Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Устройство клавиатуры



В этом разделе речь идет об устройстве обычной клавиатуры, ее подключении к системному блоку, о переходниках и скан-кодах.

Конструкции клавиш

В современных клавиатурах используется несколько типов клавиш. В большинстве клавиатур установлены механические переключатели, в которых происходит замыкание электрических контактов при нажатии клавиш. В некоторых клавиатурах высокого класса используются бесконтактные емкостные датчики. В этом разделе описываются разные типы пе­реключателей и подробно рассматривается конструкция каждого из них.

Наиболее широко распространены контактные клавиатуры. Существуют следующие их разновидности:

■     с механическими переключателями;

■     с замыкающими накладками;

■     с резиновыми колпачками;

■     мембранные.

Механические переключатели

В механических переключателях (рис. 16.2) происходит замыкание металлических контактов. В них для создания осязательной” обратной связи зачастую устанавливается дополнительная конструкция из пружины и смягчающей пластинки. При этом ощущается сопротивление клавиши и слышится щелчок.

Механические переключатели очень надежны, их контакты обычно самоочищающиеся. Они выдерживают до 20 млн. срабатываний и стоят вторыми по долговечности после емкостных датчиков. Обратная связь у них просто превосходная.

Клавиатуры с механическими переключателями, несмотря на свою долговечность и тактильную обратную связь, значительно менее распространены, чем мембранные клавиатуры, которые рассматриваются несколько ниже. Многие компании, занимающиеся производством клавиатур, используют механические переключатели только в некоторых дорогостоящих мо­делях. Резкое уменьшение стоимости клавиатур, а также других традиционных устройств (например, мыши или дисковода) заставило производителей значительно снизить затраты, что привело к прекращению или перепрофилированию их производства в пользу менее дорогих мембранных клавиатур.



Рис. 16.2. Типичный механический переключатель, используемый в клавиатурах NMB. При нажатии клавиши происходит замыкание контактов

Механические переключатели компании Alps Electric используются многими производителями клавиатур механического типа, в том числе и самой Alps Electric. Также к числу производителей относятся компании Adesso, Inc. (www.adessoinc.com), Avant Prime и Stellar, продукция которых конкурирует с классическими клавиатурами Northgate (www.ergonomicsmadeeasy.com), Kinesis (www.kinesis-ergo.com) и SIIG (www.siig.com). Большая часть продукции этих производителей реализуется на рынке OEM, поэтому, просматривая подробные спецификации, обращайте внимание, не является ли та или иная клавиатура моделью с механическими переключателями.

Замыкающие накладки

Клавиши с замыкающими накладками широко применялись в старых клавиатурах. Они использовались в большинстве старых совместимых клавиатур компании Key Tronic и др. В них прокладка из пористого материала с приклеенной снизу фольгой соединяется с кнопкой клавиши (рис. 16.3).

Нажатие на клавишу

При нажатии клавиши фольга замыкает печатные контакты на плате. Когда клавиша отпускается, пружина возвращает ее в исходное положение. При этом пористая прокладка смягчает удар, но клавиатура становится слишком мягкой”. Основной недостаток этой конструкции — отсутствие щелчка при нажатии (нет обратной связи), поэтому в системах с такой клавиатурой часто приходится программным образом выводить на встроенный динамик компьютера какие-нибудь звуки, свидетельствующие о наличии контакта. Ощущения от работы на них сугубо индивидуальные (лично мне эти клавиатуры не нравятся).

Еще один недостаток такой конструкции состоит в том, что она весьма чувствительна к коррозии фольги и загрязнению контактов на печатной плате. Если это происходит, нажимать клавишу иногда приходится несколько раз, что, конечно же, действует на нервы. К счастью, чистить такую клавиатуру гораздо проще, чем другие. Можно снять печатную плату и получить доступ сразу ко всем накладкам, а не вынимать каждую клавишу в отдельности. После этого можно почистить накладки и саму плату — клавиатура будет как новенькая. Правда, через некоторое время ее снова придется чистить. Предотвратить коррозию и улучшить электрический контакт можно с помощью специального состава Stabilant 22a компании D.W. Electrochemicals (www.stabilant.com). Из-за отмеченных выше недостатков клавиатуры этого типа сейчас практически не используются; им на смену пришли конструкции с резиновыми колпачками.

