Клавиатура

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 19:13, 26 августа 2017.
Клавиатура - стандартное клавишное устройство управления ПК, позволяющее пользователю вводить алфавитно-цифровые (знаковые) данные, а также команды управления компьютерной системой.
Клавиатура с проводным интерфейсом
Представляет собой набор клавиш (более 100), в зависимости от назначения разделенных по нескольким группам (буквенно-цифровые, клавиши управления, клавиши модификаторы, функциональные клавиши и т.д.) и расположенных в определенном порядке. В совокупности с монитором обеспечивает простейший интерфейс пользователя.

В настоящее время на рынке можно встретить большое число моделей клавиатур, различающихся по различным критериям: интерфейсу подключения (проводные и беспроводные), раскладке клавиатуры (например, ЙЦУКЕН и фонетическая (ЯВЕРТЫ) для русского языка; QWERTY, Дворака и Colemak для английского языка), типу выключателей (мембранная, резиновая, механическая, магнитная и т.д.).

Сенсорная клавиатура

Несмотря на развитие альтернативных устройств ввода, таких как компьютерная мышь, сенсорный экран, стилус устройств, распознавание символов и распознавание речи, клавиатура остается наиболее часто используемым устройством для прямого ввода алфавитно-цифровых данных в компьютер.

Виды клавиатур

В зависимости от конструкции клавиш

Схема работы механической клавиатуры
  • Механические клавиатуры. Механические клавиши представляют собой совокупность металлических контактных площадок и пружины, которая возвращает клавишу в исходное положение. Иногда конструкцию дополняет металлическая пластина, прогибающаяся при нажатии клавиши. При этом ощущается сопротивление клавиши и издается характерный щелчок. Клавиатуры данного типа очень надежные (выдерживают до 20 млн. срабатываний), но не очень распространены в связи с их дороговизной.
  • Полумеханические клавиатуры. Полумеханические клавиши также имеют металлические контактные площадки. Разница (по сравнению с механическими) состоит в том, что вместо металлической пружины используется упругий элемент, изготовленный из резины или другого подобного материала.
  • Мембранные клавиатуры. Контактные площадки клавиш данного типа состоят из токопроводящего полимерного материала, а роль упругого элемента выполняет полимерная пленка. Хотя клавиатуры с мембранными клавишами уступают механическим и полумеханическим конструкциям по надежности (в среднем мембранные клавиши выдерживают около 10 млн. нажатий), но из-за своей дешевизны они наиболее распространенные. Кроме того мембранные клавиатуры более устойчивые к загрязнению и воздействию влаги.

В зависимости от типа подключения

  • Проводные клавиатуры. Подключение проводных клавиатур может осуществляться через два вида разъемов: USB и PS/2. При подключении через USB, необходимо отметить тот факт, что этот порт применяется также для работы других периферийных устройств, что зачастую приводит к ошибкам в работе системы. Порт PS/2 рассчитан только на работу клавиатуры, поэтому отмечается стабильность подключение и отсутствие ошибок. Как правило, этот порт имеет выраженный фиолетовый цвет[Источник 1].
    104-клавишная клавиатура Windows.
  • Беспроводные клавиатуры. Беспроводное подключение клавиатуры не так распространено, как проводное. Такие клавиатуры могут работать по Bluetooth или радиоканалу и питаться от обычных батареек.

В зависимости от количества клавиш

  • 101-клавишная расширенная клавиатура. Время изготовления - 1986 год (компания IBM (International Business Machines)). Была стандартом клавиатур для всех PC-совместимых систем, пока не появилась 104-клавишная клавиатура Windows.

101-клавишная клавиатура может быть условно разделена на следующие области:

  1. область печатных символов;
  2. дополнительная цифровая клавиатура;
  3. область управления курсором и экраном;
  4. функциональные клавиши.
Игровая клавиатура.
  • 104-клавишная клавиатура Windows. Время изготовления – 1995 год (была представлена вместе с Windows 95). Сравнительно с 101 – клавишной клавиатурой используются три новые клавиши, используемые при работе с Windows (левая и правая Windows-клавиша и клавиша Application (приложение)).
  • Мультимедийные клавиатуры. Современные клавиатуры, помимо ста четырёх клавиш, очень часто снабжаются дополнительными клавишами. Эти клавиши предназначены для упрощённого управления некоторыми функциями (основными или наиболее использованными) компьютера: управление громкостью звука, проигрывателем, сетевыми возможностями компьютера, наиболее популярными программами, управление состоянием окон операционной системы (свернуть, закрыть, перейти к следующему или к предыдущему), управление состоянием компьютера (ждущий режим, спящий режим, выключить компьютер). Многие из этих функций относятся к сфере мультимедиа – отсюда и название.
  • Игровые клавиатуры. Отличаются от обычной, тем, что игровая может выдерживать большие нагрузки во время "ожесточенных онлайн-битв", также на игровой клавиатуре могут присутствовать дополнительные кнопки (для макросов, переключения различных режимов), а клавиши W,A,S,D выделены другим цветом. Также отличия могут быть в необычной форме клавиатуры.

