计算机键盘工作原理

计算机键盘工作原理

目前市场上各种新型电脑键盘琳琅满目，您很难相信它们竟然起源于根本不通电的机械式打字机。现在，您可以买到人体工程学键盘，这些键盘与带有普通方形按键的扁平矩形键盘完全不同。有些造型时尚的键盘可以发光、卷起或折叠，有些键盘则会向您提供为自己需要的命令和快捷键设定程序的功能。

普通的Windows键盘

但是，无论外观如何花哨，大部分键盘采用的技术都相似，它们使用开关和电路将用户的击键动作转换为计算机可以理解的信号。在本文中，我们将探讨键盘技术以及不同的键盘布局、选项和设计。

键盘基础知识

键盘的主要功能是用作输入设备。通过键盘，人们可以键入文档、使用击键快捷方式、访问菜单、玩游戏和执行各种其他任务。键盘上布置的按键将会因以下因素而不同：制造商、设计针对的操作系统以及键盘是连接到台式机还是作为笔记本电脑的一部分。不过，对于大部分键盘，这些按键（也称作键帽）的大小和形状都是相同的，而且不管这些按键表示何种语言或字母，键距和布局也都类似。

大部分键盘拥有80到110个按键，包括：

• 输入键
• 数字小键盘
• 功能键
• 控制键

输入键包括字母表的各个字母，通常与打字机的键盘布局相同。据说，这种QWERTY布局（因其前六个字母而得名）有助于避免人们使用机械式打字机输入时造成金属臂碰撞和卡住。虽然有人对此传言表示质疑，但是无论这个传言是否属实，QWERTY布局自从计算机键盘问世以来的很长时间一直都是键盘的标准布局。 <-- The include the letters of the alphabet, generally laid out in the same pattern used for typewriters. This layout, known as QWERTY for its first six letters, helped keep mechanical typewriters' metal arms from colliding and jamming as people typed. Because this pattern had been long established as a standard, manufacturers developed keyboards for computers using the same layout, even though jamming was no longer an issue. -->

这种罗技无线键盘采用了QWERTY布局。

键盘还可以有各种其他的输入键排列方式。最广为人知的是以发明者奥格斯特·多冉柯(August Dvorak)命名的Dvorak键盘。Dvorak存局将所有的元音安排于键盘的左侧，而将常见的辅音安排于键盘的右侧。所有最常用的字母都分布在基准行上，基准行是您开始键入字母时放置手指的主要行。喜欢使用Dvorak布局的人们认为，这种布局能够提高他们的打字速度并减少疲劳。其他键盘布局还包括ABCDE、XPeRT、QWERTZ和AZERTY。每种布局都是由键盘的前几个字母来命名的。其中，QWERTZ 和AZERTY键盘排列方式在欧洲应用广泛。

数字小键盘是最近几年才添加到计算机键盘中的。随着计算机在商务环境中的应用日益增加，人们对快速数据录入的需要也随之增加。由于大部分数据都是数字，因此在键盘上增加了一组与加法机和计算器上的布置相同的17个键。

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-->Apple键盘的控制键包括“命令”键。

1986年，IBM公司对基本键盘进行了扩展，增加了功能键和控制键。应用程序和操作系统可以向功能键指定特定的命令，控制键还可以提供光标和屏幕控制。四个箭头键呈倒T型分布在输入键和数字小键盘的中间，可用来在屏幕上小幅移动光标。

Optimus键盘的OLED箭头键

其他常用控制键包括：

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

此Optimus键盘具有可编程热键。

Windows键盘还增加了另外一些控制键：两个Windows或启动键和一个应用程序键。另一方面，Apple键盘增加了命令（也称为“苹果”）键。针对Linux用户研发的键盘的特点是具有Linux特定热键，包括一个标记有企鹅“Tux”（Linux公司的徽标/吉祥物）的按键。

Optimus键盘的OLED Windows键    

键盘的内部构造

键盘很像一台微缩的计算机，它拥有自己的处理器和在该处理器之间传输数据的电路，这个电路的很大一部分组成了键矩阵。

键盘的微型处理器和控制器电路

键矩阵是位于键下方的一种电路网格。在所有的键盘（除了电容式键盘，我们将在下一节讨论这种键盘）中，每个电路在每个按键所处的位置点下均处于断开状态。当您按下某个键时，此按键将按下了开关，从而闭合电路，使得少量电流可以通过。开关的机械作用会导致某种振动（称作回弹），处理器可以过滤掉这种振动。如果您按下某键并保持住，则处理器认为您是在反复按下该键。