Компания Key Tronic, которая является наиболее известным производителем клавиатур на основе этой технологии, в настоящее время использует в конструкциях среднего и высшего уровней технологию мембранных переключателей с центрированием контактных пластин. Поэтому клавиатуры с замыкающими накладками, по всей видимости, могут встретиться только в очень старых системах.

Резиновые колпачки

Клавиатура с резиновыми колпачками похожа на предыдущую конструкцию, но превосходит ее во многих отношениях. Вместо пружины в ней используется резиновый колпачок с замыкающей вставкой из той же резины, но с угольным наполнителем. При нажатии клавиши шток надавливает на резиновый колпачок, деформируя его. Деформация колпачка сначала происходит упруго, а затем он проваливается”. При этом угольный наполнитель замыкает проводники на печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает первоначальную форму и возвращает клавишу в исходное состояние.

Замыкающие вставки делаются из очищенного угля, потому они не подвержены коррозии и сами по себе очищают металлические контакты, к которым прижимаются. Колпачки обычно прессуются все вместе в виде листов резины, покрывающих плату целиком и защищающих ее от пыли, грязи и влаги. Количество деталей в такой конструкции минимально. Все это обеспечивает высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение.

Мембранная клавиатура

Эта клавиатура является разновидностью предыдущей, но в ней нет отдельных клавиш: вместо них используется лист с разметкой, который укладывается на пластину с резиновыми колпачками. При этом ход каждой клавиши ограничен, и такая клавиатура не годится для обычной печати. Но, поскольку рассматриваемая клавиатура состоит фактически из трех пластин и минимума других деталей, она может оказаться незаменимой в экстремальных условиях. Мембранные клавиатуры часто используются в пультах управления (станками, агрегатами и т.п.), т.е. там, где не нужно вводить большие объемы данных.

Тем не менее мембранные клавиатуры используются не только в промышленности или в ресторанах быстрого питания. В течение последних лет мембранные переключатели со стандартными колпачками клавиш полностью вытеснили своих собратьев с резиновыми колпачками, получив при этом широкое распространение на рынке клавиатур низшего и среднего классов. Несмотря на то что срок жизни дешевых мембранных переключателей ограничен 5– 10 млн. нажатий, лучшие модели выдерживают до 20 млн. нажатий, что доказывает надежность переключателей такого типа (рис. 16.4). Некоторые клавиатуры с мембранными переключателями еще более живучие. К примеру, клавиатуры серии G8x от компании Cherry (www.cherrycorp.com) выдерживают до 50 млн. нажатий.

Колпачок клавиши



Рис. 16.4. Типичный мембранный переключатель, используемый в клавиатурах NMB

Мембранные клавиатуры обеспечивают более надежный и жесткий контакт, чем клавиатуры с резиновыми колпачками или устаревшие клавиатуры с замыкающими накладками, но по чувствительности уступают механическим или емкостным переключателям. Единственным исключением является серия клавиатур, разработанных компанией Key Tronic на основе технологии мембранных переключателей с центрированием контактных пластин. Их особенностью является технология Ergo, определяющая пять уровней удельной силы (от 35 до 80 г), которые зависят от относительной силы пальцев, нажимающих ту или иную клавишу. Так, например, чтобы нажать клавишу мизинцем левой руки (клавишу <Q>, <Z> или <A>), требуется усилие, равное 35 г. Для тех клавиш, которые используются другими пальцами, сила нажатия будет больше. Максимальное усилие приходится на клавишу пробела — 85 г. Для сравнения можно сказать, что стандартное усилие нажатия любых клавиш обычной клавиатуры равно 55 г (рис. 16.5). Для получения дополнительной информации, относящейся к клавиатурам Ergo, обратитесь на сайт компании KeyTronic-EMS (www.keytronic.com).

Пожалуй, наиболее распространенным типом мембранных клавиатур является Модель М” от IBM/Lexmark, которая сочетает в себе легендарный механизм деформирующихся пружин IBM с высококачественными мембранными переключателями. Чтобы выбрать наилучшую мембранную клавиатуру из огромного числа существующих на сегодняшнем рынке, следует, в первую очередь, обратить внимание на долговечность используемых переключателей. Надежные переключатели хотя и увеличивают себестоимость клавиатуры, но вместе с тем продлевают срок ее службы.