Состав клавиатуры

В настоящее время на клавиатуре расположено более сотни клавиш, которые в зависимости от выполняемой функции можно разделить на несколько основных групп:

Клавиатура с разделением клавиш на функциональные группы

Алфавитно-цифровые клавиши

Данный тип клавиш используется пользователем для ввода информации и команд с помощью букв и цифр. Каждая из клавиш данной группы может функционировать в разных регистрах, а также обозначать несколько символов. Смена регистра (выбор строчных и прописных символов) производится путем удержания клавиши Shift (нефиксированное переключение). Для постоянной смены регистра используется Caps Lock (фиксированное переключение).

Функциональные клавиши

Функциональные клавиши располагаются в верхней части клавиатуры и представлены клавишами 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. Общепринятым для большинства программ является соглашение о том, что клавиша F1 вызывает справочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш.

Пример расположения и функций клавиш F1-F12

Специальные (служебные) клавиши

Служебные клавиши находятся рядом с клавишами алфавитно-цифровой группы. По сравнению с другими клавишами, они имеют увеличенный размер, что связано с высокой частотой их использования. К ним относятся клавиши Shift и Enter, регистровые клавиши Alt и Ctrl (их используют в комбинации с другими клавишами для формирования команд), клавиша Tab (для ввода позиций табуляции при наборе текста), клавиша Esc для отказа от исполнения начатой операции и клавиша Backspace для удаления только что введенных знаков. Служебные клавиши Print Screen, Scroll Lock и Pause/Break размещаются справа от группы функциональных клавиш и выполняют специфические функции, зависящие от действующей операционной системы. Общепринятыми являются следующие действия:

  • 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 и Break — приостановка/прерывание текущего процесса (для MS-DOS)[Источник 2].


Клавиши управления курсором

Данные клавиши располагаются в правой верхней части клавиатуры и служат для управления экранным элементом, фиксирующим место ввода информации – курсором. К ним относятся: Page Up и Page Down (перевод курсора на одну страницу вверх или вниз); Home и End (переводят курсор в/начало или конец текущей, строки соответственно); клавиши со стрелками (выполняют смещение курсора в направлении, указанном стрелкой).

Группа клавиш дополнительной панели

Группа клавиш дополнительной панели дублирует действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели. Во многих случаях для использования этой группы клавиш следует предварительно включать клавишу-переключатель Num Lock.

Принцип работы клавиатуры в операционной системе

Все современные клавиатуры работают по тому же принципу, что и первые контактные. Выполнение клавиатурой своих основных функций не требует наличия специальных системных программ (драйверов), т.к. необходимое программное обеспечение, устанавливающее связь с компьютером, изначально содержится в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS).

Упрощенная схема устройства клавиатуры

Процесс обработки клавиатурного ввода обеспечивается двумя микроконтроллерами – специальными микросхемами, предназначенными для управления электронными устройствами и осуществления их взаимодействия. Один расположен на материнской плате компьютера, второй встроен непосредственно в саму клавиатуру (специализированный процессор).В старых ЭВМ контроллер клавиатуры представлял из себя отдельный чип, например, VT82C42 или Intel 8042. Cовременные персональные компьютеры обычно оснащаются суперконтроллерами ввода/вывода на одном чипе - Super I/O controllers, например, VT1211, взаимодействующими с ЦПУ через интерфейс LPC (Low Pin Count).Именно контроллер клавиатуры осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Контроллер клавиатуры постоянно анализирует состояние клавиш, поочередно подавая сигналы на каждый из горизонтальных проводов (входов матрицы) и проверяя состояния вертикальных (ее выходов). 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.

Дальнейший принцип работы клавиатуры в операционной системе можно разделить на несколько основных шагов:

Процесс прохождения информации от клавиатуры до формирования символа на экране монитора
  1. При осуществлении нажатия на клавишу или группу клавиш контроллер клавиатуры генерирует скан-код (от англ. глагола to scan - просматривать, сканировать) – жестко привязанный к каждой клавише на аппаратном уровне её номер в матрице (однобайтовое число), с помощью которого драйвер клавиатуры распознает, какая клавиша была нажата.[1]. Каждая клавиша основного поля клавиатуры генерирует два типа скэн-кодов: "код нажатия", когда клавиша нажимается, и "код отпускания (освобождения)", когда клавиша отпускается. Скан-коды отпускания отличаются от скан-кодов нажатия. Код отпускания для клавиатур IBM PC на 80h больше кода нажатия[2].
  2. Скан-код поступает в микросхему, выполняющую функции порта клавиатуры и интегрированную в материнскую плату компьютера. В случае, если клавиша удерживается в течение определенного времени, действует функция автоповтора – передача кода в контроллер на материнской плате повторяется. Обмен данными с компьютером повторится, когда ранее нажатая клавиша будет отпущена[Источник 3].
  3. Порт клавиатуры выдает процессору прерывание с фиксированным номером. Для клавиатуры номер прерывания — 9 (Interrupt 9, Int9). Получив прерывание, процессор откладывает текущую работу и по номеру прерывания обращается в специальную область ОЗУ, в которой находится вектор прерывания, чтобы определить адрес начала программы. Таким образом, начинается работа программы обработки прерываний, которая является частью операционной системы.
  4. В ходе выполнения программы процессор анализирует скан-код, в результате чего он преобразуется в код символа (так называемые коды ASCII). 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)

