計(jì)算機(jī)鍵盤工作原理

目前市場(chǎng)上各種新型電腦鍵盤琳瑯滿目，您很難相信它們竟然起源于根本不通電的機(jī)械式打字機(jī)?，F(xiàn)在，您可以買到人體工程學(xué)鍵盤，這些鍵盤與帶有普通方形按鍵的扁平矩形鍵盤完全不同。有些造型時(shí)尚的鍵盤可以發(fā)光、卷起或折疊，有些鍵盤則會(huì)向您提供為自己需要的命令和快捷鍵設(shè)定程序的功能。

但是，無(wú)論外觀如何花哨，大部分鍵盤采用的技術(shù)都相似，它們使用開(kāi)關(guān)和電路將用戶的擊鍵動(dòng)作轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的信號(hào)。在本文中，我們將探討鍵盤技術(shù)以及不同的鍵盤布局、選項(xiàng)和設(shè)計(jì)。

鍵盤基礎(chǔ)知識(shí)

鍵盤的主要功能是用作輸入設(shè)備。通過(guò)鍵盤，人們可以鍵入文檔、使用擊鍵快捷方式、訪問(wèn)菜單、玩游戲和執(zhí)行各種其他任務(wù)。鍵盤上布置的按鍵將會(huì)因以下因素而不同：制造商、設(shè)計(jì)針對(duì)的操作系統(tǒng)以及鍵盤是連接到臺(tái)式機(jī)還是作為筆記本電腦的一部分。不過(guò)，對(duì)于大部分鍵盤，這些按鍵（也稱作鍵帽）的大小和形狀都是相同的，而且不管這些按鍵表示何種語(yǔ)言或字母，鍵距和布局也都類似。

大部分鍵盤擁有80到110個(gè)按鍵，包括：

• 輸入鍵
• 數(shù)字小鍵盤
• 功能鍵
• 控制鍵

輸入鍵包括字母表的各個(gè)字母，通常與打字機(jī)的鍵盤布局相同。據(jù)說(shuō)，這種QWERTY布局（因其前六個(gè)字母而得名）有助于避免人們使用機(jī)械式打字機(jī)輸入時(shí)造成金屬臂碰撞和卡住。雖然有人對(duì)此傳言表示質(zhì)疑，但是無(wú)論這個(gè)傳言是否屬實(shí)，QWERTY布局自從計(jì)算機(jī)鍵盤問(wèn)世以來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間一直都是鍵盤的標(biāo)準(zhǔn)布局。

鍵盤還可以有各種其他的輸入鍵排列方式。最廣為人知的是以發(fā)明者奧格斯特·多冉柯(August Dvorak)命名的Dvorak鍵盤。Dvorak存局將所有的元音安排于鍵盤的左側(cè)，而將常見(jiàn)的輔音安排于鍵盤的右側(cè)。所有最常用的字母都分布在基準(zhǔn)行上，基準(zhǔn)行是您開(kāi)始鍵入字母時(shí)放置手指的主要行。喜歡使用Dvorak布局的人們認(rèn)為，這種布局能夠提高他們的打字速度并減少疲勞。其他鍵盤布局還包括ABCDE、XPeRT、QWERTZ和AZERTY。每種布局都是由鍵盤的前幾個(gè)字母來(lái)命名的。其中，QWERTZ 和AZERTY鍵盤排列方式在歐洲應(yīng)用廣泛。

數(shù)字小鍵盤是最近幾年才添加到計(jì)算機(jī)鍵盤中的。隨著計(jì)算機(jī)在商務(wù)環(huán)境中的應(yīng)用日益增加，人們對(duì)快速數(shù)據(jù)錄入的需要也隨之增加。由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是數(shù)字，因此在鍵盤上增加了一組與加法機(jī)和計(jì)算器上的布置相同的17個(gè)鍵。

1986年，IBM公司對(duì)基本鍵盤進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了功能鍵和控制鍵。應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)可以向功能鍵指定特定的命令，控制鍵還可以提供光標(biāo)和屏幕控制。四個(gè)箭頭鍵呈倒T型分布在輸入鍵和數(shù)字小鍵盤的中間，可用來(lái)在屏幕上小幅移動(dòng)光標(biāo)。