Емкостные датчики

Этот тип клавиатур входил в состав первых систем IBM PC, XT и AT. В них емкостные переключатели сочетаются с механизмом деформирующихся пружин, что обеспечивает высокую производительность и отличную обратную связь. Емкостные датчики, по своей сути, являются единственным существующим сегодня немеханическим переключателем (рис. 16.6). Несмотря на то, что движение клавиш механично по своей природе, на самом деле они не замыкают и не переключают контакты. Из-за высокой себестоимости таких клавиатур IBM в середине 1980-х переключилась на выпуск мембранных клавиатур с механизмом деформирующихся пружин (buckling spring). Независимо от типа самих переключателей, сам механизм деформирующихся пружин считается одним из лучших в мире, именно он издает тот самый щелчок, который символизирует срабатывание клавиши.



 


Рис. 16.6. Клавиша с емкостным датчиком

В емкостных датчиках нет замыкающихся контактов. Их роль выполняют две смещающиеся друг относительно друга пластинки и специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. Клавиатура представляет собой набор таких датчиков.

При нажатии клавиши шток смещает верхнюю пластинку ближе к неподвижной нижней. Деформированная пружина слегка изгибается, после чего скачкообразно выгибается дугой и ударяет по пластмассовой стенке (в этот момент слышится характерный щелчок), при этом сопротивление клавиши нажатию резко снижается. Когда верхняя пластинка приближается к нижней, емкость между ними увеличивается, что регистрируется схемой компаратора, установленной в клавиатуре.

Обратная связь механизма деформирующихся пружин так и осталась непревзойденной, поскольку относительно громкий щелчок и обратная отдача повышают скорость и точность печати. Единственным недостатком этой технологии является относительно высокая стоимость. Все клавиатуры, использующие данный механизм (будь то с емкостными или мембранными переключателями), относятся к верхнему ценовому сегменту. Однако их качество и долговечность сторицей окупают все затраты.

Несмотря на то что в старых клавиатурах IBM использовались емкостные датчики, тенденция к снижению себестоимости привела к тому, что в большинстве клавиатур, выпускаемых сегодня IBM, используются мембранные и прочие недорогие переключатели. В 1991 году из IBM выделилось подразделение Lexmark, специализирующееся на принтерах и клавиатурах, из которого, в свою очередь, в 1996 году выделилось подразделение Unicomp, занимающееся клавиатурами. Сегодня компания Unicomp выпускает под маркой IBM клавиатуры с механизмом деформирующихся пружин и мембранными переключателями. В качестве бонуса некоторые клавиатуры имеют встроенный механизм позиционирования TrackPoint.

Рекомендую обратить внимание на клавиатуру EnduraPro/104: http://www.pckeyboard.com/ep104.html или Customizer 101/104: http://www.pckeyboard.com/customizer.html

Это совершенно новые типы клавиатур, а не переделанные версии уже существующих моделей.

Клавиатура EnduraPro/104 выделяется знаменитым механизмом деформирующихся пружин, встроенным устройством позиционирования TrackPoint и портом мыши mini-DIN. Она обладает широким диапазоном программируемых настроек и при этом не требует специальных драйверов.

Непревзойденный механизм деформирующихся пружин (и характерный щелчок) привлек меня в лагерь ярых поклонников клавиатур от IBM (ныне — от Unicomp). Лично я считаю их наилучшими клавиатурами в мире и единственными, которыми хочется пользоваться в настольных системах. Особенно мне нравится то, что при использовании механизма пози­ционирования TrackPoint (который можно встретить и в ноутбуках от IBM/Lenovo, Toshiba, Dell, HP и других) не приходится снимать руки с клавиатуры, что существенно повышает производительность работы.

Интерфейс клавиатуры

Клавиатура состоит из набора переключателей, объединенных в матрицу. При нажатии клавиши процессор, установленный в самой клавиатуре, определяет координаты нажатой клавиши в матрице. Кроме того, процессор клавиатуры определяет продолжительность нажатия и может обработать даже одновременное нажатие нескольких клавиш. В клавиатуре установлен буфер емкостью 16 байт, в который заносятся данные при слишком быстрых или одновременных нажатиях. Затем эти данные в соответствующей последовательности передаются в систему.

Обычно при нажатии клавиш возникает эффект дребезжания, т.е. контакт устанавливается не сразу, а после нескольких кратковременных замыканий и размыканий. Процессор, установленный в клавиатуре, должен подавлять это дребезжание и отличать его от двух последовательных нажатий одной и той же клавиши. Сделать это довольно просто, поскольку пере­ключение контактов при дребезжании происходит гораздо быстрее, чем при нажатии клавиши пользователем.

