電腦鍵盤工作原理

電腦鍵盤工作原理

隨著IBM PC機的發(fā)展，鍵盤也分為XT, AT, PS/2鍵盤以至于后來的USB鍵盤. PC系列機使用的鍵盤有83鍵、84鍵、101鍵、102鍵和104鍵等多種。XT和AT機的標準鍵盤分別為83鍵和84鍵，而286機以上微機的鍵盤則 普遍使用101鍵、102鍵或104鍵。83鍵鍵盤是最早使用的一種PC機鍵盤，其鍵號與掃描碼是一致的。這個掃描碼被直接發(fā)送到主機箱并轉(zhuǎn)換為 ASCII碼；隨著高檔PC機的出現(xiàn)，鍵盤功能和按鍵數(shù)目得到了擴充，鍵盤排列也發(fā)生了變化，產(chǎn)生的掃描碼與83鍵鍵盤的掃描碼不同。為了保持PC系列微 機的向上兼容性，需將84/101/102/104鍵鍵盤的掃描碼轉(zhuǎn)換為83鍵鍵盤的掃描碼，一般將前者叫作行列位置掃描碼，而將后者稱為系統(tǒng)掃描碼。顯 然，對于83鍵鍵盤，這兩種掃描碼是相同的。

鍵盤是由一組排列成矩陣方式的按鍵開關(guān)組成，通常有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型，IBM系列個人微型計算機的鍵盤屬于非編碼類型。微機鍵盤主要由單片 機、譯碼器和鍵開關(guān)矩陣三大部分組成。其中單片機采用了INTEL8048單片微處理器控制，這是一個40引腳的芯片，內(nèi)部集成了8位 CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM、8位的定時器／計數(shù)器等器件。由于鍵盤排列成矩陣格式，被按鍵的識別和行列位置掃描碼的產(chǎn)生，是由 鍵盤內(nèi)部的單片機通過譯碼器來實現(xiàn)的。單片機在周期性掃描行、列的同時，讀回掃描信號線結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計算按鍵的位置以獲得掃描碼。當有鍵按 下時，鍵盤分兩次將位置掃描碼發(fā)送到鍵盤接口；按下一次，叫接通掃描碼；釋放時再發(fā)一次，叫斷開掃描碼。因此可以用硬件或軟件的方法對鍵盤的行、列分別進 行掃視，去查找按下的鍵，輸出掃描位置碼，通過查表轉(zhuǎn)換為ASCII碼返回。

鍵盤是與主機箱分開的一個獨立裝置，通過一根5芯電纜與主機箱連接，系統(tǒng)主板上的鍵盤接口按照鍵盤代碼串行傳送的應答約定，接受鍵盤發(fā)送來的掃描碼；鍵盤 在掃描過程中，7位計數(shù)器循環(huán)計數(shù)。當高5位(D6一D2)狀態(tài)為全“0”時，經(jīng)譯碼器在O列線上輸出一個“0”,其余均為“1”；而計數(shù)器的低二位 (D1D0)通過4選1多路選擇器控制0—3行的掃描。計數(shù)器計一個數(shù)則掃描一行，計4個數(shù)全部行線掃描一遍，同時由計數(shù)器內(nèi)部向D2進位，使另一列線1 變低，行線再掃描一遍。只要沒有鍵按下，多路選擇器就一直輸出高電平，則時鐘一直使計數(shù)器循環(huán)計數(shù)，對鍵盤輪番掃描。當有一個鍵被按下時，若掃描到該鍵所 在的行和列時，多路選擇器就會輸出一個低電平，去封鎖時鐘門，使計數(shù)器停止計數(shù)。這時計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)就是被按鍵的位置碼(即掃描碼)。8048利用程序 讀取這個鍵碼后，在最高位添上一個“O”，組成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后從P22引腳以串行方式輸出。在8048檢測到鍵按下后，還要繼續(xù)對鍵盤掃描檢測，以 發(fā)現(xiàn)該鍵是否釋放。當檢測到釋放時，8048在剛才讀出的7位位置碼的前面(最高位)加上一個“1”，作為“釋放掃描碼”，也從 P22引腳串行送出去，以便和“按下掃描碼”相區(qū)別。送出“釋放掃描碼”的目的是為識別組合鍵和上、下檔鍵提供條件。

同時，主機還向鍵盤發(fā)送控制信號，主機CPU響應鍵盤中斷請求時，通過外圍接口芯片8255A一5的PA口讀取鍵盤掃描碼并進行相應轉(zhuǎn)換處理和暫存；通過PB口的PB6和PB7來控制鍵盤接口工作。

從用途上看，鍵盤可分為臺式機鍵盤、筆記本電腦鍵盤和工控機鍵盤三大類；其中臺式機鍵盤從按鍵結(jié)構(gòu)上又可分為兩類，即機械鍵盤和電容鍵盤（又稱有觸點鍵盤 和無觸點鍵盤）。機械鍵盤存在著開關(guān)容易損壞、易污染、易老化的缺點，現(xiàn)已基本淘汰。電容鍵盤在可靠性上比前者有質(zhì)的飛躍，使用壽命較長，目前大多為電容 鍵盤。

