電腦鍵盤工作原理

電腦鍵盤工作原理

隨著IBM PC機的發展，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送到主機箱并轉換為 ASCII碼；隨著高檔PC機的出現，鍵盤功能和按鍵數目得到了擴充，鍵盤排列也發生了變化，產生的掃描碼與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生，是由 鍵盤內部的單片機通過譯碼器來實現的。單片機在周期性掃描行、列的同時，讀回掃描信號線結果，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送到鍵盤接口；按下一次，叫接通掃描碼；釋放時再發一次，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，接受鍵盤發送來的掃描碼；鍵盤 在掃描過程中，7位計數器循環計數。當高5位(D6一D2)狀態為全“0”時，經譯碼器在O列線上輸出一個“0”,其余均為“1”；而計數器的低二位 (D1D0)通過4選1多路選擇器控制0—3行的掃描。計數器計一個數則掃描一行，計4個數全部行線掃描一遍，同時由計數器內部向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，則時鐘一直使計數器循環計數，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，使計數器停止計數。這時計數器輸出的數據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”，組成一個字節的數據，然后從P22引腳以串行方式輸出。在8048檢測到鍵按下后，還要繼續對鍵盤掃描檢測，以 發現該鍵是否釋放。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構上又可分為兩類，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容易損壞、易污染、易老化的缺點，現已基本淘汰。電容鍵盤在可靠性上比前者有質的飛躍，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鍵的鍵盤設計標準，將鍵盤分為三個區，即功能區、打字鍵 區及負責光標控制和編輯的副鍵盤區，這種鍵盤主要區域的劃分標準一直沿用至今。隨著微軟Windows視窗操作系統的廣泛應用，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， 成為當時業界的標準鍵盤。后來，為與微軟的Win95操作系統相配合，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）的設計已成為業界和市場上最為普遍、最為流行的一種標準，業界通稱為標準鍵盤。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也在隨之擴增，并 因其又被業界所通常采納而又被業界通稱為標準鍵盤。

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。以下就鍵盤的構造及工作原理等問題進行介紹。

(一)鍵盤構造及工作原理



PS/2設備履行一種雙向同步串行協議。換句話說，每次數據線上發送一位數據并且每在時鐘線上發一個脈沖就被讀入。設備可以發送數據到主機，而主機也可以發送數據到設備，但主機總是在總線上有優先權，它可以在任何時候抑制來自設備的通信，只需把時鐘線電平拉低即可。


　　鍵盤的內部結構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字或字母轉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。

鍵盤主要由鍵開關矩陣、單片機和譯碼器三大部分組成。鍵開關矩陣即鍵盤按鍵由一組排列成矩陣方式的按鍵開關組成，所輸入的信號由按鍵所在的位置決定。單片 機即鍵盤內部采用的Intel　8048單片機微處理器，這是一個40引腳的芯片，內部集成了8位CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM以 及8位的定時器／計數器等。譯碼器即信號編碼轉譯裝置，把鍵盤的字符信號通過編碼翻譯轉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 位置掃描碼的產生，是由鍵盤內部的單片機通過譯碼器來實現的。根據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換成要對應的編碼。這樣，非編碼鍵盤就為系統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，然后轉換 為ASCII碼，經過鍵盤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增加按鍵數。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《微處理機為基礎之設計》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，鍵盤結構采用矩陣式早已是公有技術。

(二)鍵盤的按鍵增加