Клавиатура ПК фактически представляет собой небольшой компьютер, связанный с основной системой одним из двух способов:

■     с помощью специального последовательного канала передачи данных при использовании штекера PS/2;

■     через порт USB.

Связь с системным блоком осуществляется через последовательный канал, данные по которому передаются по 11 бит, причем восемь из них собственно данные, а остальные — синхронизирующие и управляющие. Хотя это полноценный последовательный канал связи (данные передаются по одному проводнику), он не совместим со стандартным последовательным портом RS-232, который часто используется для подключения модемов.

В клавиатурах первых моделей PC использовался микроконтроллер 8048, а в более новых компьютерах применяется микросхема 8049 со встроенной памятью ROM или другие микросхемы, совместимые с 8048 или 8049. Например, в расширенной клавиатуре IBM всегда использовался специализированный вариант процессора 6805 компании Motorola, совместимый с микросхемами Intel. Встроенный процессор клавиатуры сканирует матрицу переключателей, устраняет эффект дребезжания, вырабатывает при нажатии клавиши соответствующий скан-код и передает его на системную плату. Этот процессор имеет свою память, иногда небольшую память ROM и встроенный последовательный интерфейс.

В компьютере PC/XT последовательный интерфейс клавиатуры соединен с микросхемой 8255 программируемого периферийного интерфейса (Programmable Peripheral Interface — PPI) на системной плате. Эта микросхема, в свою очередь, подключена к контроллеру прерываний через линию IRQ 1, которая используется для сигнализации о том, что данные с кла­виатуры доступны. Сами данные из микросхемы 8255 передаются в процессор через порт ввода-вывода с адресом 60h. Сигнал на линии IRQ 1 заставляет процессор компьютера перейти к подпрограмме обработки прерываний (INT 9h), которая интерпретирует скан-коды клавиатуры и определяет дальнейшие действия.

В компьютерах типа AT последовательный интерфейс клавиатуры подключен к специальному контроллеру клавиатуры на системной плате. В качестве такого контроллера используется микросхема 8042 универсального интерфейса периферийных устройств (Universal Peripheral Interface — UPI). Этот микроконтроллер фактически является еще одним процессором со встроенными ROM емкостью 2 Кбайт и RAM на 128 байт. Существует версия с микроконтроллером 8742, в котором используется микросхема EPROM; такой микроконтроллер позволяет стирать информацию и записывать ее заново. В комплекты ROM для модернизации старых системных плат входили и новые микросхемы контроллеров клавиатуры, поскольку в них есть свои микросхемы ROM, которые тоже должны быть модифицированы. В некоторых компьютерах можно использовать микросхемы 8041 и 8741, которые отличаются только емкостью встроенной памяти. В то же время в современных системах контроллер клавиатуры интегрирован в набор микросхем системной логики.

В системах AT микроконтроллер, установленный в клавиатуре (типа 8048), пересылает данные в контроллер клавиатуры (типа 8042) на системной плате; возможна также передача данных в обратном направлении. Когда контроллер на системной плате принимает данные от клавиатуры, он выдает запрос по цепи IRQ 1 и передает данные главному процессору через порт ввода-вывода с адресом 60h (как и в PC/XT). Играя роль посредника между клавиатурой и главным процессором, контроллер клавиатуры типа 8042 может также преобразовывать скан-коды и выполнять другие функции. Данные могут передаваться контроллеру 8042 через тот же порт 60h, после чего он пересылает их в клавиатуру. Кроме того, при необходимости передать команды или проверить состояние контроллера клавиатуры на системной плате может быть использован порт ввода-вывода с адресом 64h. Передача команд обычно сопровождается пересылкой данных в одном из направлений через порт 60h.

В большинстве старых систем контроллер 8042 используется также для управления шиной адреса А20 при обращении к памяти, объем которой больше одного мегабайта. В современных системных платах эта функция возложена непосредственно на процессор и набор микросхем системной платы. Разъем клавиатуры AT был переименован в PS/2 после того, как в 1987 году было выпущено семейство компьютеров IBM PS/2. Именно тогда произошел переход от разъема DIN к mini-DIN; несмотря на то что сигналы остались прежними, в дальнейшем версию mini-DIN стали называть PS/2.

