Klawiatura
Klawiatura to podstawowe urządzenie wejściowe zestawu
komputerowego, które słu\
y do ręcznego wprowadzania danych.
Klawiatura komputerowa jest urządzeniem umo\
liwiającym
dialog operatora z systemem komputerowym. Dla wielu
z jest to narzędzie codziennej pracy, dlatego warto zwrócić
uwagę na komfort u\
ytkowania.
Dobrze zaprojektowana, przyjazna człowiekowi klawiatura
powinna w jak najmniejszym stopniu obcią\
ać dłonie
zmuszone do opierania się na nadgarstkach. Długotrwała
praca na klawiaturze z
le zbudowanej lub dobranej mo\
e
spowodować nadmierne zmęczenie dłoni i powstawanie
powa\
nych chorób.
Klawiatura to podstawowe urządzenie wejściowe zestawu
komputerowego, które słu\
y do ręcznego wprowadzania danych.
Biorąc pod uwagę zasadę działania klawiatur, mo\
emy wyró\
nić kilka
ich rodzajów:
stykowe, najpopularniejszy obecnie rodzaj klawiatur, w których
wprowadzanie kodu odbywa się poprzez wywołanie zwarcia w układzie
elektronicznym;
bezprzewodowe, klawiatury, które komunikują się z jednostką centralną
komputera dzięki podczerwieni;
ekranowe, specjalny typ klawiatury wyświetlanej na ekranie komputera.
Na klawiaturze komputerowej znajduje się uporządkowany zestaw
klawiszy. Standardowa (klasyczna) klawiatura ma ich 102. Są to
klawisze alfabetyczne, numeryczne, funkcyjne oraz znaki specjalne.
W typowej klawiaturze mo\
emy rozró\
nić cztery bloki:
klawiatura główna - kilkadziesiąt klawiszy znajdujących się w lewej
części klawiatury. Za ich pomocą wprowadza się tekst i znaki specjalne.
W tej część znajdziemy tak\
e takie klawisze jak Enter i Backspace.
klawiatura rozszerzona - układ klawiszy funkcyjnych rozmieszczonych
w rzędzie ponad klawiaturą główną oraz klawiaturę dodatkową.
klawiatura numeryczna - blok klawiszy znajdujący się po prawej
stronie, wyglądem przypominający kalkulator.
klawiatura dodatkowa - blok klawiszy znajdujących się pomiędzy
klawiaturą główną,a klawiaturą numeryczną. Dublują one funkcje innych
klawiszy, np. Delete i Home.
Klawiatura PC to najczęściej standardowa 101-, 102- lub 104-
klawiszowa klawiatura QWERTY (nazwa pochodzi od uło\
enia
klawiszy). Nowoczesne klawiatury dzielą się zazwyczaj na kilka
podstawowych bloków, tj. moduł centralny składający się z klawiszy
alfanumerycznych, który swoim układem przypomina typową maszynę
do pisania zawierającą litery łacińskiego alfabetu, cyfry od 0 do 9,
klawisze specjalne, pomocnicze i sterujące oraz moduł dwunastu
klawiszy funkcyjnych znajdujących się w górnej części klawiatury
oznaczonych od F1 do F12
Klawiatura sterowana jest mikroprocesorem, który cyklicznie przegląda
stan klawiszy i w momencie wykrycia naciśniętego klawisza wysyła do
komputera specjalny kod ASCII. Wraz z klawiaturą sprzedawana jest
zazwyczaj specjalna plastikowa osłona, zabezpieczająca przed kurzem i
drobnymi śmieciami, którą powinniśmy zakładać na klawiaturę, gdy jej
nie u\
ywamy. Klawiaturę z komputerem mo\
emy połączyć na kilka
sposobów: najczęściej odbywa się to poprzez złącze typu - PS/2 (cztery
igły), złącze szeregowe - COM1, COM2 (9 lub 25 igłowe), stosowane
coraz rzadziej złącze typu DIN (pięć igieł), złącze USB (wtyczka w
kształcie wąskiego prostokąta) lub złącze wykorzystujące
bezprzewodową technologię.
Zasada działania klawiatury.
Klawiatura komputerów PC XT/AT jest oddzielną fizycznie i logicznie
jednostką, wyposa\
oną we własny procesor i łącze szeregowe słu\
ące do
komunikacji z płytą główną. Jej zadaniem jest wysyłanie do komputera 8
 bitowego kodu klawisza, który został naciśnięty. Współpraca
klawiatury z komputerem została zorganizowana w sposób zapewniający
mo\
liwość elastycznego dopasowania funkcji poszczególnych klawiszy
do potrzeb stosowanych programów. Do komputera przesyłane są więc
kody klawiszy, a nie standardowe kody przypisanych im znaków.
