Устройство клавиатур

Оглавление

1. Способы связи клавиатуры с компьютером
2. Матрица клавиш
3. Устройство видов клавиатур

Способы связи клавиатуры с компьютером

Непосредственное подключение матрицы к процессору

- Применялось в микрокомпьютерах 1970—80-х, применяется и поныне в законченных микропроцессорных устройствах. Опросом матрицы занимался центральный процессор компьютера, периодически прерывая работу текущей программы. Достоинства такого подхода — дешевизна и максимальная гибкость: раскладка задаётся программно, возможно опрашивать не всю матрицу. Недостатки: трата процессорного времени на опрос клавиатуры; необходимость подключения клавиатуры многопроводным шлейфом; несовместимость клавиатур разных моделей компьютеров. Примеры компьютеров с такой клавиатурой: ZX-Spectrum, Commodore PET.

Передача ASCII-символа

- Применялась в терминалах и некоторых компьютерах 1970—80-х. Процессор освобождён от опроса клавиатуры, этим занимается специальный контроллер. Этот контроллер возвращает ASCII-код символа исходя из нажатой клавиши и положения клавиш-модификаторов. Такой способ требует меньше нагрузки на процессор, чем предыдущий, но нет возможности считывать состояние клавиш-модификаторов, определить, нажата ли та или иная клавиша в текущий момент, а также ограничивает использование сочетаний клавиш. Кроме того, раскладка такой клавиатуры задана жёстко, для переключения раскладки требуется внесение изменений в схему контроллера. ASCII рассчитывался на такое поведение, и нажатие кнопки ⇧ Shift может прибавлять 16 к знакам препинания, вычитать 16 от цифр и 32 от букв, отсюда регистровая пара +;, распространённая в компьютерах того времени, и кодировка JCUKEN. А регистровые пары 1! и ,> дожили до наших дней. Примеры компьютеров с такой клавиатурой: Apple II, БК-0010.

Передача скан-кода

- Наиболее распространённый способ с появлением IBM PC. В этом случае опросом также занимается контроллер клавиатуры, например для PC (PS/2)- клавиатур аналогичный Intel 8042. Однако каждой клавише, в том числе клавишам-модификаторам, присваивается собственный скан-код, не соотносящийся напрямую с кодом символа ASCII. При нажатии или отпускании клавиши передаётся этот скан-код и признак нажатия/отпускания. Сопоставление скан-кода с кодом символа производится программным обеспечением самого компьютера. Данный подход совмещает достоинства двух предыдущих.

Клавишам-модификаторам — биты в битовой маске, остальным — скан-коды

- Этот механизм применён в протоколах USB и Bluetooth. Один пакет содержит восемь клавиш-модификаторов (по биту на каждую) и шесть обычных клавиш (по байту на каждую). Такой пакет передаёт не события «нажал клавишу/отпустил клавишу», как PS/2-клавиатура, а полное состояние всех клавиш, что удобно при горячем подключении и в радиопомехах. Ёмкость такого пакета можно исчерпать нажатием семи «обычных» клавиш вместе, что исполнимо разве что в парной игре на одной клавиатуре.

Матрица клавиш

Клавиши обычно считываются с помощью схемы, которая называется «матрица кнопок». Есть сетка проводов; на пересечениях находятся кнопки. В настоящей матрице кнопок (например, в джойстиках) последовательно с каждой кнопкой включён быстродействующий диод. В клавиатурах для удешевления диодов не ставят, поэтому одновременное нажатие трёх клавиш A1, A2 и Б1 зарегистрирует замыкание проводов Б и 2. Первые клавиатуры в таких случаях действительно регистрировали фантомное нажатие, все без исключения современные контроллеры, наоборот, подавляют неоднозначные клавиши — в данном примере Б1. Современная клавиатура без диодов гарантирует регистрацию одновременного нажатия любых двух клавиш с любой комбинацией кнопок-модификаторов наподобие ⇧ Shift. В играх для двоих этого мало, в Star Control была даже утилита для экспериментирования с одновременными нажатиями. Хорошие производители клавиатур стараются делать, чтобы распространённые игровые комбинации нажимались без проблем.

В дорогих геймерских клавиатурах диоды есть, однако особенности протокола USB HID ограничивают количество одновременных нажатий шестью (плюс произвольное количество клавиш-модификаторов). Использование специализированного драйвера и подключение через PS/2 такого недостатка не имеют. При подключении через USB без специального драйвера такая клавиатура ведёт себя как обычная HID- и потому с лёгкостью «подхватывается» всеми BIOS и ОС.

Некоторые клавиатуры выдают себя за три-четыре клавиатуры. Соответственно, количество нажатых клавиш увеличивается до 18 или 24. Точно так же игровые мыши часто выдают себя за комплект «мышь+клавиатура», чтобы «нажимать» на клавиши.

Мембранная клавиатура

Мембранная клавиатура, иногда именуемая плёночной, представляет собой электронное устройство, лишенное отдельных механических движущихся частей. Она выполнена в форме плоской, обычно гибкой поверхности с изображением клавиш. Эти клавиатуры отличаются низкой стоимостью, компактностью (толщина составляет доли миллиметра), способностью к изгибанию, высокой надежностью и практически идеальной защитой от грязи и влаги.

