Jak działają klawiatury komputerowe

Część komputera, z którą wchodzimy w największy kontakt, jest prawdopodobnie elementem, o którym myślimy najmniej. Ale klawiatura jest niesamowity kawałek technologii. Na przykład, czy wiesz, że klawiatura w typowym systemie komputerowym jest właściwie sama w sobie komputerem?


Twoja podstawowa klawiatura systemu Windows

W swojej istocie klawiatura to seria przełączników połączonych z mikroprocesorem, który monitoruje stan każdego z nich i inicjuje określoną reakcję na zmianę tego stanu. W tym wydaniu How Stuff Works dowiesz się więcej o tym przełączaniu, a także o różnych typach klawiatur, o tym, jak się łączą i rozmawiają z komputerem oraz jakie są składniki klawiatury.

Rodzaje klawiatur
Klawiatury zmieniły bardzo niewiele w układzie od czasu ich wprowadzenia. W rzeczywistości, najczęstszą zmianą była po prostu naturalna ewolucja polegająca na dodawaniu większej liczby klawiszy, które zapewniają dodatkową funkcjonalność.

Najczęściej spotykane klawiatury to:

  • 101-klawiszowa Klawiatura rozszerzona
  • 104-klawiszowa Klawiatura Windows
  • 82-klawiszowa Klawiatura standardowa Apple
  • 108-klawiszowa Klawiatura rozszerzona Apple

Komputery przenośne, takie jak laptopy, dość często mają niestandardowe klawiatury, które mają nieco inny układ klawiszy niż klawiatura standardowa. Ponadto, wielu producentów systemów dodaje specjalne przyciski do standardowego układu. Typowa klawiatura ma cztery podstawowe typy klawiszy:

  • Klucze maszynopisania
  • Klawiatura numeryczna
  • Klucze funkcyjne
  • Klucze sterujące

Klucze maszynopisania to część klawiatury zawierająca klawisze literowe, na ogół ułożone w tym samym stylu, który był powszechny w maszynach do pisania. Ten układ, znany jako QWERTY od pierwszych sześciu liter w układzie, został pierwotnie zaprojektowany w celu spowolnienia szybkich maszynistów poprzez uczynienie układu klawiszy nieco niewygodnym! Powodem, dla którego producenci maszyn do pisania to zrobili, było to, że mechaniczne ramiona, które drukowały każdy znak na papierze, mogły się zaciąć, jeśli klawisze były wciskane zbyt szybko. Ponieważ od dawna jest to standard, a ludzie przyzwyczaili się do konfiguracji QWERTY, producenci opracowali klawiatury komputerowe wykorzystujące ten sam układ, mimo że zacinanie się klawiszy nie stanowi już problemu. Krytycy układu QWERTY przyjęli inny układ, Dvorak, który umieszcza najczęściej używane litery w najwygodniejszym układzie.


Klawiatura Apple Extended.

Klawiatura numeryczna jest częścią wspomnianej wcześniej naturalnej ewolucji. Wraz ze wzrostem wykorzystania komputerów w środowisku biznesowym, wzrosła potrzeba szybkiego wprowadzania danych. Ponieważ dużą część danych stanowiły liczby, do klawiatury dodano zestaw 17 klawiszy. Klawisze te są rozmieszczone w takiej samej konfiguracji, jakiej używa większość maszyn do dodawania i kalkulatorów, aby ułatwić przejście na komputer urzędnikom przyzwyczajonym do tych innych maszyn.

W 1986 roku IBM rozszerzył podstawową klawiaturę o klawisze funkcyjne i sterujące. Klawisze funkcyjne, ułożone w linii na górze klawiatury, mogły być przypisane do konkretnych poleceń przez bieżącą aplikację lub system operacyjny. Klawisze sterujące umożliwiały sterowanie kursorem i ekranem. Cztery klawisze ułożone w odwróconą literę T pomiędzy klawiszami do pisania i klawiaturą numeryczną umożliwiają użytkownikowi przesuwanie kursora na wyświetlaczu w małych odstępach. Klawisze sterujące pozwalają użytkownikowi na wykonywanie dużych skoków w większości aplikacji. Typowe klawisze sterujące obejmują:

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

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

Klawiatura Windows dodaje kilka dodatkowych klawiszy kontrolnych: dwa klawisze Windows lub Start, oraz klawisz Aplikacji. Klawiatury Apple są specyficzne dla systemów Apple Mac.

Wewnątrz klawiatury
Procesor w klawiaturze musi zrozumieć kilka rzeczy, które są ważne dla użyteczności klawiatury, takie jak:

  • Położenie klawisza w matrycy klawiszy.
  • Ilość odbić i jak je filtrować.
  • Prędkość, z jaką należy nadawać typematykę.


