Учебно-методический комплекс

Клавиатура. Устройство, принцип действия, подключение.

 

Клавиатура – основной посредник между человеком и электронной техникой множества разновидностей: от персональных компьютеров до мобильных телефонов. Несмотря на почтенный возраст клавиатуры (она использовалась на печатных машинках еще до возникновения компьютеров) и развитие альтернативных, «гуманных» интерфейсов – координатных устройств и технологий распознавания речи, без клавиатуры на компьютере невозможно ни работать, ни в ряде случаев даже играть в игры. Разумной альтернативы клавиатурам пока нет, есть лишь их разнообразные модификации и разновидности, выполняющие одни и те же основные функции и некоторое количество дополнительных – в зависимости от запросов пользователя.

Конструкция клавиатуры. Устройство

По своей конструкции клавиатуры делятся на кнопочные и сенсорные.

Сенсорные модели не содержат механических элементов (токопроводящие контакты у этих устройств выполнены в виде двух пластин, разделенных небольшим зазором), за счет чего такие клавиатуры работают бесшумно и весьма долговечны (ведь они защищены от пыли и других внешних воздействий). Эти устройства не имеют клавиш как таковых, поэтому тактильные ощущения пользователя от работы с ними принципиально иные. Широкого распространения сенсорные клавиатуры не получили в связи с необходимостью привыкания и дороговизной (свыше $100).

Большинство пользователей имеют дело не с новомодными сенсорными, а с традиционными – кнопочными клавиатурами. О них мы и будем говорить далее.

Стандартные кнопочные клавиатуры всех видов имеют схожие габариты (приблизительно 45,0х15,0х1,5 см) и заключены в прямоугольные пластиковые или металлические корпуса разной степени прочности и герметичности. Кнопки (101 и более) на них расположены в определенном порядке, имеют (за исключением наиболее часто используемых) одинаковые размеры и форму, величину хода, а также находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (все эти параметры и допустимые вариации их значений регулируются отраслевыми стандартами, в частности ISO 9241-4). У нестандартных клавиатур характеристики могут быть иными, но на то они и нестандартные.

Интерфейсы: проводные и беспроводные

Для подключения клавиатуры к компьютеру используются два проводных интерфейса.

Большинство дешевых и сравнительно старых моделей ориентировано на интерфейс PS/2. Соответствующий круглый 6-контактный разъем присутствует на большинстве материнских плат и обычно выведен на заднюю панель системного блока (как в десктопах, так и в ноутбуках) в виде порта из фиолетового пластика.

Соединение через порт USB (соответствующим разъемом оснащены современные клавиатуры) имеет ряд преимуществ. Например, USB-клавиатуру можно подключать и отключать в «горячем» режиме (выполнение данной операции с клавиатурой стандарта PS/2 может привести к системному сбою или повреждению контроллера на материнской плате).

Существуют специальные переходники как с разъема mini-DIN на PS/2, так и обратно – с интерфейсом USB на PS/2.

Беспроводные клавиатуры вместо кабельных интерфейсов для связи с компьютером используют радиоканал. Для соединения с ПК такие устройства комплектуются адаптером, подключаемым к порту USB. В качестве стандарта радиосвязи нередко выступает Bluetooth, но достаточно распространены и решения, в которых применен уникальный фирменный радиоинтерфейс. Модели второго типа имеют более широкий радиус действия – до 60 м (ценность этого факта представляется сомнительной, ведь увидеть экран монитора на таком расстоянии можно только в бинокль, однако производители на этой характеристике по неведомой нам причине делают акцент).

Питаются они либо от встроенного аккумулятора, либо от сменных батарей, комплекта которых (обычно 2хАА или 4хААА) хватает на 2–3 месяца эксплуатации. За счет этого к их стоимости (и без того значительной – от 500 руб. и выше) добавляются и текущие расходы на батареи.

Чтобы несколько одинаковых беспроводных клавиатур могли одновременно работать в одном помещении, каждая из них снабжена уникальным идентификатором. Кроме того, передача клавишных команд производится этими устройствами в зашифрованном виде, что предотвращает возможность перехвата радиосигнала.

Принцип работы клавиатуры

Процесс обработки клавиатурного ввода обеспечивают два микроконтроллера: один находится на материнской плате компьютера, второй встроен в саму клавиатуру. Таким образом, клавиатура ПК сама по себе является отдельной компьютерной системой.

Как видно на схеме, все горизонтальные линии матрицы клавиш подключены через резисторы к источнику питания. Встроенный чип клавиатуры имеет два порта – выходной и входной. Первый подключен к вертикальным (Y0–Y5) линиям матрицы, а второй – к горизонтальным (X0–X4).

Клавиатурный контроллер работает по следующему алгоритму. Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю, клавиатурный микро­компьютер непрерывно оценивает состояние горизонтальных линий – независимо от активности на центральном процессоре.

Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех горизонтальных линиях соответствует логической единице. Как только осуществляется нажатие, соответствующие клавише вертикальная и горизонтальная линии замкнутся. Когда процессор установит на вертикальной линии значение логического нуля, уровень напряжения на горизонтальной линии также будет соответствовать логическому нулю.

Если на одной из горизонтальных линий появится уровень логического нуля, клавиатурный процессор зафиксирует нажатие на клавишу. Он отправит в компьютер (через внутренний 16-байтовый буфер) запрос на прерывание и номер клавиши в матрице (он называется скан-кодом – это случайное значение, выбранное компанией IBM еще тогда, когда она создавала первую клавиатуру для ПК). Обмен данными с компьютером повторится, когда ранее нажатая клавиша будет отпущена.

Скан-код однозначно связан с клавиатурной распайкой и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиши. Но программе нужен не порядковый номер нажатой клавиши, а соответствующий символу на этой клавише ASCII-код. Важно понимать, что этот код не полностью зависит от скан-кода, ведь одной и той же клавише может быть присвоено несколько значений. Это зависит в том числе и от состояния других клавиш (например, кнопка 0 используется и для ввода символа), когда она нажата вместе с кнопкой) и системных настроек. Именно это позволяет варьировать раскладку клавиатуры (то есть порядок расположения клавиш на ней).

Все преобразования скан-кода в ASCII-код выполняются программными средствами. Как правило, данные функции берут на себя соответствующие модули BIOS. Для кодирования символов кириллицы эти модули расширяются клавиатурными драйверами (сейчас они включены в состав операционных систем).