Систему клавиатурного ввода в компьютере составляют:
- панель клавиш;
- световые индикаторы;
- внутренний контроллер;
- передающий канал;
- контроллер клавиатуры.
Нажатие клавиши на клавиатурной панели вызывает замыкание строки и столбца матрицы контактов. Их номера передаются во внутренний контроллер, где формируется скан-код нажатой клавиши, который по интерфейсному каналу передается на контроллер клавиатуры. При этом формируется и передается на процессор сигнал прерывания, который "извещает" компьютерную систему о том, что нажата клавиша, следовательно, надо обработать это событие.
Клавиши клавиатуры делятся на две группы:
- командные клавиши - предназначены для подачи кодов управляющих сигналов и включения специальных режимов ввода;
- буквенно-цифровые клавиши - предназначены для ввода буквенно-цифровых символов в компьютер.
В середине 19 века, когда компьютеров еще не было и в помине, была изобретена пишущая машинка. Первые пишущие машинки были несовершенны, и при быстром наборе происходило залипание рычагов. Чтобы как-то "разрулить" ситуацию была придумана специальная раскладка, получившая название QWERTY (по названию букв третьего буквенного ряда начиная слева). Суть этой раскладки заключалась в том, что наиболее часто встречающиеся буквы были поставлены "слабым" пальцам - мизинцам (по краям клавиатуры), а наиболее редко встречающиеся буквы - размещались в центре клавиатуры (в области указательных пальцев). Здесь идет речь о, так называемом, слепом десятипальцевом методе печати на клавиатуре.
Потом качество пишущих машинок заметно улучшилось, потом появились компьютеры, но привычка сильная штука - раскладка QWERTY так и осталась до наших дней. Справедливости ради следует сказать, что позже была разработана альтернативная раскладка Дворака , которая постепенно вытесняет стандартную QWERTY, но тотального распространения не получила.
В отличие от латиницы кириллическая раскладка была разработана сразу в эргономическом режиме (когда часто встречающиеся буквы расположены в центре клавиатуры) и используется по сей день практически в неизменном виде.
Как мы уже говорили выше, во время нажатия клавиши формируется скан-код и передается на контроллер клавиатуры. Контроллер использует установленную систему кодировок и в соответствии с ней распознает нажатую клавишу. Если нажата командная клавиша, то подается соответствующий управляющий сигнал в систему. Если нажата буквенно-цифровая клавиша, то из ПЗУ видеоконтроллера выбирается соответствующий код знакогенерации для отображения на экране монитора.
При разработке компьютера IBM применила 8-битное кодирование для ввода информации с клавиатуры - т.е., всего 256 возможных кодов. Каждому коду был присвоен свой графический образ. В основу лег набор символов ASCII (American Standard Code for Information Interchange), который был дополнен символами, которые IBM сочла нужными. Часть символов можно вводить непосредственным нажатием клавиш, часть - комбинацией клавиш.
Для адаптации кодовой таблицы под кириллицу была произведена "русификация" системы ввода. Для этого на соответствующих клавишах были нанесены русские буквы, и в систему знакогенерации контроллера внесены соответствующие изменения.
Клавиатура. Как работает клавиатура
С помощью клавиатуры мы вводим алфавитно-цифровые данные и управляем работой компьютера. Блок клавиатуры содержит клавиатуру и контроллер клавиатуры, который состоит из буферной памяти и схемы управления.
Параметры клавиатуры:
1. Тип переключателей – в современной клавиатуре в качестве переключателей, установленных под клавишами используют мембранные переключатели. Это контактные площадки, нанесенные на гибкие диэлектрические пластины. При нажатии верхняя пластина соприкасается с нижней и контакты замыкаются. Это обнаруживается контроллером клавиатуры и передается сигнал в ПК. Чаще используется в Notebook (маленькая толщина). Для настольных ПК чаще используют А1 клавиатуру (101 клавиша). В ней установлены специальные пружинящие пластины. Она надежна и удобна.
2. Расположение клавиш. Существуют прямая и эргономичная клавиатуры. Вторая более функциональна. Клавиши разделены по двум группам, каждая из которых повернута друг относительно друга (этот угол можно даже регулировать)
Условно мы можем выделить на клавиатуре четыре группы клавиш:
1. Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши (пробел, цифры 0-9, латинские буквы, русские буквы, знаки пунктуации, служебные символы «+», «,» и т.д.).
2. Функциональные клавиши: F1 – F10.
3. Служебные клавиши: Enter, Esc, Tab, стрелки управления курсором и многие другие.
4. Правая вспомогательная клавиатура.
По принципу работы клавиатура ПК радикально отличается от клавиатур разных технических устройств и пишущей машинки.