Podział klawiatur pod tym względem przedstawia się następująco:
mechaniczne, foliowe, pojemnościowe, hallotronowe i kontaktronowe.
Klawiatury mechaniczne to takie, w których przy naciśnięciu klawisza są
po prostu zwierane dwa sprę\
yste, metalowe zestyki. W klawiaturach
foliowych pod wpływem nacisku ugina się przewodząca folia i zwiera
dwa le\
ące pod nią pola kontaktowe, wykonane np. na płytce
drukowanej. Folia ta mo\
e być dodatkowo powleczona od góry
materiałem izolacyjnym z nadrukowanymi oznaczeniami
poszczególnych klawiszy. Takie klawiatury są bardzo niewygodne w
u\
yciu, ale mają kilka zalet: są tanie i umo\
liwiają hermetyczne
odizolowanie od otoczenia.
Najlepsze są klawiatury pojemnościowe i hallotronowe i to właśnie te
ostatnie są stosowane w komputerach PC. W klawiaturze
pojemnościowej przyciśnięcie klawisza powoduje nacisk na sprę\
ynę i
zbli\
enie plastikowo - metalicznego trzpienia do dwóch okładek, których
du\
e powierzchnie są pokryte stopem cyny, niklu i miedzi. Okładki te
podłączone są do płytki drukowanej klawiatury. Oba obszary
metalizowane nie stykają się odgrywając rolę kondensatora, w którym
jedna okładka naładowana jest dodatnim, a druga ujemnym ładunkiem.
Ściśnięcie sprę\
yn w klawiaturze jest tak zaprojektowane, \
e wywołuje
wyczuwalne uderzenie mechaniczne. Metalowy trzpień przechodzący
między okładkami obni\
a liczbę ładunków na obu okładkach. Ró\
nica
ładunków powoduje słaby, ale wykrywalny prąd płynący przez obwody
połączone z okładkami. Kiedy klawisz zostanie zwolniony sprę\
yna
rozszerza się powodując powrót klawisza do początkowego poło\
enia i
odsuwając trzpień od metalowych okładek. Klawiatura hallotronowa jest
najbardziej trwała ze wszystkich omawianych. Ka\
dy z klawiszy na
zakończeniu posiada magnes trwały, który przy naciskaniu jest zbli\
any
do hallotronu, a ten generuje napięcie o niewielkiej wartości.
Zasada działania klawiatury w IBM PC
1. Klawisze dotykają specjalnej płyty wyposa\
onej - zale\
nie od typu klawiatury -
w około sto mikroprzełączników.
2. Układ przetwarzający klawiatury. W elemencie tym jest zapisywany zestaw
wszystkich liter, cyfr i znaków specjalnych, a tak\
e standardowe funkcje klawiszy
funkcyjnych w postaci kodu zrozumiałego dla komputera, do którego po naciśnięciu,
dowolnego klawisza trafiają odpowiednie informacje.
Naciśnięcie klawisza w klawiaturze powoduje zmianę w przepływie prądu przez układ
z nim związany. Mikroprocesor wbudowany w klawiaturę stale sprawdza obwody
prowadzące do klawiszy, wykrywa on wzrost albo spadek natę\
enia prądu w obwodzie
naciśniętego klawisza. W ten sposób procesor mo\
e stwierdzić czy klawisz został
naciśnięty czy zwolniony. Ka\
dy klawisz ma określony układ kodów. Zale\
nie od tego,
który obwód klawisza podaje sygnał do mikroprocesora, który generuje liczbę zwaną
odpowiednikiem kodowym. Ka\
dy klawisz ma dwa odpowiedniki kodowe: jeden na
wciśnięcie klawisza, drugi na jego zwolnieni. Procesor przechowuje liczbę w buforze
pamięci własnej klawiatury i wprowadza ją do złącza portu, gdzie mo\
e być odczytana
przez BIOS komputera.
Zasada działania klawiatury stosowanej w komputerach IBM PC
Linie przeglądania matrycy klawiatury pobudzane są z wyjść dekodera wierszy
(74145). Dekoder sterowany jest za pomocą licznika wierszy (modulo 8). Linie zwrotne
są wprowadzane na wejście selektora kolumn (multipleksera 74150) sterowanego z
wyjść licznika kolumn (modulo 16). Zawartość liczników (zliczających impulsy z
generatora) określa współrzędne klawiszy. Jeśli \
aden klawisz nie będzie wciśnięty
podczas przeglądania klawiatury, wtedy na wszystkich wejściach selektora utrzymywać
się będzie wysoki poziom logiczny. Niski poziom logiczny na wyjściu selektora blokuje
wejście rejestru.
