni näppäinten painamisen ja näytölle ilmestyvien merkkien välillä ei ole havaittavaa aikaa. Kun ajattelee, mitä kaikkea tietokone tekee saadakseen jokaisen merkin näkyviin, se on yksinkertaisesti uskomatonta!

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.