Hur tangentbord fungerar

Den del av datorn som vi kommer mest i kontakt med är förmodligen den del som vi tänker minst på. Men tangentbordet är en fantastisk del av tekniken. Visste du till exempel att tangentbordet på ett typiskt datorsystem faktiskt är en egen dator?


Ditt grundläggande Windows-tangentbord

Ett tangentbord är i grund och botten en serie strömbrytare som är anslutna till en mikroprocessor som övervakar varje strömbrytares tillstånd och initierar ett specifikt svar vid en förändring av detta tillstånd. I det här numret av How Stuff Works får du lära dig mer om denna omkopplingsåtgärd och om de olika typerna av tangentbord, hur de ansluts och kommunicerar med din dator och vilka komponenter ett tangentbord har.

Typer av tangentbord
Tangentbord har förändrats mycket lite i layout sedan de introducerades. Faktum är att den vanligaste förändringen helt enkelt har varit den naturliga utvecklingen genom att lägga till fler tangenter som ger ytterligare funktioner.

De vanligaste tangentborden är:

  • 101-tangenter Utökat tangentbord
  • 104-tangenter Windows-tangentbord
  • 82-tangenter Apples standardtangentbord
  • 108-tangenter Apples utökade tangentbord

Portabla datorer, t.ex. bärbara datorer, har ganska ofta anpassade tangentbord som har något annorlunda tangentarrangemang än ett standardtangentbord. Många systemtillverkare lägger dessutom till specialknappar till standardlayouten. Ett typiskt tangentbord har fyra grundläggande typer av tangenter:

  • Typnycklar
  • Numerisk knappsats
  • Funktionstangenter
  • Kontrollnycklar

Typnycklarna är den del av tangentbordet som innehåller bokstavs-tangenterna, som i allmänhet är utformade i samma stil som var vanlig för skrivmaskiner. Denna layout, känd som QWERTY efter de första sex bokstäverna i layouten, var ursprungligen utformad för att sakta ner snabba skrivare genom att göra placeringen av tangenterna något besvärlig! Anledningen till att tillverkarna av skrivmaskiner gjorde detta var att de mekaniska armarna som tryckte ut varje tecken på pappret kunde fastna i varandra om tangenterna trycktes in för snabbt. Eftersom QWERTY-konfigurationen sedan länge är etablerad som standard och folk har vant sig vid den har tillverkarna utvecklat tangentbord för datorer med samma layout, även om det inte längre är något problem med fastlåsning. Kritiker av QWERTY-layouten har antagit en annan layout, Dvorak, som placerar de vanligaste bokstäverna i det mest praktiska arrangemanget.


Ett Apple Extended-tangentbord.

Det numeriska tangentbordet är en del av den naturliga utveckling som nämndes tidigare. I takt med att användningen av datorer i affärsmiljöer ökade, ökade också behovet av snabb datainmatning. Eftersom en stor del av uppgifterna bestod av siffror lades en uppsättning med 17 tangenter till på tangentbordet. Dessa tangenter är placerade i samma konfiguration som de flesta additionsmaskiner och miniräknare, för att underlätta övergången till datorn för kontorister som är vana vid dessa andra maskiner.

1986 utökade IBM det grundläggande tangentbordet med funktions- och kontrolltangenter. Funktionstangenterna, som är placerade på en rad över tangentbordets övre del, kunde tilldelas specifika kommandon av det aktuella programmet eller operativsystemet. Kontrolltangenterna gav möjlighet att styra markören och skärmen. Fyra tangenter som är placerade i en omvänd T-formation mellan skrivtangenterna och den numeriska knappsatsen gör det möjligt för användaren att flytta markören på skärmen i små steg. Kontrolltangenterna gör det möjligt för användaren att göra stora språng i de flesta tillämpningar. Vanliga kontrollknappar är bland annat:

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

Vindus-tangentbordet innehåller några extra kontrollknappar: två Windows- eller Start-tangenter och en programtangent. Apple-tangentborden är specifika för Apple Mac-system.

Inuti tangentbordet
Processorn i ett tangentbord måste förstå flera saker som är viktiga för tangentbordets användbarhet, t.ex:

  • Tangentens position i tangentmatrisen.
  • Mängden studs och hur den ska filtreras.
  • Hastigheten med vilken typematiken ska överföras.