Układy mikroprocesora i sterownika w klawiaturze.

Matryca klawiszy to siatka układów pod klawiszami. We wszystkich klawiaturach z wyjątkiem pojemnościowych, każdy obwód jest przerwany w miejscu pod konkretnym klawiszem. Naciśnięcie klawisza wypełnia lukę w obwodzie, umożliwiając przepływ niewielkiej ilości prądu. Procesor monitoruje matrycę klawiszy w poszukiwaniu oznak ciągłości w dowolnym punkcie siatki. Gdy znajdzie obwód, który jest zamknięty, porównuje jego położenie na matrycy klawiszy z mapą znaków w pamięci ROM. Mapa znaków jest w zasadzie tabelą porównawczą dla procesora, która mówi mu, co reprezentuje klawisz o współrzędnych x,y w matrycy klawiszy. Jeśli więcej niż jeden klawisz zostanie naciśnięty w tym samym czasie, procesor sprawdza, czy ta kombinacja klawiszy ma swoje oznaczenie w mapie znaków. Na przykład, naciśnięcie klawisza a samo w sobie spowoduje wysłanie do komputera małej litery „a”. Jeśli podczas naciskania klawisza a naciśniesz i przytrzymasz klawisz Shift, procesor porówna tę kombinację z mapą znaków i utworzy dużą literę „A”.


Spojrzenie na matrycę klawiszy.

Mapa znaków w klawiaturze może być zastąpiona inną mapą znaków dostarczoną przez komputer. Dzieje się tak dość często w językach, których znaki nie mają odpowiedników w języku angielskim. Istnieją również narzędzia do zmiany mapy znaków z tradycyjnej QWERTY na DVORAK lub inną niestandardową wersję.

Klawiatura opiera się na przełącznikach, które powodują zmianę w prądzie przepływającym przez obwody w klawiaturze. Kiedy klawisz naciska przełącznik na obwód, zwykle występuje niewielka ilość wibracji pomiędzy powierzchniami, znana jako odbicie. Procesor w klawiaturze rozpoznaje, że to bardzo szybkie włączanie i wyłączanie nie jest spowodowane wielokrotnym naciskaniem klawisza. Dlatego odfiltrowuje wszystkie drobne fluktuacje z sygnału i traktuje go jako pojedyncze naciśnięcie klawisza.

Jeżeli nadal trzymasz wciśnięty klawisz, procesor stwierdza, że chcesz wysłać ten znak wielokrotnie do komputera. Jest to znane jako typematyka. W tym procesie opóźnienie między każdą instancją znaku może być normalnie ustawione w oprogramowaniu, zwykle w zakresie od 30 znaków na sekundę (cps) do zaledwie dwóch cps.

Technologie klawiaturowe
Klawiatury wykorzystują różne technologie przełączników. Interesujące jest to, że generalnie lubimy mieć słyszalną i dotykową reakcję na nasze pisanie na klawiaturze. Chcemy słyszeć „kliknięcie” klawiszy podczas pisania, a także chcemy, aby klawisze były twarde i szybko powracały po naciśnięciu. Przyjrzyjmy się tym różnym technologiom:

  • Gumowa kopułka mechaniczna
  • Capacitive non-mechanical
  • Metal contact mechaniczna
  • Membranowa mechaniczna
  • Foam element mechaniczna


Ta klawiatura wykorzystuje gumowe przełączniki kopułkowe.

Prawdopodobnie najpopularniejszą obecnie technologią przełączników jest gumowa kopułka. W tych klawiaturach, każdy klawisz znajduje się nad małą, elastyczną gumową kopułką z twardym węglowym środkiem. Kiedy klawisz jest wciśnięty, tłok na dole klucza naciska w dół przeciwko kopuły. Powoduje to, że środek z węgla również przesuwa się w dół, aż do zetknięcia się z twardą, płaską powierzchnią pod matrycą klawisza. Tak długo jak klucz jest trzymany, środek węglowy zamyka obwód dla tej części matrycy. Kiedy klucz zostaje zwolniony, gumowa kopułka powraca do swojego pierwotnego kształtu, zmuszając klucz do powrotu do pozycji spoczynkowej.