其他常用控制鍵包括：

• Home
• End
• Insert
• Delete
• Page Up
• Page Down
• Ctrl
• Alt
• Esc

Windows鍵盤還增加了另外一些控制鍵：兩個(gè)Windows或啟動(dòng)鍵和一個(gè)應(yīng)用程序鍵。另一方面，Apple鍵盤增加了命令（也稱為“蘋果”）鍵。針對(duì)Linux用戶研發(fā)的鍵盤的特點(diǎn)是具有Linux特定熱鍵，包括一個(gè)標(biāo)記有企鵝“Tux”（Linux公司的徽標(biāo)/吉祥物）的按鍵。

鍵盤的內(nèi)部構(gòu)造

鍵盤很像一臺(tái)微縮的計(jì)算機(jī)，它擁有自己的處理器和在該處理器之間傳輸數(shù)據(jù)的電路，這個(gè)電路的很大一部分組成了鍵矩陣。

鍵矩陣是位于鍵下方的一種電路網(wǎng)格。在所有的鍵盤（除了電容式鍵盤，我們將在下一節(jié)討論這種鍵盤）中，每個(gè)電路在每個(gè)按鍵所處的位置點(diǎn)下均處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)您按下某個(gè)鍵時(shí)，此按鍵將按下了開(kāi)關(guān)，從而閉合電路，使得少量電流可以通過(guò)。開(kāi)關(guān)的機(jī)械作用會(huì)導(dǎo)致某種振動(dòng)（稱作回彈），處理器可以過(guò)濾掉這種振動(dòng)。如果您按下某鍵并保持住，則處理器認(rèn)為您是在反復(fù)按下該鍵。

一旦處理器發(fā)現(xiàn)某處電路閉合，它就將該電路在鍵矩陣上的位置與其只讀存儲(chǔ)器（ROM）內(nèi)的字符映射表進(jìn)行對(duì)比。字符映射表的基本功能就是比較圖或查詢表。它會(huì)告訴處理器每個(gè)鍵在矩陣中的位置，以及每次擊鍵或者擊鍵組合所代表的含義。例如，字符映射表會(huì)告訴處理器單獨(dú)按下a鍵對(duì)應(yīng)于小寫字母“a”，而同時(shí)按下Shift鍵和a鍵對(duì)應(yīng)于大寫字母“A”。

計(jì)算機(jī)也可以使用不同的字符映射表取代鍵盤中原來(lái)使用的映射表。當(dāng)人們鍵入的語(yǔ)言使用的字母與鍵盤上的英文字母表示不同的含義時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)就非常有用。即使人們使用的鍵盤實(shí)際上采用的是QWERTY布局，也可以將計(jì)算機(jī)設(shè)置為按照Dvorak布局來(lái)解釋他們的鍵擊。另外，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序還可以進(jìn)行鍵盤輔助功能設(shè)置，使人們可以更改鍵盤的特性來(lái)克服自身在使用鍵盤方面的某些障礙。

鍵盤開(kāi)關(guān)

鍵盤應(yīng)用了很多開(kāi)關(guān)技術(shù)。電容式開(kāi)關(guān)由于不需要像大多數(shù)其他鍵盤技術(shù)那樣在物理上形成一個(gè)閉合電路，因此可看作是非機(jī)械開(kāi)關(guān)。相反，電流會(huì)持續(xù)通過(guò)所有鍵矩陣部分。每個(gè)按鍵都帶有一個(gè)彈簧，并且在底部裝有一個(gè)小底盤。當(dāng)您按下某個(gè)鍵時(shí)，其底盤就會(huì)向下方的底盤逐漸靠攏。當(dāng)兩個(gè)底盤十分靠近時(shí)，通過(guò)矩陣的電流量就會(huì)發(fā)生變化。處理器將檢測(cè)到這一變化，并將其解釋為按下了相應(yīng)位置的按鍵。使用電容式開(kāi)關(guān)的鍵盤雖然有些貴，但是它比任何其他鍵盤都具有更長(zhǎng)的壽命。另外，由于兩個(gè)表面并不會(huì)實(shí)際接觸，因此也不會(huì)出現(xiàn)回彈問(wèn)題。

鍵盤中使用的所有其他類型的開(kāi)關(guān)本質(zhì)上都是機(jī)械式的。每種鍵盤都提供不同級(jí)別的聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)響應(yīng)，即擊鍵時(shí)所產(chǎn)生的聲音和感覺(jué)。機(jī)械式按鍵開(kāi)關(guān)包括：