早期的鍵盤是由美國IBM公司推出的，當時采用的計算機鍵盤為83鍵鍵盤。不久IBM又推出了84鍵的鍵盤設(shè)計標準，將鍵盤分為三個區(qū)，即功能區(qū)、打字鍵 區(qū)及負責光標控制和編輯的副鍵盤區(qū)，這種鍵盤主要區(qū)域的劃分標準一直沿用至今。隨著微軟Windows視窗操作系統(tǒng)的廣泛應用，IBM公司于1986年首 次推出了101鍵的標準鍵盤，除添加了F11、F12兩個功能鍵之外，還在鍵盤的中部多加了一組專用的光標控制和編輯的鍵，使鍵盤功能得到了進一步擴充， 成為當時業(yè)界的標準鍵盤。后來，為與微軟的Win95操作系統(tǒng)相配合，IBM又推出了104鍵鍵盤，新增了3個功能鍵（亦稱Windows快捷鍵或熱鍵 HotKey>），使以前需要打開好幾個窗口才能完成的某些功能，通過快捷鍵的設(shè)定直接啟動菜單完成，而不必再點擊鼠標，這樣就使計算機的 操作更加便易。目前，這種104鍵的鍵盤（亦稱Win95鍵盤）的設(shè)計已成為業(yè)界和市場上最為普遍、最為流行的一種標準，業(yè)界通稱為標準鍵盤。實際上，所 謂的標準鍵盤并沒有標準，只因其應用較為廣泛而被業(yè)界通稱為標準鍵盤。由于軟件的不斷升級更新，為配合軟件的需要，所謂的標準鍵盤的鍵數(shù)也在隨之擴增，并 因其又被業(yè)界所通常采納而又被業(yè)界通稱為標準鍵盤。

但是，無論是機械鍵盤或者電容鍵盤，還是從早期的83鍵鍵盤發(fā)展到目前通稱的標準鍵盤104鍵鍵盤，其應用都是主要依賴于硬件CPU和軟件操作系統(tǒng)。以下就鍵盤的構(gòu)造及工作原理等問題進行介紹。

(一)鍵盤構(gòu)造及工作原理



PS/2設(shè)備履行一種雙向同步串行協(xié)議。換句話說，每次數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)并且每在時鐘線上發(fā)一個脈沖就被讀入。設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，而主機也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，但主機總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時候抑制來自設(shè)備的通信，只需把時鐘線電平拉低即可。


　　鍵盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括控制電路板、按鍵、底板和面板等。電路板是整個鍵盤的控制核心，位于鍵盤的內(nèi)部，主要擔任按鍵掃描識別、編碼和傳輸接口工作；它將各個鍵所表示的數(shù)字或字母轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的信號，是用戶和計算機之間主要的溝通者之一。

鍵盤主要由鍵開關(guān)矩陣、單片機和譯碼器三大部分組成。鍵開關(guān)矩陣即鍵盤按鍵由一組排列成矩陣方式的按鍵開關(guān)組成，所輸入的信號由按鍵所在的位置決定。單片 機即鍵盤內(nèi)部采用的Intel　8048單片機微處理器，這是一個40引腳的芯片，內(nèi)部集成了8位CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM以 及8位的定時器／計數(shù)器等。譯碼器即信號編碼轉(zhuǎn)譯裝置，把鍵盤的字符信號通過編碼翻譯轉(zhuǎn)換成相應的二進制碼。由于鍵盤排列成矩陣格式，被按鍵的識別和行列 位置掃描碼的產(chǎn)生，是由鍵盤內(nèi)部的單片機通過譯碼器來實現(xiàn)的。根據(jù)鍵盤向主機送入的二進制代碼類型，可把鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。IBM PC機的鍵盤屬于非編碼鍵盤，其特點是不直接提供所按鍵的編碼信息，而是用較為簡單的硬件和一套專用程序來識別所按鍵的位置，并提供與所按鍵相對應的中間 代碼，然后再把中間代碼轉(zhuǎn)換成要對應的編碼。這樣，非編碼鍵盤就為系統(tǒng)軟件在定義鍵盤的某些操作功能上提供了更大的靈活性。

計算機鍵盤通常采用行列掃描法來確定按下鍵所在的行列位置。所謂行列掃描法是指，把鍵盤按鍵排列成n行×m列的n*m行列點陣，把行、列線分別連接到兩個 并行接口雙向傳送的連接線上，點陣上的鍵一旦被按動，該鍵所在的行列點陣信號就被認為已接通。按鍵所排列成的矩陣，需要用硬件或軟件的方法輪轉(zhuǎn)順序地對其 行、列分別進行掃描，以查詢和確認是否有鍵按動。如有鍵按動，鍵盤就會向主機發(fā)送被按鍵所在的行列點陣的位置編碼，稱為鍵掃描碼。單片機通過周期性掃描 行、列線，讀回掃描信號結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計算按鍵的位置以獲得掃描碼。鍵被按下時，單片機分兩次將位置掃描碼發(fā)送到鍵盤接口：按下一次，叫接通 掃描碼；按完釋放一次，叫斷開掃描碼。這樣，通過硬件或軟件的方法對鍵盤分別進行行、列掃視，就可以確定按下鍵所在位置，獲得并輸出掃描位置碼，然后轉(zhuǎn)換 為ASCII碼，經(jīng)過鍵盤I/O電路送入主機，并由顯示器顯示出來。

鍵盤要增加鍵數(shù)是很容易的，任何矩陣鍵盤通過增加鍵盤的行或列便可實現(xiàn)增加按鍵數(shù)。如64 鍵的鍵盤排列成8行×8列的行列點陣，128鍵的鍵盤排列成8行×16列的行列點陣，256鍵的鍵盤排列成16行×16列的行列點陣，這在1992年7月 出版的《微處理機為基礎(chǔ)之設(shè)計》出版物上已作介紹(此對比文獻在2001年12月13日已遞交)。因此，鍵盤結(jié)構(gòu)采用矩陣式早已是公有技術(shù)。

(二)鍵盤的按鍵增加