一旦处理器发现某处电路闭合，它就将该电路在键矩阵上的位置与其只读存储器（ROM）内的字符映射表进行对比。字符映射表的基本功能就是比较图或查询表。它会告诉处理器每个键在矩阵中的位置，以及每次击键或者击键组合所代表的含义。例如，字符映射表会告诉处理器单独按下a键对应于小写字母“a”，而同时按下Shift键和a键对应于大写字母“A”。

键矩阵

计算机也可以使用不同的字符映射表取代键盘中原来使用的映射表。当人们键入的语言使用的字母与键盘上的英文字母表示不同的含义时，这项技术就非常有用。即使人们使用的键盘实际上采用的是QWERTY布局，也可以将计算机设置为按照Dvorak布局来解释他们的键击。另外，操作系统和应用程序还可以进行键盘辅助功能设置，使人们可以更改键盘的特性来克服自身在使用键盘方面的某些障碍。

键盘开关

键盘应用了很多开关技术。电容式开关由于不需要像大多数其他键盘技术那样在物理上形成一个闭合电路，因此可看作是非机械开关。相反，电流会持续通过所有键矩阵部分。每个按键都带有一个弹簧，并且在底部装有一个小底盘。当您按下某个键时，其底盘就会向下方的底盘逐渐靠拢。当两个底盘十分靠近时，通过矩阵的电流量就会发生变化。处理器将检测到这一变化，并将其解释为按下了相应位置的按键。使用电容式开关的键盘虽然有些贵，但是它比任何其他键盘都具有更长的寿命。另外，由于两个表面并不会实际接触，因此也不会出现回弹问题。

键盘中使用的所有其他类型的开关本质上都是机械式的。每种键盘都提供不同级别的听觉和触觉响应，即击键时所产生的声音和感觉。机械式按键开关包括：

• 橡胶垫圈
• 薄膜
• 金属触点
• 泡沫元件

这种键盘采用了橡胶垫圈开关。

橡胶垫圈开关的应用非常普遍。它们采用小型的弹性橡胶垫圈，中间为硬碳芯。当您按下某个键时，键底部的柱塞将按压橡胶垫圈，橡胶垫圈的碳芯又按压键矩阵下的坚硬平面。只要您按住该键，碳芯就会闭合电路；当您松开该键时，橡胶垫圈弹回原来的形状，迫使键也回复到原来不受压的位置。使用橡胶垫圈开关的键盘价格便宜，触感良好，另外，由于键矩阵覆盖了一层橡胶，因此还具有相当的抗溅洒和抗腐蚀能力。

薄膜键盘并没有在每个键上设置开关，而是采用了从一端伸展到另一端的连续薄膜。当您按某个键时，薄膜上印制的图案就会闭合电路。一些薄膜键盘甚至使用一个印有代表每个键的图案的平面代替了键帽。薄膜键盘的触感不好，而且由于没有装配其他机械组件，也无法发出有些人喜欢在键入时听到的击键声。不过，这种键盘的造价通常不低。

金属触点和泡沫元件键盘现在越来越少见。金属触点式开关具有一个装有弹簧的按键，而按键柱塞的底部有一个金属片。当按下某个键时，该金属片就会连通电路的两部分。泡沫元件开关的设计原理与此基本相同，只不过在柱塞底部和金属片之间加了一层泡沫塑料，改善了触感。这两种技术都能产生很好的触感和好听的击键声，而且造价便宜。但问题是，其中的触点相对于使用其他技术的键盘更容易磨损或腐蚀。另外，也缺少能够防止尘土或液体直接接触键矩阵电路的屏障。