• 橡膠墊圈
• 薄膜
• 金屬觸點(diǎn)
• 泡沫元件

橡膠墊圈開(kāi)關(guān)的應(yīng)用非常普遍。它們采用小型的彈性橡膠墊圈，中間為硬碳芯。當(dāng)您按下某個(gè)鍵時(shí)，鍵底部的柱塞將按壓橡膠墊圈，橡膠墊圈的碳芯又按壓鍵矩陣下的堅(jiān)硬平面。只要您按住該鍵，碳芯就會(huì)閉合電路；當(dāng)您松開(kāi)該鍵時(shí)，橡膠墊圈彈回原來(lái)的形狀，迫使鍵也回復(fù)到原來(lái)不受壓的位置。使用橡膠墊圈開(kāi)關(guān)的鍵盤價(jià)格便宜，觸感良好，另外，由于鍵矩陣覆蓋了一層橡膠，因此還具有相當(dāng)?shù)目篂R灑和抗腐蝕能力。

薄膜鍵盤并沒(méi)有在每個(gè)鍵上設(shè)置開(kāi)關(guān)，而是采用了從一端伸展到另一端的連續(xù)薄膜。當(dāng)您按某個(gè)鍵時(shí)，薄膜上印制的圖案就會(huì)閉合電路。一些薄膜鍵盤甚至使用一個(gè)印有代表每個(gè)鍵的圖案的平面代替了鍵帽。薄膜鍵盤的觸感不好，而且由于沒(méi)有裝配其他機(jī)械組件，也無(wú)法發(fā)出有些人喜歡在鍵入時(shí)聽(tīng)到的擊鍵聲。不過(guò)，這種鍵盤的造價(jià)通常不低。

金屬觸點(diǎn)和泡沫元件鍵盤現(xiàn)在越來(lái)越少見(jiàn)。金屬觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)具有一個(gè)裝有彈簧的按鍵，而按鍵柱塞的底部有一個(gè)金屬片。當(dāng)按下某個(gè)鍵時(shí)，該金屬片就會(huì)連通電路的兩部分。泡沫元件開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)原理與此基本相同，只不過(guò)在柱塞底部和金屬片之間加了一層泡沫塑料，改善了觸感。這兩種技術(shù)都能產(chǎn)生很好的觸感和好聽(tīng)的擊鍵聲，而且造價(jià)便宜。但問(wèn)題是，其中的觸點(diǎn)相對(duì)于使用其他技術(shù)的鍵盤更容易磨損或腐蝕。另外，也缺少能夠防止塵土或液體直接接觸鍵矩陣電路的屏障。

很多不同的制造商都采用了這些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但有少數(shù)制造商開(kāi)發(fā)了各式各樣的非傳統(tǒng)鍵盤。我們將在下一節(jié)了解一些非傳統(tǒng)鍵盤。

非傳統(tǒng)鍵盤

針對(duì)傳統(tǒng)鍵盤設(shè)計(jì)的很多改進(jìn)都是為了使鍵盤更安全或更易于使用。例如，許多人認(rèn)為長(zhǎng)期使用鍵盤會(huì)導(dǎo)致類似腕管綜合癥的重復(fù)性應(yīng)激損傷，盡管科學(xué)研究證明并非如此。人體工程學(xué)鍵盤的設(shè)計(jì)旨在使人的雙手在打字時(shí)能保持更為自然的姿勢(shì)，從而避免損傷。盡管這類鍵盤可以防止人們的雙手處于“螳螂爪式”的姿勢(shì)，但是科學(xué)研究并不認(rèn)為這樣就可以有效地避免損傷。

最簡(jiǎn)單的人體工程學(xué)鍵盤就像是從中間分成兩截的傳統(tǒng)鍵盤，可以使得人的雙手分開(kāi)更遠(yuǎn)并使手腕和前臂保持在一條線上。更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)是使鍵盤的兩個(gè)部分彼此之間以及與放置鍵盤的表面之間形成不同的角度。一些鍵盤的設(shè)計(jì)更為特別，它們將鍵盤的兩個(gè)部分分別安置在椅子的兩個(gè)扶手上或使它們與桌面完全垂直。此外，還有其他一些類似數(shù)據(jù)手的鍵盤，但這看上去一點(diǎn)也不像鍵盤了。