Клавиатура, подключенная к порту USB, работает практически так же, как и при подключении к традиционному порту DIN или mini-DIN. Микросхемы контроллера, установленные в клавиатуре, используются для получения и интерпретации данных перед тем, как они будут переданы через

порт USB в систему. Некоторые микросхемы включают в себя логическую часть концентратора USB, что позволяет клавиатуре работать непосредственно в качестве концентратора USB. При получении данных от клавиатуры порт USB передает их на 8042-совместимый контроллер, который обрабатывает данные так же, как и любую другую информацию клавиатуры.

Описанный процесс осуществляется уже после загрузки Windows. Но что же происходит в том случае, если пользователю приходится обращаться к клавиатуре при работе в командной строке или при конфигурировании системной BIOS? Как уже отмечалось, для работы с клавиатурой USB в режиме MS-DOS необходимо осуществить поддержку технологии USB Legacy в BIOS. Такая BIOS позволит выполнить следующие задачи:

■     конфигурирование главного контроллера;

■     подключение клавиатуры и мыши USB;

■     настройка планировщика главного контроллера;

■     направление данных, вводимых с клавиатуры или мыши USB, на контроллер клавиатуры 8042.

Системы, поддерживающие USB Legacy, могут использовать BIOS для управления клавиатурой USB до загрузки операционной системы. После загрузки системы драйвер главного контроллера USB берет управление клавиатурой на себя, отправляя команду StopBIOS подпрограмме BIOS, которая непосредственно руководит” клавиатурой. При переходе компью­тера в режим MS-DOS главный контроллер USB отправляет команду StartBIOS для повторного запуска той же подпрограммы BIOS.

Клавиатура USB начиная с того момента, как контроллер клавиатуры 8042 принимает отправленные сигналы, работает аналогично стандартным клавиатурам. При этом управление клавиатурой осуществляется на уровне BIOS (параметры BIOS, необходимые для работы с клавиатурой USB, должны быть корректно заданы). Как уже отмечалось, в некоторых случаях для обеспечения соответствующей поддержки клавиатуры USB может понадобиться обновленная версия BIOS. Кроме того, используемые наборы микросхем системной логики должны поддерживать режим USB Legacy.

Автоматическое повторение

Если удерживать какую-либо клавишу нажатой, возникает эффект автоматического повторения, т.е. клавиатура начинает непрерывно посылать на системную плату код нажатой клавиши. В клавиатуре AT можно регулировать частоту автоматического повторения, подавая соответствующие команды на ее процессор. В клавиатуре PC/XT этого сделать нельзя, так как интерфейс клавиатуры однонаправленный.

В клавиатурах AT существует возможность программной настройки частоты повторного набора символов и степень задержки. Настройка осуществляется с помощью системной BIOS (хотя некоторые микросхемы BIOS не поддерживают всех необходимых функций) или операционной системы. В Windows нужно открыть панель управления и щелкнуть на значке Клавиатура либо использовать команду MODE. В настройках можно задать скорость автоматического повторения от 2 до 30 символов в секунду и задержку от 0,25 до 1 секунды.

Для ускорения работы с клавиатурой лично я задаю максимальную частоту повторения (30 символов в секунду) и минимальную задержку (0,25 секунд). Такой режим можно определить с помощью следующей команды:

MODE CON: RATE=31 DELAY=0

Аналогично для снижения реакции клавиатуры можно задать минимальную частоту повторения (2 символа в секунду) и максимальное время задержки (1 секунду).

MODE CON: RATE=0 DELAY=3

Команда MODE CON: без задания параметров позволяет узнать текущие настройки клавиатуры. Настройки можно изменить и в диалоговом окне свойств клавиатуры панели управления (рис. 16.7). Ползунок Задержка перед началом повтора позволяет определить время нажатия клавиши, после которого символ начнет автоматически повторяться; ползунок Скорость повтора определяет частоту, с которой символы начинают автоматически повторяться по истечении времени ожидания.

Примечание

Деления на шкалах ползунков Задержка перед началом повтора и Скорость повтора соответствуют значениям параметров RATE и DELAY команды MODE. Каждое деление на шкале задержки соответствует 0,25 секунды, а на шкале скеорости повтора одному символу в секунду.



 


Рис. 16.7. Указание задержки перед началом повтора и скорости повтора для клавиатуры Windows

В диалоговом окне также находится текстовое поле, посредством которого можно проверить измененные параметры до их применения в системе. Щелкните мышью на текстовом поле, затем нажмите и удерживайте любую клавишу, после чего ввод символов будет осуществляться соответственно параметрам, определенным выше с помощью специальных ползунков.



Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Устройство клавиатуры", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2017 Дискета.info