Hoe computertoetsenborden werken

Het deel van de computer waarmee we het meest in contact komen, is waarschijnlijk het deel waar we het minst bij stilstaan. Maar het toetsenbord is een verbazingwekkend stukje technologie. Wist u bijvoorbeeld dat het toetsenbord van een doorsnee computersysteem eigenlijk zelf een computer is?


Jouw Windows-toetsenbord

In essentie is een toetsenbord een reeks schakelaars die zijn verbonden met een microprocessor die de status van elke schakelaar controleert en een specifieke reactie initieert op een verandering in die status. In deze aflevering van How Stuff Works komt u meer te weten over deze schakelhandelingen, de verschillende soorten toetsenborden, hoe ze worden aangesloten en met uw computer praten, en wat de onderdelen van een toetsenbord zijn.

Typen Toetsenborden
Toetsenborden zijn sinds hun introductie qua indeling weinig veranderd. In feite is de meest voorkomende verandering gewoon de natuurlijke evolutie geweest van het toevoegen van meer toetsen die extra functionaliteit bieden.

De meest voorkomende toetsenborden zijn:

  • 101-toets Verbeterd toetsenbord
  • 104-toets Windows-toetsenbord
  • 82-toets Apple standaardtoetsenbord
  • 108-toets Apple Extended-toetsenbord

Draagbare computers zoals laptops hebben vrij vaak aangepaste toetsenborden die een iets andere toetsenindeling hebben dan een standaardtoetsenbord. Ook voegen veel systeemfabrikanten speciale toetsen toe aan de standaardindeling. Een typisch toetsenbord heeft vier basistypen toetsen:

  • Typtoetsen
  • Numeriek toetsenbord
  • Functietoetsen
  • Controltoetsen

De typetoetsen zijn het gedeelte van het toetsenbord dat de lettertoetsen bevat, over het algemeen gerangschikt in dezelfde stijl die gebruikelijk was voor typemachines. Deze indeling, bekend als QWERTY voor de eerste zes letters in de indeling, was oorspronkelijk ontworpen om snelle typisten af te remmen door de indeling van de toetsen enigszins onhandig te maken! De reden waarom de fabrikanten van schrijfmachines dit deden, was dat de mechanische armen die elk teken op het papier drukten, konden vastlopen als de toetsen te snel werden ingedrukt. Omdat de QWERTY-configuratie al lang als standaard is ingeburgerd en mensen eraan gewend zijn geraakt, hebben fabrikanten toetsenborden voor computers ontwikkeld met dezelfde indeling, ook al is vastlopen niet langer een probleem. Critici van de QWERTY lay-out hebben een andere lay-out aangenomen, Dvorak, die de meest gebruikte letters in de meest handige opstelling plaatst.


Een Apple Extended-toetsenbord.

Het numerieke toetsenbord is een onderdeel van de eerder genoemde natuurlijke evolutie. Naarmate het gebruik van computers in zakelijke omgevingen toenam, nam ook de behoefte aan snelle gegevensinvoer toe. Aangezien een groot deel van de gegevens uit cijfers bestond, werd een set van 17 toetsen aan het toetsenbord toegevoegd. Deze toetsen zijn in dezelfde configuratie geplaatst als de meeste optelmachines en rekenmachines, om de overgang naar de computer te vergemakkelijken voor bedienden die gewend zijn aan deze andere machines.

In 1986 breidde IBM het basistoetsenbord uit met functie- en besturingstoetsen. Aan de functietoetsen, die in een rij over de bovenkant van het toetsenbord zijn gerangschikt, kunnen specifieke opdrachten worden toegewezen door de huidige toepassing of het besturingssysteem. Met de besturingstoetsen konden de cursor en het scherm worden bestuurd. Vier in een omgekeerde T-vorm gerangschikte toetsen tussen de cijfertoetsen en het numerieke toetsenbord stellen de gebruiker in staat de cursor op het scherm in kleine stappen te verplaatsen. Met de besturingstoetsen kan de gebruiker in de meeste toepassingen grote sprongen maken. Veel voorkomende besturingstoetsen zijn onder andere:

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

Het Windows-toetsenbord voegt enkele extra besturingstoetsen toe: twee Windows- of Start-toetsen, en een toepassingstoets. De Apple-toetsenborden zijn specifiek voor Apple Mac-systemen.

In het toetsenbord
De processor in een toetsenbord moet verschillende dingen begrijpen die belangrijk zijn voor het nut van het toetsenbord, zoals:

  • Positie van de toets in de toetsenmatrix.
  • De hoeveelheid bounce en hoe die te filteren.
  • De snelheid waarmee de typematica moet worden verzonden.


De microprocessor en het besturingscircuit van een toetsenbord.