Mikroprocessorn och styrkretsen i ett tangentbord.

Tangentmatrisen är rutnätet av kretsar under tangenterna. I alla tangentbord utom kapacitiva tangentbord bryts varje krets vid punkten under en viss tangent. Genom att trycka på tangenten överbryggas luckan i kretsen, vilket gör att en liten mängd ström kan flöda igenom. Processorn övervakar tangentmatrisen för att se om det finns tecken på kontinuitet vid någon punkt i rutnätet. När den hittar en krets som är stängd jämför den kretsens placering på tangentmatrisen med teckenkartan i dess ROM. Karaktärskartan är i princip ett jämförelseschema för processorn som talar om för den vad nyckeln vid x,y-koordinaterna i nyckelmatrisen representerar. Om mer än en tangent trycks in samtidigt kontrollerar processorn om kombinationen av tangenter har en beteckning i teckenkartan. Om man t.ex. trycker på a-tangenten ensam skulle detta resultera i att en liten bokstav ”a” skickas till datorn. Om du håller ned Shift-tangenten samtidigt som du trycker på a-tangenten jämför processorn den kombinationen med teckenkartan och producerar en stor bokstav ”A”.


En titt på tangentmatrisen.

Teckensättningen i tangentbordet kan ersättas av en annan teckensättning som tillhandahålls av datorn. Detta görs ganska ofta i språk vars tecken inte har engelska motsvarigheter. Det finns också verktyg för att ändra teckenkartan från den traditionella QWERTY till DVORAK eller en annan anpassad version.

Tangentbord är beroende av brytare som orsakar en förändring av den ström som flyter genom kretsarna i tangentbordet. När tangenten trycker tangentbrytaren mot kretsen uppstår vanligtvis en liten mängd vibrationer mellan ytorna, så kallad studs. Processorn i ett tangentbord känner igen att denna mycket snabba på- och avkoppling inte orsakas av att du trycker på tangenten upprepade gånger. Därför filtrerar den alla de små svängningarna ur signalen och behandlar den som ett enda tangenttryck.

Om du fortsätter att hålla ned en tangent bestämmer processorn att du vill skicka det tecknet upprepade gånger till datorn. Detta är känt som typematik. I denna process kan fördröjningen mellan varje instans av ett tecken normalt ställas in i programvaran, vanligtvis från 30 tecken per sekund (cps) till så få som två cps.

Tangentbordsteknik
Tangentbord använder en mängd olika växeltekniker. Det är intressant att notera att vi i allmänhet vill ha en viss hörbar och taktil respons på vårt skrivande på ett tangentbord. Vi vill höra hur tangenterna ”klickar” när vi skriver, och vi vill att tangenterna ska kännas fasta och snabbt återvända när vi trycker på dem. Låt oss ta en titt på dessa olika tekniker:

  • Gummi kupol mekanisk
  • Kapacitiv icke mekanisk
  • Metallkontakt mekanisk
  • Membran mekanisk
  • Skumelement mekanisk


Detta tangentbord använder gummikuppelbrytare.

Den antagligen mest populära brytartekniken som används idag är gummikoppling. I dessa tangentbord sitter varje tangent över en liten, flexibel gummikupol med en hård kolkärna i mitten. När tangenten trycks in trycker en kolv på tangentens undersida nedåt mot kupolen. Detta leder till att kolkärnan också trycks nedåt, tills den trycks mot en hård plan yta under tangentmatrisen. Så länge nyckeln hålls kvar, sluter kolkärnan kretsen för den delen av matrisen. När nyckeln släpps fjädrar gummikupolen tillbaka till sin ursprungliga form och tvingar nyckeln tillbaka upp till sitt viloläge.

Tangentbord med gummikuppelomkopplare är billiga, har ganska bra taktil respons och är ganska motståndskraftiga mot spill och korrosion på grund av gummiskiktet som täcker tangentmatrisen. Membranbrytare fungerar mycket lika som gummikopplade tangentbord. Ett membrantangentbord har dock inte separata tangenter. Istället har det ett enda gummiskikt med utbuktningar för varje tangent. Du har sett membranbrytare på många enheter som är utformade för tung industriell användning eller extrema förhållanden. Eftersom de nästan inte ger någon taktil respons och kan vara något svåra att manipulera, finns dessa tangentbord sällan på vanliga datorsystem.