Однако основным недостатком мембранных клавиатур является почти полное отсутствие тактильной обратной связи, что существенно затрудняет безошибочный и слепой набор. Для компенсации этого недостатка устройства с мембранной клавиатурой обычно оснащают звуковым подтверждением нажатия клавиши. Кроме того, нагрузка на мембраны не "дозируется" системой "толкатель-колпачок", а определяется исключительно пальцами оператора, что снижает ресурс мембран.

В 1980-х годах мембранные клавиатуры были широко использованы в домашних компьютерах низкого ценового диапазона. В настоящее время они продолжают применяться в бытовой технике, например, в микроволновых печах. На таких клавиатурах резиновый колпачок нажимает на мембрану через пластиковую клавишу, обеспечивая тактильную обратную связь.

Резиномембранная клавиатура

Главный недостаток резиновой клавиатуры заключается в необходимости сильного прижима для чёткого замыкания, особенно на изношенных устройствах, где этот прижим требуется ещё сильнее. Решение этой проблемы частично находится в клавиатурах, которые сочетают принципы мембранной и резино-купольной клавиатур. Первый патент на подобную клавиатуру был получен в 1982 году компанией Texas Instruments.

Большинство компьютерных клавиатур, за исключением самых дорогих настольных и миниатюрных ручных, являются резиномембранными. Современная клавиша состоит из толкателя (по аналогии с механической клавиатурой), резинки (по аналогии с резиновой клавиатурой) и трёх плёнок (по аналогии с мембранной клавиатурой). В настольных клавиатурах толкатель защищён от перекоса особым образом. В ноутбуках, где толщина клавиатуры минимальна, клавиша двигается без перекосов с использованием ножничного механизма. Некоторые производители также предлагают ножничные клавиатуры для настольных компьютеров.

Особенности кривой отклика моделируются с использованием сложной формы резинки, которая включает три участка: 1) сопротивление резинки среднее, усилие среднее; 2) резинка продавлена, усилие низкое; 3) палец резинки упирается в плёнку, клавиша нажата, усилие высокое.

Ножничные клавиатуры более дорогостоящи и сложны в разборке по сравнению с шахтными, но менее подвержены загрязнению из-за узких щелей. В маркетинговых материалах такие клавиатуры классифицируются как резиномембранные традиционной конструкции (шахтные) — "мембранные", а резиномембранные ножничные — "ножничные".

Механическая клавиатура

Механические клавиатуры оснащены настоящими выключателями, каждый из которых содержит металлическую пружину и металлические контакты, расположенные под каждой клавишей. Отклик от клавиши зависит от типа выключателя: существуют как "линейные" геймерские, так и "проваливающиеся" выключатели, предпочтительные для тех, кто работает с машинописными устройствами. Современные механические выключатели значительно отличаются от традиционных микропереключателей, и момент срабатывания обычно происходит где-то в середине хода клавиши. Одной из наиболее известных механических клавиатур является "IBM Model M".

"IBM Model M" использует механизм с "изгибающейся пружиной" (buckling spring). Этот механизм включает пружину и молоточек, который замыкает ёмкостной или плёночный выключатель. Несмотря на характерный громкий щелчок, эта клавиатура завоевала популярность среди профессиональных машинисток, так как звуковой эффект совпадает с моментом срабатывания клавиши. В 1993 году после отделения Lexmark от IBM, производство клавиатур было передано дочерней компании. Сегодня компания Unicomp, приобретшая патент в 1996 году, продолжает выпуск и обслуживание клавиатур "Model M".

Проекционная клавиатура

Проекционная клавиатура - это тип компьютерной клавиатуры, представляющий собой оптическую проекцию клавиш на поверхность, по которой пользователь проводит нажатия. Эта инновационная технология отслеживает движения пальцев, превращая их в команды клавиш. Многие такие системы также могут действовать как виртуальная мышь и даже виртуальная музыкальная клавиатура пианино. Например, портативный компьютер P-ISM представляет собой систему, включающую проекционную клавиатуру и небольшой видеопроектор, все это умещается в размерах пишущей ручки.

Оптическая виртуальная клавиатура была разработана и запатентована инженерами IBM в 1992 году. С помощью оптической технологии она реагирует на движения человеческих рук и пальцев, интерпретируя их как взаимодействие с несуществующим физическим устройством ввода. Это устройство может эмулировать различные типы ручных средств ввода, обеспечивая универсальность в использовании. Такие клавиатуры предлагают удобство и высокую скорость ввода данных, заменяя механические узлы ввода.

В 2002 году компания Canesta из США разработала проекционную клавиатуру, используя свою собственную "электронную технологию восприятия". Позднее они лицензировали эту технологию корейской компании Celluon.

Принцип работы

1. Лазер или проектор проецирует изображение клавиатуры на плоскую горизонтальную поверхность.
2. Датчик или видеокамера в проекторе фиксирует движения пальцев.
3. Вычисляются координаты произведённых действий и генерируются сигналы нажатия на клавиши.

С использованием инфракрасного луча:

1. Невидимый инфракрасный луч проецируется поверх виртуальной клавиатуры.
2. Палец производит нажатие виртуальной клавиши. Это нажатие вызывает прерывание инфракрасного луча, и инфракрасный свет отражается обратно в проектор.
3. Отражённый инфракрасный луч проходит через инфракрасный фильтр в камере.
4. Камера фиксирует угол излучённого инфракрасного луча.
5. Сенсор вычисляет, в каком месте был прерван инфракрасный луч.
6. Вычисляются координаты произведённых действий и генерируются сигналы нажатия на клавиши.