Клавиатура ПК имеет свое табло в оперативной памяти, представленное двумя байтами. Каждый из 16 битов этого табло – своеобразная лампочка, отражающая состояние той или иной специальной клавиши клавиатуры. Например, вы нажали клавишу NumLock, загорелась лампочка (бит № 5); снова нажали NumLock – лампочка погасла.
Такое табло нужно для того, чтобы расширить круг сигналов, которые может посылать ПК одна и та же клавиша. Например, нажатие клавиши с изображением латинской буквы «А», в зависимости от состояния лампочек на табло, может восприниматься как прописная или строчная латинская буква «А», как прописная или строчная русская «Ф».
Клавиатура отделена от какого-либо непосредственного воздействия на аппаратуру и операционную систему. Сигнал, посланный с клавиатуры, проходит двойную цензуру со стороны программных средств.
Во-первых, получив сигнал от клавиатуры, процессор прерывает работу и поручает специальному блоку операционной системы разобраться с этим сигналом. Операционная система совместно с драйвером клавиатуры исследует сигнал и, в зависимости от состояния «лампочек» на табло, представляет его некоторым другим десятичным кодом, после чего помещает этот код во временное хранилище – специальный буфер клавиатуры. Например, если на табло горит лампочка «русский алфавит», вместо кода латинской буквы в буфере появится код русской буквы, изображенной на той же клавише. Завершив эту операцию (первый уровень цензуры), операционная система сообщит процессору, что можно продолжать прерванную работу.
Во-вторых, когда прикладная программа решит, что ей понадобился сигнал от клавиатуры, она прерывает работу процессора, - с тем, чтобы он поручил операционной системе посмотреть, нет ли чего в буфере. Бывает, что к этому времени пользователь успел уже несколько раз нажать на клавиши, и в буфере имеется несколько кодов.
Если в буфере ничего нет (клавиатура не нажималась), программа может принять любое решение – или ждать поступления сигнала, или вернуться к прерванной работе, с тем, чтобы заглянуть в буфер попозже. Чаще всего программе приходится ждать, поскольку она заглядывает в буфер, чтобы узнать, что ей делать дальше.
Получив из буфера код (это всегда код самой старой нажатой клавиши), программа реализует второй уровень цензуры: в зависимости от замысла программиста, она может интерпретировать полученный код как угодно – как текстовый символ или как управляющий сигнал, а может и вовсе его проигнорировать.
Описанная схема справедлива практически для всех системных и прикладных программ. Например, текстовый редактор, подготовив все для работы, заглядывает в буфер клавиатуры. Получив текстовый символ, редактор сам отображает его на экране, запоминает в своем буфере и вновь заглядывает в буфер клавиатуры. Если пользователь задумался, редактор будет ждать.
Если вы удерживаете клавишу в нажатом состоянии, ее сигналы будут поступать в буфер непрерывно и могут его переполнить (если программа не будет успевать отрабатывать их).
При зависании машины, после непрерывного нажатия клавиш, компьютер начинает реагировать на очередное нажатие коротким «писком». Это означает, что буфер клавиатуры переполнен, а заглядывать в него и выбирать имеющиеся там коды – некому. Машину надо загрузить заново.
Клавиатуры бывают беспроводные, гибкие, изготовленные из специальной ткани с внедренными в нее проводниками, клавиатуры с идентификацией пользователя по отпечаткам пальцев и силе нажатия и т.д.
Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя . С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.
Существует три основных типа механизма клавиш: мембранный , полумеханический и механический . Мембранные клавиатуры обычно дешевле механических в несколько раз.
Мембранные клавиатуры
Название происходит оттого, что при нажатии клавиши замыкаются две мембраны. Возврат клавиши осуществляется резиновым куполом (с «шахтой» в центре). Для разделения мембран служит промежуточная пленка с отверстиями.
Так как мембраны находятся на внутренних сторонах пленок, то конструкция хорошо защищена, например, от пролитого кофе.
В более защищенной реализации все выглядит как единый резиновый коврик с выступающими куполами, расположенными под клавишами.
Плюсами мембранного типа клавиш являются защищенность , низкий шум ицена .
Минус данного типа - недолговечность .
Полумеханические клавиатуры
В этих клавиатурах используются более долговечные и не протирающиеся металлические контакты. Все это размещается на печатной плате. Клавиша возвращается резиновым куполом.
Механические клавиатуры
В механических клавиатурах клавиша возвращается пружиной .
Механические клавиатуры не требуют полного нажатия «до упора» чтобы зарегистрировать сигнал, потому сила для сдвижения клавиши с места является единственной силой, которую вам требуется приложить для регистрирования сигнала. Бить клавишу о каркас клавиатуры уже не обязательно.