De toetsenmatrix is het raster van schakelingen onder de toetsen. Bij alle toetsenborden, met uitzondering van capacitieve, wordt elk circuit onderbroken op het punt onder een specifieke toets. Door op de toets te drukken wordt het gat in het circuit overbrugd, waardoor een kleine hoeveelheid stroom kan vloeien. De processor controleert de toetsenmatrix op tekenen van continuïteit op elk punt van het rooster. Wanneer hij een circuit vindt dat gesloten is, vergelijkt hij de plaats van dat circuit op de toetsmatrix met de karakterkaart in zijn ROM. De tekenkaart is in feite een vergelijkingstabel voor de processor die hem vertelt wat de toets op x,y-coördinaten in de toetsenmatrix voorstelt. Als meer dan één toets tegelijk wordt ingedrukt, controleert de processor of die combinatie van toetsen een aanduiding heeft in de tekenkaart. Als u bijvoorbeeld alleen op de a-toets drukt, wordt er een kleine letter “a” naar de computer gestuurd. Als u de Shift-toets ingedrukt houdt terwijl u de a-toets indrukt, vergelijkt de processor die combinatie met de tekenkaart en produceert een hoofdletter “A”.


Een blik op de toetsenmatrix.

De tekenkaart in het toetsenbord kan worden vervangen door een andere, door de computer verstrekte tekenkaart. Dit wordt vaak gedaan in talen waarvan de karakters geen Engelse equivalenten hebben. Ook zijn er hulpprogramma’s om de tekenkaart te veranderen van de traditionele QWERTY in DVORAK of een andere aangepaste versie.

Keyboards vertrouwen op schakelaars die een verandering veroorzaken in de stroom die door de circuits in het toetsenbord loopt. Wanneer de toets de schakelaar tegen het circuit drukt, is er gewoonlijk een kleine hoeveelheid trilling tussen de oppervlakken, bekend als bounce. De processor in een toetsenbord herkent dat dit zeer snelle aan- en uitschakelen niet wordt veroorzaakt doordat u de toets herhaaldelijk indrukt. Daarom filtert hij alle kleine fluctuaties uit het signaal en behandelt het als een enkele toetsaanslag.

Als u een toets ingedrukt blijft houden, bepaalt de processor dat u dat teken herhaaldelijk naar de computer wilt zenden. Dit staat bekend als typematics. Bij dit proces kan de vertraging tussen elke instantie van een teken normaal in de software worden ingesteld, gewoonlijk variërend van 30 tekens per seconde (cps) tot zo weinig als twee cps.

Toetsenbordtechnologie
Toetsenborden maken gebruik van een verscheidenheid aan schakeltechnologieën. Het is interessant op te merken dat we over het algemeen graag een hoorbare en voelbare reactie op ons typen op een toetsenbord hebben. We willen de toetsen horen “klikken” als we typen, en we willen dat de toetsen stevig aanvoelen en snel terugveren als we ze indrukken. Laten we eens kijken naar deze verschillende technologieën:

  • Rubberdome mechanisch
  • Capacitief niet-mechanisch
  • Metaalcontact mechanisch
  • Membraan mechanisch
  • Schuimelement mechanisch


Dit toetsenbord maakt gebruik van rubberen dome-schakelaars.

Waarschijnlijk de populairste schakeltechnologie die tegenwoordig wordt gebruikt, is de rubberen koepel. In deze toetsenborden zit elke toets op een kleine, flexibele rubberen koepel met een harde koolstof in het midden. Wanneer de toets wordt ingedrukt, duwt een plunjer aan de onderkant van de toets tegen de koepel. Hierdoor wordt het koolstofcentrum ook naar beneden gedrukt, tot het tegen een hard vlak oppervlak onder de toetsmatrijs drukt. Zolang de toets wordt vastgehouden, maakt het koolstofcentrum de stroomkring voor dat deel van de matrix rond. Wanneer de sleutel wordt losgelaten, veert de rubberen koepel terug in zijn oorspronkelijke vorm, waardoor de sleutel wordt teruggeduwd naar zijn rustpositie.

Rubber dome switch keyboards zijn goedkoop, hebben een vrij goede tactiele respons en zijn redelijk bestand tegen morsen en corrosie vanwege de rubberen laag die de toetsenmatrix bedekt. Membraanschakelaars zijn qua werking zeer vergelijkbaar met rubberen dome-toetsenborden. Een membraantoetsenbord heeft echter geen afzonderlijke toetsen. In plaats daarvan bestaat het uit één enkele rubberen plaat met uitstulpingen voor elke toets. U hebt membraanschakelaars gezien op veel apparaten die voor zwaar industrieel gebruik of extreme omstandigheden zijn ontworpen. Omdat ze bijna geen voelbare respons bieden en enigszins moeilijk te manipuleren kunnen zijn, worden deze toetsenborden zelden aangetroffen op normale computersystemen.

