電腦鍵盤工作原理

隨著IBM PC機(jī)的發(fā)展，鍵盤也分為XT, AT, PS/2鍵盤以至于后來(lái)的USB鍵盤. PC系列機(jī)使用的鍵盤有83鍵、84鍵、101鍵、102鍵和104鍵等多種。XT和AT機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤分別為83鍵和84鍵，而286機(jī)以上微機(jī)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(jī)鍵盤，其鍵號(hào)與掃描碼是一致的。這個(gè)掃描碼被直接發(fā)送到主機(jī)箱并轉(zhuǎn)換為 ASCII碼；隨著高檔PC機(jī)的出現(xiàn)，鍵盤功能和按鍵數(shù)目得到了擴(kuò)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(jī)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(duì)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(gè)人微型計(jì)算機(jī)的鍵盤屬于非編碼類型。微機(jī)鍵盤主要由單片 機(jī)、譯碼器和鍵開關(guān)矩陣三大部分組成。其中單片機(jī)采用了INTEL8048單片微處理器控制，這是一個(gè)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(shí)器／計(jì)數(shù)器等器件。由于鍵盤排列成矩陣格式，被按鍵的識(shí)別和行列位置掃描碼的產(chǎn)生，是由 鍵盤內(nèi)部的單片機(jī)通過(guò)譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)在周期性掃描行、列的同時(shí)，讀回掃描信號(hào)線結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計(jì)算按鍵的位置以獲得掃描碼。當(dāng)有鍵按 下時(shí)，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(shí)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(duì)鍵盤的行、列分別進(jìn) 行掃視，去查找按下的鍵，輸出掃描位置碼，通過(guò)查表轉(zhuǎn)換為ASCII碼返回。

鍵盤是與主機(jī)箱分開的一個(gè)獨(dú)立裝置，通過(guò)一根5芯電纜與主機(jī)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(yīng)答約定，接受鍵盤發(fā)送來(lái)的掃描碼；鍵盤 在掃描過(guò)程中，7位計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)高5位(D6一D2)狀態(tài)為全“0”時(shí)，經(jīng)譯碼器在O列線上輸出一個(gè)“0”,其余均為“1”；而計(jì)數(shù)器的低二位 (D1D0)通過(guò)4選1多路選擇器控制0—3行的掃描。計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)則掃描一行，計(jì)4個(gè)數(shù)全部行線掃描一遍，同時(shí)由計(jì)數(shù)器內(nèi)部向D2進(jìn)位，使另一列線1 變低，行線再掃描一遍。只要沒(méi)有鍵按下，多路選擇器就一直輸出高電平，則時(shí)鐘一直使計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)，對(duì)鍵盤輪番掃描。當(dāng)有一個(gè)鍵被按下時(shí)，若掃描到該鍵所 在的行和列時(shí)，多路選擇器就會(huì)輸出一個(gè)低電平，去封鎖時(shí)鐘門，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí)計(jì)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(gè)鍵碼后，在最高位添上一個(gè)“O”，組成一個(gè)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(cè)到鍵按下后，還要繼續(xù)對(duì)鍵盤掃描檢測(cè)，以 發(fā)現(xiàn)該鍵是否釋放。當(dāng)檢測(cè)到釋放時(shí)，8048在剛才讀出的7位位置碼的前面(最高位)加上一個(gè)“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(shí)別組合鍵和上、下檔鍵提供條件。

同時(shí)，主機(jī)還向鍵盤發(fā)送控制信號(hào)，主機(jī)CPU響應(yīng)鍵盤中斷請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)外圍接口芯片8255A一5的PA口讀取鍵盤掃描碼并進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理和暫存；通過(guò)PB口的PB6和PB7來(lái)控制鍵盤接口工作。

從用途上看，鍵盤可分為臺(tái)式機(jī)鍵盤、筆記本電腦鍵盤和工控機(jī)鍵盤三大類；其中臺(tái)式機(jī)鍵盤從按鍵結(jié)構(gòu)上又可分為兩類，即機(jī)械鍵盤和電容鍵盤（又稱有觸點(diǎn)鍵盤 和無(wú)觸點(diǎn)鍵盤）。機(jī)械鍵盤存在著開關(guān)容易損壞、易污染、易老化的缺點(diǎn)，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(zhǎng)，目前大多為電容 鍵盤。