Kapacitiva strömbrytare anses vara icke-mekaniska eftersom de inte helt enkelt sluter en krets som de andra tangentbordsteknikerna. Istället flyter strömmen ständigt genom alla delar av tangentmatrisen. Varje tangent är fjäderbelastad och har en liten platta som är fäst vid botten av kolven. När en tangent trycks in förs denna platta mycket nära en annan platta strax under den. När de två plattorna förs närmare varandra påverkar det mängden ström som flödar genom matrisen vid den punkten. Processorn upptäcker förändringen och tolkar den som ett tangenttryck för den platsen. Tangentbord med kapacitiva brytare är dyra, men drabbas inte av korrosion och har en längre livslängd än alla andra tangentbord. De har inte heller problem med studsar eftersom de två ytorna aldrig kommer i faktisk kontakt med varandra.

Tangentbord med metallkontakt och skumelement är inte lika vanliga som tidigare. Metallkontaktbrytare har helt enkelt en fjäderbelastad tangent med en remsa av metall på botten av kolven. När tangenten trycks in kopplar metallremsan ihop de två delarna av kretsen. Skumelementbrytaren har i princip samma konstruktion, men med en liten bit svampigt skum mellan botten av kolven och metallremsan, vilket ger en bättre taktil respons. Båda teknikerna har god taktil respons, ger tillfredsställande hörbara ”klick” och är billiga att tillverka. Problemet är att kontakterna tenderar att slitas ut eller korrodera snabbare än på tangentbord som använder andra tekniker. Det finns inte heller någon barriär som förhindrar att damm eller vätskor kommer i direkt kontakt med tangentmatrisens kretsar.

Från tangentbordet till datorn
När du skriver analyserar processorn i tangentbordet tangentmatrisen och bestämmer vilka tecken som ska skickas till datorn. Den upprätthåller dessa tecken i en minnesbuffert som vanligtvis är ungefär 16 byte stor. Den skickar sedan data i en ström till datorn via någon typ av anslutning.


En tangentbordsanslutning av PS/2-typ.

De vanligaste tangentbordsanslutningarna är:

  • 5-stifts DIN-kontakt (Deustche Industrie Norm)
  • 6-stifts IBM PS/2 mini-DIN-kontakt
  • 4-stifts USB-kontakt (Universal Serial Bus)
  • intern kontakt (för bärbara datorer)

Normala DIN-kontakter används sällan längre. De flesta datorer använder mini-DIN PS/2-kontakten, men allt fler nya system avstår från PS/2-kontakterna till förmån för USB. Oavsett vilken typ av kontakt som används skickas två huvudelement genom anslutningskabeln. Den första är ström till tangentbordet. Tangentbord kräver en liten mängd ström, vanligtvis omkring 5 volt, för att fungera. Kabeln transporterar också data från tangentbordet till datorn.

Den andra änden av kabeln ansluts till en port som övervakas av datorns tangentbordskontroller. Detta är en integrerad krets (IC) vars uppgift är att bearbeta alla data som kommer från tangentbordet och vidarebefordra dem till operativsystemet. När operativsystemet underrättas om att det kommer data från tangentbordet kan ett antal saker hända:

  • Det kontrollerar om tangentbordsdata är ett systemnivåkommando. Ett bra exempel på detta är Ctrl-Alt-Delete på en Windows-dator, vilket initierar en omstart.
  • Operativsystemet vidarebefordrar sedan tangentbordsdata till det aktuella programmet.
  • Det aktuella programmet förstår tangentbordsdata som ett kommando på programnivå. Ett exempel på detta är Alt – f, som öppnar menyn Arkiv i ett Windows-program.
  • Det aktuella programmet kan acceptera tangentbordsdata som innehåll för programmet (allt från att skriva ett dokument till att ange en URL till att utföra en beräkning), eller
  • Det aktuella programmet accepterar inte tangentbordsdata och ignorerar därför informationen.

När tangentbordsdata identifieras som antingen systemspecifika eller applikationsspecifika behandlas de därefter. Det riktigt häpnadsväckande är hur snabbt allt detta sker. När jag skriver den här artikeln går det ingen märkbar tid mellan att mina fingrar trycker på tangenterna och att tecknen visas på min bildskärm. När man tänker på allt som datorn gör för att få varje enskilt tecken att visas är det helt enkelt otroligt!

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.