Минусы такого механизма: отсутствие герметичности , стоимость.
Плюсом является долговечность и надежность , особенно когда контакты позолочены.
Долговечность (число нажатий, при котором обеспечивается надежный контакт):
для мембранных клавиатур: 10-30 млн;
для механических (полумеханических): 50 млн и даже 100 млн для позолоченных контактов.
Для обычного пользователя 20 млн при обычной работе хватит на 10 лет и более. За это время сменится минимум 2 поколения клавиатур.
Принцип действия.
Основные функции клавиатуры не нуждаются в поддержке драйверов.
Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ (Постоянное Запоминающие Устройство) в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.
Контролер процессора сканирует переключатели клавиш и при нажатии на любую клавишу, передается уникальный скан-код размером один байт. Когда скан-код попадает в процессор инициализируется аппаратное прерывание. Скан-код анализируется процессором и преобразуется в код символа. Далее полученный код символа помещается в небольшую область памяти, известную как буфер клавиатуры. Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он и предназначался, например текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера. В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. На практике в этот момент при нажатии на клавишу мы слышим предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.
Каждой клавише присвоен уникальный цифровой код и существуют специальные таблицы кодировки клавиатуры, как правило, они записана в специальную микросхему – знакогенератор процессора. Для смены кодировки клавиатуры применяются специальные программы – клавиатурные драйверы. Современные клавиатуры способны не только передавать данные в процессор, но и воспринимать команды от него.
Состав клавиатуры.
АЛФАВИТНО - ЦИФРОВЫХ КЛАВИШИ
Предназначены для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КЛАВИШИ (F1 - F12)
Функции, закрепленные за данными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный момент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной системы. F1 вызывает справочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш.
СЛУЖЕБНЫЕ КЛАВИШИ
SHIFT; ENTER; ALT; CTRL; TAB; ESC; BACKSPACE;
PRINT SCREEN – печать текущего состояния экрана на принтере (для MS-DOS) или сохранение его в специальной области оперативной памяти, называемой буфером обмена (для Windows).
SCROLL LOCK – переключение режима работы в некоторых (как правило, устаревших) программах.
PAUSE/BREAK – приостановка/прерывание текущего процесса.
УПРАВЛЕНИЕ КУРСОРОМ
Курсор - экранный элемент, указывающий место ввода знаковой информации, используется при работе с программами, выполняющими ввод данных и команд с клавиатуры. Клавиши управления курсором позволяют управлять позицией ввода.
UP / DOWN / LEFT / RIGHT
HOME и END переводят курсор в начало или конец текущей строки, соответственно. Их действие также модифицируется регистровыми клавишами.
INSERT переключает режим ввода данных (переключение между режимами вставки и замены). Если текстовый курсор находится внутри существующего текста, то в режиме вставки происходит ввод новых знаков без замены существующих символов (текст как бы раздвигается). В режиме замены новые знаки заменяют текст, имевшийся ранее в позиции ввода.
DELETE предназначена для удаления знаков, находящихся справа от текущего положения курсора. При этом положение позиции ввода остается неизменным.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ
дублирует действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели.
Настройка клавиатуры.
Клавиатуры персональных компьютеров обладают свойством повтора знаков, которое используется для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при длительном удержании клавиши начинается автоматический ввод связанного с ней кода.
В данном разделе речь пойдет об устройстве обычной клавиатуры, ее подключении к системному блоку, о переходниках и скан-кодах (scan code).
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 чисто механических переключателях происходит замыкание металлических контактов. В них для создания "осязательной" обратной связи зачастую устанавливается дополнительная конструкция из пружины и смягчающей пластинки. При этом вы ощущаете сопротивление клавиши и слышите щелчок. Некоторые компании, например Alps Electric, Lite- On и NMB Technologies, производят этот тип клавиатуры, используя переключатели фирмы Alps Electric.
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.
Замыкающие накладки
Клавиши с замыкающими накладками широко применялись в старых клавиатурах. Они использовались в большинстве старых совместимых клавиатур фирмы Keytronics и др. В них прокладка из пористого материала с приклеенной снизу фольгой соединяется с кнопкой клавиши (рис. 17.4).
¶Рис. 17.4. Конструкция клавиши с замыкающей накладкой из фольги
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. Фирма Compaq использовала подобные клавиатуры в своих компьютерах. 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 опять придется чистить. Для предотвращения коррозии и улучшения электрического контакта воспользуйтесь специальным составом Stabilant 22a фирмы D. W. Electrochemicals. Из-за отмеченных выше недостатков клавиатуры этого типа сейчас практически не используются, им на смену пришли конструкции с резиновыми колпачками.