早期的鍵盤是由美國(guó)IBM公司推出的，當(dāng)時(shí)采用的計(jì)算機(jī)鍵盤為83鍵鍵盤。不久IBM又推出了84鍵的鍵盤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將鍵盤分為三個(gè)區(qū)，即功能區(qū)、打字鍵 區(qū)及負(fù)責(zé)光標(biāo)控制和編輯的副鍵盤區(qū)，這種鍵盤主要區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今。隨著微軟Windows視窗操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，IBM公司于1986年首 次推出了101鍵的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，除添加了F11、F12兩個(gè)功能鍵之外，還在鍵盤的中部多加了一組專用的光標(biāo)控制和編輯的鍵，使鍵盤功能得到了進(jìn)一步擴(kuò)充， 成為當(dāng)時(shí)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。后來(lái)，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(gè)功能鍵（亦稱Windows快捷鍵或熱鍵 HotKey>），使以前需要打開好幾個(gè)窗口才能完成的某些功能，通過(guò)快捷鍵的設(shè)定直接啟動(dòng)菜單完成，而不必再點(diǎn)擊鼠標(biāo)，這樣就使計(jì)算機(jī)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(jì)已成為業(yè)界和市場(chǎng)上最為普遍、最為流行的一種標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界通稱為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。實(shí)際上，所 謂的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，只因其應(yīng)用較為廣泛而被業(yè)界通稱為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。由于軟件的不斷升級(jí)更新，為配合軟件的需要，所謂的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的鍵數(shù)也在隨之?dāng)U增，并 因其又被業(yè)界所通常采納而又被業(yè)界通稱為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。

但是，無(wú)論是機(jī)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(biāo)準(zhǔn)鍵盤104鍵鍵盤，其應(yīng)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(wèn)題進(jìn)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(shuō)，每次數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)并且每在時(shí)鐘線上發(fā)一個(gè)脈沖就被讀入。設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，而主機(jī)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，但主機(jī)總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時(shí)候抑制來(lái)自設(shè)備的通信，只需把時(shí)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(gè)鍵盤的控制核心，位于鍵盤的內(nèi)部，主要擔(dān)任按鍵掃描識(shí)別、編碼和傳輸接口工作；它將各個(gè)鍵所表示的數(shù)字或字母轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，是用戶和計(jì)算機(jī)之間主要的溝通者之一。

鍵盤主要由鍵開關(guān)矩陣、單片機(jī)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(hào)由按鍵所在的位置決定。單片 機(jī)即鍵盤內(nèi)部采用的Intel　8048單片機(jī)微處理器，這是一個(gè)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(shí)器／計(jì)數(shù)器等。譯碼器即信號(hào)編碼轉(zhuǎn)譯裝置，把鍵盤的字符信號(hào)通過(guò)編碼翻譯轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼。由于鍵盤排列成矩陣格式，被按鍵的識(shí)別和行列 位置掃描碼的產(chǎn)生，是由鍵盤內(nèi)部的單片機(jī)通過(guò)譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)鍵盤向主機(jī)送入的二進(jìn)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(jī)的鍵盤屬于非編碼鍵盤，其特點(diǎn)是不直接提供所按鍵的編碼信息，而是用較為簡(jiǎn)單的硬件和一套專用程序來(lái)識(shí)別所按鍵的位置，并提供與所按鍵相對(duì)應(yīng)的中間 代碼，然后再把中間代碼轉(zhuǎn)換成要對(duì)應(yīng)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(jì)算機(jī)鍵盤通常采用行列掃描法來(lái)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(diǎn)陣，把行、列線分別連接到兩個(gè) 并行接口雙向傳送的連接線上，點(diǎn)陣上的鍵一旦被按動(dòng)，該鍵所在的行列點(diǎn)陣信號(hào)就被認(rèn)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(duì)其 行、列分別進(jìn)行掃描，以查詢和確認(rèn)是否有鍵按動(dòng)。如有鍵按動(dòng)，鍵盤就會(huì)向主機(jī)發(fā)送被按鍵所在的行列點(diǎn)陣的位置編碼，稱為鍵掃描碼。單片機(jī)通過(guò)周期性掃描 行、列線，讀回掃描信號(hào)結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計(jì)算按鍵的位置以獲得掃描碼。鍵被按下時(shí)，單片機(jī)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(guò)硬件或軟件的方法對(duì)鍵盤分別進(jìn)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(guò)鍵盤I/O電路送入主機(jī)，并由顯示器顯示出來(lái)。

鍵盤要增加鍵數(shù)是很容易的，任何矩陣鍵盤通過(guò)增加鍵盤的行或列便可實(shí)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(diǎn)陣，128鍵的鍵盤排列成8行×16列的行列點(diǎn)陣，256鍵的鍵盤排列成16行×16列的行列點(diǎn)陣，這在1992年7月 出版的《微處理機(jī)為基礎(chǔ)之設(shè)計(jì)》出版物上已作介紹(此對(duì)比文獻(xiàn)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