有些改進(jìn)盡管不一定符合人體工程學(xué)原理，但可以使鍵盤更易于攜帶、用途更廣或造型更為時(shí)尚：

• Das鍵盤的鍵盤為純黑設(shè)計(jì)，各個(gè)鍵的阻尼進(jìn)行了加權(quán)分配，要求力量較強(qiáng)的手指多用力按鍵，而力量較弱的手指可以少用力按鍵。
• 虛擬激光鍵盤可在任意平面上投影出一個(gè)虛擬鍵盤。成功使用鍵盤時(shí)，人的手指只要穿過(guò)投影表面上的紅外線束，傳感器就會(huì)將其解釋為一個(gè)鍵擊。
• 高觸感折疊鍵盤非常柔韌，可以折疊起來(lái)裝進(jìn)背包或手袋。

  開(kāi)啟藍(lán)色背光的鍵盤

  關(guān)閉藍(lán)色背光的鍵盤

  
  
• 類似離子發(fā)光鍵盤的發(fā)光鍵盤采用發(fā)光二極管或電致發(fā)光薄膜使光透過(guò)按鍵或按鍵之間的空隙發(fā)光。

  Optimus鍵盤的可編程熱鍵

• Optimus鍵盤在按鍵內(nèi)使用了有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。用戶可以改變每個(gè)鍵所代表的字母、命令或動(dòng)作，并且OLED可以隨之改變而顯示新信息。

除了虛擬激光鍵盤擁有自己的傳感系統(tǒng)之外，其他鍵盤都采用與傳統(tǒng)鍵盤相同的技術(shù)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。下面我們將了解這種技術(shù)。

從鍵盤到計(jì)算機(jī)

當(dāng)您鍵入時(shí)，鍵盤內(nèi)的處理器會(huì)對(duì)鍵矩陣進(jìn)行分析，確定應(yīng)將哪些字符發(fā)送到計(jì)算機(jī)。它先將這些字符保存在自己的存儲(chǔ)器緩沖區(qū)內(nèi)，然后再發(fā)送這些數(shù)據(jù)。

許多鍵盤都是通過(guò)帶有PS/2或 USB（通用串行總線）接頭的電纜連接到計(jì)算機(jī)的，筆記本電腦則采用內(nèi)部接頭。無(wú)論使用何種類型的接頭，電纜都必須能夠向鍵盤輸電，同時(shí)還必須將信號(hào)從鍵盤傳回計(jì)算機(jī)。

無(wú)線鍵盤則是通過(guò)紅外（IR）、射頻（RF）或者藍(lán)牙連接與計(jì)算機(jī)相連。紅外和射頻連接與遙控器的原理相同。無(wú)論使用何種信號(hào)，無(wú)線鍵盤都需要一個(gè)接收器（內(nèi)置或者插入到USB端口）來(lái)與計(jì)算機(jī)通信。由于無(wú)線鍵盤與計(jì)算機(jī)沒(méi)有物理連接，因此需要連接交流電源或者使用電池作為電源。

無(wú)論是通過(guò)纜線連接還是無(wú)線連接，來(lái)自鍵盤的信號(hào)都由計(jì)算機(jī)的鍵盤控制器進(jìn)行監(jiān)視。這是一種集成電路（IC），不僅可以處理所有來(lái)自鍵盤的數(shù)據(jù)，并且還會(huì)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)（OS）獲得通知鍵盤有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，它會(huì)查看這些鍵盤數(shù)據(jù)是否為系統(tǒng)命令。Windows計(jì)算機(jī)中的Ctrl-Alt-Delete組合鍵（用于重啟系統(tǒng)）就是一個(gè)極好的系統(tǒng)命令的例子。然后，操作系統(tǒng)將鍵盤數(shù)據(jù)傳送給當(dāng)前的應(yīng)用程序。

應(yīng)用程序確定鍵盤數(shù)據(jù)是否為一條命令，例如Alt-f組合鍵將在Windows程序中打開(kāi)“文件”菜單。如果數(shù)據(jù)不是一條命令，應(yīng)用程序則將這些數(shù)據(jù)當(dāng)作內(nèi)容來(lái)接受，它們可以是從輸入文件、輸入U(xiǎn)RL到執(zhí)行運(yùn)算的任何操作的內(nèi)容。如果當(dāng)前的應(yīng)用程序不接受鍵盤數(shù)據(jù)，它將直接忽略這些信息。從擊鍵到將內(nèi)容輸入到應(yīng)用程序的整個(gè)過(guò)程幾乎可以在瞬間完成。

若要了解關(guān)于計(jì)算機(jī)和鍵盤的更多信息，請(qǐng)查看下一頁(yè)上的鏈接。