Capacitieve schakelaars worden als niet-mechanisch beschouwd, omdat zij niet gewoon een circuit sluiten zoals de andere toetsenbordtechnologieën. In plaats daarvan vloeit er voortdurend stroom door alle delen van de toetsenmatrix. Elke toets is veerbelast, en heeft een klein plaatje dat aan de onderkant van de plunjer is bevestigd. Wanneer een toets wordt ingedrukt, wordt dit plaatje heel dicht bij een ander plaatje gebracht dat er net onder zit. Wanneer de twee plaatjes dichter bij elkaar worden gebracht, beïnvloedt dit de hoeveelheid stroom die op dat moment door de matrix loopt. De processor detecteert de verandering en interpreteert deze als een toetsaanslag voor die plaats. Capacitieve schakeltoetsenborden zijn duur, maar hebben geen last van corrosie en hebben een langere levensduur dan andere toetsenborden. Ook hebben ze geen problemen met stuiteren, omdat de twee oppervlakken nooit echt contact maken.

Metaalcontact- en schuimelement-toetsenborden zijn niet meer zo gebruikelijk als vroeger. Metaalcontactschakelaars hebben gewoon een verende toets met een strook metaal aan de onderkant van de plunjer. Wanneer de toets wordt ingedrukt, verbindt de metalen strip de twee delen van de schakeling. De schakelaar met schuimelement heeft in principe hetzelfde ontwerp, maar met een klein stukje sponsachtig schuim tussen de onderkant van de plunjer en de metalen strip, waardoor een betere tactiele respons wordt verkregen. Beide technologieën hebben een goede tactiele respons, maken bevredigend hoorbare “klikken” en zijn goedkoop te produceren. Het probleem is dat de contacten de neiging hebben sneller te verslijten of te corroderen dan bij toetsenborden die andere technologieën gebruiken. Ook is er geen barrière die voorkomt dat stof of vloeistoffen in direct contact komen met de schakelingen van de toetsenmatrix.

Van het toetsenbord naar de computer
Terwijl u typt, analyseert de processor in het toetsenbord de toetsenmatrix en bepaalt welke tekens naar de computer moeten worden verzonden. Hij bewaart deze tekens in een buffer van geheugen die gewoonlijk ongeveer 16 bytes groot is. Vervolgens stuurt hij de gegevens in een stroom naar de computer via een of andere verbinding.


Een toetsenbordaansluiting van het PS/2-type.

De meest voorkomende toetsenbordconnectoren zijn:

  • 5-pins DIN (Deustche Industrie Norm) connector
  • 6-pins IBM PS/2 mini-DIN connector
  • 4-pins USB (Universal Serial Bus) connector
  • interne connector (voor laptops)

Normale DIN-connectoren worden nog maar zelden gebruikt. De meeste computers gebruiken de mini-DIN PS/2 connector; maar een toenemend aantal nieuwe systemen laat de PS/2 connectors vallen ten gunste van USB. Welk type connector ook wordt gebruikt, twee hoofdelementen worden door de verbindingskabel gestuurd. Het eerste is stroom voor het toetsenbord. Toetsenborden hebben een kleine hoeveelheid stroom nodig, meestal ongeveer 5 volt, om te kunnen functioneren. De kabel vervoert ook de gegevens van het toetsenbord naar de computer.

Het andere uiteinde van de kabel wordt verbonden met een poort die wordt bewaakt door de toetsenbordcontroller van de computer. Dit is een geïntegreerde schakeling (IC) die tot taak heeft alle gegevens die van het toetsenbord komen te verwerken en door te sturen naar het besturingssysteem. Wanneer het besturingssysteem wordt gemeld dat er gegevens van het toetsenbord zijn, kunnen er een aantal dingen gebeuren:

  • Het controleert of de toetsenborddata een commando op systeemniveau is. Een goed voorbeeld hiervan is Ctrl-Alt-Delete op een Windows computer, die een reboot initieert.
  • Het besturingssysteem geeft dan de toetsenbord data door aan de huidige applicatie.
  • De huidige toepassing begrijpt de toetsenbordgegevens als een commando op toepassingsniveau. Een voorbeeld hiervan zou zijn Alt – f, waarmee het menu Bestand in een Windows-toepassing wordt geopend.
  • De huidige toepassing kan toetsenbordgegevens accepteren als inhoud voor de toepassing (alles van het typen van een document tot het invoeren van een URL tot het uitvoeren van een berekening), of
  • De huidige toepassing accepteert geen toetsenbordgegevens en negeert daarom de informatie.

Wanneer de toetsenbord data is geïdentificeerd als systeem-specifiek of applicatie-specifiek, wordt het dienovereenkomstig verwerkt. Het echt verbazingwekkende is hoe snel dit allemaal gebeurt. Terwijl ik dit artikel typ, zit er geen waarneembare tijd tussen het moment dat mijn vingers de toetsen indrukken en het moment dat de tekens op mijn monitor verschijnen. Als je bedenkt wat de computer allemaal doet om elk afzonderlijk teken te laten verschijnen, is dat gewoon ongelooflijk!

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.