[Источник 4]. При этом в процессе обработки определяется состояние других клавиш и переключателей (Caps Lock,Shift), чтобы правильно получить вводимый код (например, «ф» или «Ф»). Таким образом, преобразование скан-кода в ASCII-код не однозначно, т.к. одной и той же клавише может быть присвоено несколько значений.[3]

  1. Далее обработчик прерываний отправляет полученный код символа в буфер клавиатуры, который представляет собой небольшую область памяти, способную запомнить до 15 вводимых символов. Буфер организован по принципу FIFO (First In First Out) (первый вошел- первый вышел). Выполнив возложенную на него функцию, обработчик прекращает свою работу с одновременным уведомлением об этом процессора.
  2. Процессор прекращает обработку прерывания и возвращается к отложенной программе.
    Установка параметров клавиатуры в Windows
  3. Введенные символы продолжают храниться в буфере клавиатуры до тех пор, пока не будут переданы в программу, для которой они предназначены (например, в текстовый редактор). При этом возможна ситуация переполнения буфера в случае, если символы поступают в него быстрее, чем забираются программой. Тогда ввод символов временно прекращается, а пользователь слышит соответствующий звуковой сигнал.


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. При этом настраиваемыми параметрами являются:

  • интервал времени после нажатия, по истечении которого начнется автоматический повтор кода;
  • темп повтора (количество знаков в секунду).

Средства настройки клавиатуры относятся к системным и обычно входят в состав операционной системы. Кроме параметров режима повтора, настройке подлежат также используемые раскладки и органы управления, используемые для переключения раскладок [Источник 5].


Примечания

  1. Особое положение занимают клавиши "Print Screen" (печать экрана) и "Pause" (пауза). Им соответствуют довольно длинные последовательности скэн-кодов, имитирующие одновременное нажатие нескольких клавиш. Это необходимо для совместимости с ранними вариантами компьютера, в которых для выполнения аналогичных функций требовалось нажимать такие комбинации клавиш.
  2. Данные коды приведены в справочной литературе.
  3. Специальные функции и символы верхнего регистра можно получить нажатием клавиш Shift, Ctrl, Alt и одного или более символов. BIOS центрального процессора проверяет наличие сигнала специальной клавиши (Shift/Ctrl/Alt) при нажатии других клавиш. Этот сигнал и код сканирования символьной клавиши в результате порождают специальную функцию или символ верхнего регистра.

Источники

  1. Виды клавиатур для компьютера // Сopyprinter: сайт. [2017-2017]. Дата обновления: 26.08.2017. URL: http://copyprinter.ru/pressroom/articles/vidy-klaviatur/ (дата обращения: 05.03.2017).
  2. Клавиатура компьютера: раскладка, клавиши, символы и знаки // Where-money: сайт. [2017-2017]. Дата обновления: 28.08.2017. URL: http://where-money.com/raznoe/klaviatura-kompyutera-raskladka-klavishi-simvoly-i-znaki (дата обращения: 04.03.2017).
  3. Принцип работы клавиатуры // Arxitektura-pk: сайт. [2017-2017]. Дата обновления: 28.08.2017. URL: http://arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru/p133aa1.html (дата обращения: 04.03.2017).
  4. Клавиатура // Tofmal: сайт. [2017-2017]. Дата обновления: 28.08.2017. URL: http://www.tofmal.ru/projects/contest/ber/keyboard.html (дата обращения: 04.03.2017).
  5. Настройка средств ввода-вывода данных // 256bit: сайт. [2017-2017]. Дата обновления: 28.08.2017. URL: http://256bit.ru/informat/eu_Windows/win15.htm (дата обращения: 04.03.2017).

Ссылки/Литература

  1. Таненбаум, Э, Остин Т. Архитектура компьютера.6-ое изд. - СПб.: Питер, 2013. — 816 с. ISBN 978-5-496-00337-7
  2. Паттерсон Д., Хеннеси Д. Архитектура компьютеров и проектирование компьютерных систем. 4-ое изд. - СПб.: Питер, 2012. - 784 с. ISBN 978-5-459-00291-1