很多不同的制造商都采用了这些标准技术，但有少数制造商开发了各式各样的非传统键盘。我们将在下一节了解一些非传统键盘。

非传统键盘

针对传统键盘设计的很多改进都是为了使键盘更安全或更易于使用。例如，许多人认为长期使用键盘会导致类似腕管综合症的重复性应激损伤，尽管科学研究证明并非如此。人体工程学键盘的设计旨在使人的双手在打字时能保持更为自然的姿势，从而避免损伤。尽管这类键盘可以防止人们的双手处于“螳螂爪式”的姿势，但是科学研究并不认为这样就可以有效地避免损伤。

safetype 供图
这种SafeType键盘可使键盘的两个部分与桌面垂直。

最简单的人体工程学键盘就像是从中间分成两截的传统键盘，可以使得人的双手分开更远并使手腕和前臂保持在一条线上。更为复杂的设计是使键盘的两个部分彼此之间以及与放置键盘的表面之间形成不同的角度。一些键盘的设计更为特别，它们将键盘的两个部分分别安置在椅子的两个扶手上或使它们与桌面完全垂直。此外，还有其他一些类似数据手的键盘，但这看上去一点也不像键盘了。

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Photo courtesy
Typing on the Datahand keyboard requires moving your fingers forward, backward, left and right.

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saitek供图
Saitek Truview背光键盘按钮

有些改进尽管不一定符合人体工程学原理，但可以使键盘更易于携带、用途更广或造型更为时尚：

• Das键盘的键盘为纯黑设计，各个键的阻尼进行了加权分配，要求力量较强的手指多用力按键，而力量较弱的手指可以少用力按键。
• 虚拟激光键盘可在任意平面上投影出一个虚拟键盘。成功使用键盘时，人的手指只要穿过投影表面上的红外线束，传感器就会将其解释为一个键击。
• 高触感折叠键盘非常柔韧，可以折叠起来装进背包或手袋。
  
  开启蓝色背光的键盘
  
  关闭蓝色背光的键盘
  
  
• 类似离子发光键盘的发光键盘采用发光二极管或电致发光薄膜使光透过按键或按键之间的空隙发光。
  
  Optimus键盘的可编程热键

• Optimus键盘在按键内使用了有机发光二极管（OLED）。用户可以改变每个键所代表的字母、命令或动作，并且OLED可以随之改变而显示新信息。

这个Optimus键盘是针对用于玩Quake游戏的键击而设计的。

除了虚拟激光键盘拥有自己的传感系统之外，其他键盘都采用与传统键盘相同的技术与计算机进行通信。下面我们将了解这种技术。

从键盘到计算机

当您键入时，键盘内的处理器会对键矩阵进行分析，确定应将哪些字符发送到计算机。它先将这些字符保存在自己的存储器缓冲区内，然后再发送这些数据。

PS/2型键盘接头。

许多键盘都是通过带有PS/2或 USB（通用串行总线）接头的电缆连接到计算机的，笔记本电脑则采用内部接头。无论使用何种类型的接头，电缆都必须能够向键盘输电，同时还必须将信号从键盘传回计算机。

无线键盘则是通过红外（IR）、射频（RF）或者蓝牙连接与计算机相连。红外和射频连接与遥控器的原理相同。无论使用何种信号，无线键盘都需要一个接收器（内置或者插入到USB端口）来与计算机通信。由于无线键盘与计算机没有物理连接，因此需要连接交流电源或者使用电池作为电源。

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-->Microsoft无线键盘

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-->这种Microsoft无线键盘由电池提供电源。

无论是通过缆线连接还是无线连接，来自键盘的信号都由计算机的键盘控制器进行监视。这是一种集成电路（IC），不仅可以处理所有来自键盘的数据，并且还会将这些数据转发给操作系统。当操作系统（OS）获得通知键盘有数据输入时，它会查看这些键盘数据是否为系统命令。Windows计算机中的Ctrl-Alt-Delete组合键（用于重启系统）就是一个极好的系统命令的例子。然后，操作系统将键盘数据传送给当前的应用程序。

应用程序确定键盘数据是否为一条命令，例如Alt-f组合键将在Windows程序中打开“文件”菜单。如果数据不是一条命令，应用程序则将这些数据当作内容来接受，它们可以是从输入文件、输入URL到执行运算的任何操作的内容。如果当前的应用程序不接受键盘数据，它将直接忽略这些信息。从击键到将内容输入到应用程序的整个过程几乎可以在瞬间完成。

若要了解关于计算机和键盘的更多信息，请查看下一页上的链接。

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