Przełączniki pojemnościowe są uważane za niemechaniczne, ponieważ nie tworzą one po prostu obwodu, jak inne technologie klawiaturowe. Zamiast tego, prąd stale przepływa przez wszystkie części matrycy klawiszy. Każdy klawisz jest obciążony sprężyną i posiada malutką płytkę przymocowaną do dolnej części tłoka. W momencie naciśnięcia klawisza, płytka ta jest zbliżana do innej płytki znajdującej się tuż pod nią. Zbliżenie tych dwóch płytek wpływa na ilość prądu przepływającego przez matrycę w tym miejscu. Procesor wykrywa tę zmianę i interpretuje ją jako naciśnięcie klawisza w danym miejscu. Klawiatury z przełącznikami pojemnościowymi są drogie, ale nie ulegają korozji i mają dłuższą żywotność niż jakiekolwiek inne klawiatury. Nie mają też problemów z odbiciami, ponieważ dwie powierzchnie nigdy się nie stykają.

Klawiatury z metalowym stykiem i elementem piankowym nie są tak powszechne jak kiedyś. Przełączniki ze stykiem metalowym mają po prostu sprężynujący klawisz z paskiem metalu na spodzie tłoka. Gdy klawisz jest wciśnięty, pasek metalu łączy dwie części obwodu. Przełącznik z elementem piankowym jest zasadniczo tej samej konstrukcji, ale z małym kawałkiem gąbczastej pianki między dolną częścią nurnika a paskiem metalu, co zapewnia lepszą reakcję dotykową. Obie technologie mają dobrą reakcję na dotyk, robią satysfakcjonująco słyszalne „kliknięcia” i są niedrogie w produkcji. Problem polega na tym, że styki mają tendencję do zużywania się lub korodowania szybciej niż w klawiaturach, w których zastosowano inne technologie. Ponadto, nie ma bariery, która zapobiegałaby bezpośredniemu kontaktowi kurzu lub płynów z obwodami matrycy klawiszy.

Z klawiatury do komputera
Podczas pisania procesor w klawiaturze analizuje matrycę klawiszy i określa, jakie znaki należy wysłać do komputera. Utrzymuje te znaki w buforze pamięci, który zwykle ma rozmiar około 16 bajtów. Następnie wysyła dane w postaci strumienia do komputera za pomocą jakiegoś rodzaju połączenia.


Złącze klawiatury typu PS/2.


Najczęściej spotykane złącza klawiatury to:

  • 5-pinowe złącze DIN (Deustche Industrie Norm)
  • 6-pinowe złącze mini-DIN IBM PS/2
  • 4-pinowe złącze USB (Universal Serial Bus)
  • złącze wewnętrzne (do laptopów)

Normalne złącza DIN są już rzadko używane. Większość komputerów używa złącza mini-DIN PS/2; ale coraz więcej nowych systemów rezygnuje ze złącz PS/2 na rzecz USB. Bez względu na rodzaj zastosowanego złącza, przez kabel połączeniowy przesyłane są dwa podstawowe elementy. Pierwszym z nich jest zasilanie klawiatury. Klawiatury wymagają niewielkiej ilości energii, zazwyczaj około 5 woltów, aby mogły funkcjonować. Kabel przenosi również dane z klawiatury do komputera.

Drugi koniec kabla łączy się z portem, który jest monitorowany przez sterownik klawiatury komputera. Jest to układ scalony (IC), którego zadaniem jest przetwarzanie wszystkich danych pochodzących z klawiatury i przekazywanie ich do systemu operacyjnego. Kiedy system operacyjny jest powiadamiany, że są dane z klawiatury, może się zdarzyć wiele rzeczy:

  • Sprawdza, czy dane z klawiatury są poleceniem poziomu systemowego. Dobrym tego przykładem jest Ctrl-Alt-Delete na komputerze z systemem Windows, który inicjuje restart.
  • System operacyjny następnie przekazuje dane z klawiatury do bieżącej aplikacji.
  • Bieżąca aplikacja rozumie dane z klawiatury jako polecenie na poziomie aplikacji. Przykładem tego może być Alt – f, który otwiera menu Plik w aplikacji Windows.
  • Bieżąca aplikacja jest w stanie zaakceptować dane z klawiatury jako zawartość dla aplikacji (cokolwiek od pisania dokumentu do wprowadzania adresu URL do wykonywania obliczeń), lub
  • Bieżąca aplikacja nie akceptuje danych z klawiatury i dlatego ignoruje informacje.

Po zidentyfikowaniu danych z klawiatury jako specyficznych dla systemu lub aplikacji, są one odpowiednio przetwarzane. Naprawdę niesamowitą rzeczą jest to, jak szybko to wszystko się dzieje. Gdy piszę ten artykuł, nie ma zauważalnego upływu czasu pomiędzy naciśnięciem klawiszy przez moje palce a pojawieniem się znaków na monitorze. Kiedy pomyślisz o wszystkim, co robi komputer, aby każdy pojedynczy znak się pojawił, to jest to po prostu niesamowite!

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.