Jeśli którykolwiek klawisz zostanie naciśnięty i trzymany w tym
poło\
eniu dłu\
ej ni\
wynosi czas przeglądania całej klawiatury, wtedy
niski stan logiczny z wybranego wejścia dekodera, pojawi się na
zaadresowanym wejściu selektora. Narastające zbocze na wyjściu
multipleksera dokona wpisu do rejestru zawartości liczników, czyli
adresu naciśniętego klawisza. Rejestr adresuje komórkę pamięci stałej
(ROM), w której umieszczono kod ASCII znaku przypisanego
naciśniętemu klawiszowi.
Na poni\
szym rysunku przedstawiony jest sposób identyfikowania
naciśniętego klawisza (określenie jego numeru)
Klawiatura połączona jest z systemem za pomocą 4-\
yłowego przewodu
ekranowego. Dwie z linii wykorzystywane są do prowadzenia zasilania
(+5V i masa). Pseudo  synchroniczna komunikacja szeregowa
prowadzona jest liniami  zegara (CLOCK) i  danych (DATA). Ka\
da
z linii sygnałowych jest sterowana przez bramki z otwartym kolektorem
(06). Rozwiązanie umo\
liwia wymuszenie stanu logicznego  0 zarówno
od strony klawiatury jak i komputera.
W stanie pasywnym, gdy dane nie są transmitowane, obie linie
sygnałowe są w stanie logicznym  1 . Wtedy klawiatura mo\
e rozpocząć
nadawanie. W systemie PC AT dane i polecenia przesyłane są w obu
kierunkach między klawiaturą i komputerem.
Schemat klawiatury IBM PC na mikrokontrolerze 8049
Jednostka informacji składa się z 11 bitów:
bitu startu ( 0 ),
ośmiu bitów danych,
bitu nieparzystości,
bitu stopu ( 1 ).
Wysyłając dane do komputera, klawiatura generuje na linii zegara impulsy, które
taktują przesyłanie kolejnych bitów:
Wysyłanie danych do komputera.
Sygnały generowane przez klawiaturę
Przed wysłaniem danej, klawiatura sprawdza stan logiczny linii sygnałowych:
gdy linia  zegara jest w stanie  0 , to transmisja zostaje zablokowana i dana jest
zapamiętywana w buforze (wewnętrznej pamięci procesora 8049),
gdy linia  zegara jest w stanie  1 i linia danych w stanie  0 , to dana trafia do bufora,
a klawiatura przechodzi w tryb odbioru informacji,
gdy linie  zegara i  danych są w stanie  1 , to klawiatura mo\
e rozpocząć transmisję
do komputera.
Podczas transmisji, co najmniej raz na 60 ms klawiatura kontroluje stan linii  zegara .
Jeśli komputer wymusi poziom niski na tej linii, to wstrzymana jest dalsza transmisja.
Dla ka\
dego klawisza przewidziany został 8  bitowy kod (scan code), przesyłany
przez procesor 8049 do systemu linią DATA. Klawiatura wysyła do systemu inny kod,
gdy klawisz jest naciśnięty i inny w momencie jego zwolnienia. Zamiana kodów
przypisanych klawiszom na kody ASCII, realizowana jest przez procedury BIOS-u w
systemie. Gdy klawisz jest naciśnięty i trzymany w tym poło\
eniu przez dłu\
szy czas,
klawiatura (z pewnym opóz
nieniem) wysyła powtarzające się kody a\
do chwili
zwolnienia klawisza.
Sygnały przesyłane przez system do klawiatury.
System PC AT mo\
e wysłać ró\
ne polecenia zmieniające tryb pracy klawiatury:
zerowanie klawiatury (kod FFH),
powtórz daną (kod FEH)  \
ądanie powtórzenia ostatnio wysyłanej, prawdopodobnie
błędnej danej,
ustaw wartość opóz
nienia i częstość repetycji (kod F3H + bajt określający wartość
opóz
nienia i częstość).
Częstość repetycji mo\
na dobrać od 2 do 30 powtórzeń wysłania kodu stale
naciskanego klawisza na sekundę (częstość początkowa  10 znaków/s). Opóz
nienie
początkowe (czas uznania klawisza za stale naciskany) mo\
e być zmieniane od 250 ms
do 1250 ms. Wartość początkowa wynosi 500 ms.
Sygnały przesyłane z klawiatury do systemu.
Klawiatura mo\
e równie\
wysyłać szereg poleceń i odpowiedzi do systemu:
powtórz nadanie (kod FEH)  \
ądanie powtórzenia błędnej transmisji,
potwierdzenie (kod FAH)  potwierdzenie przyjęcia polecenia z komputera,
przepełnienie (kod 00H)  informacja o przepełnieniu bufora pamięci w klawiaturze
(bufor procesora mo\
e pomieścić 16 kodów klawiszy),
zwolnienie klawisza (kod F0H)  w klawiaturze PC AT kod sygnalizujący zwolnienie
klawisza przesyłany jest w postaci dwóch bajtów: kodu F0H i kodu naciśniętego
klawisza.