计算机键盘工作原理

键盘的主要功能是充当**输入设备**。使用键盘，人们可以输入文档、使用快捷键、访问菜单、玩游戏以及执行各种其他任务。键盘的按键数量可能因制造商、其设计的操作系统以及是连接到台式计算机还是笔记本电脑的一部分而异。但总的来说，这些按键，也称为**键帽**，在不同键盘上尺寸和形状相同。无论按键代表何种语言或字母表，它们之间也以相似的间距和相似的模式排列。

大多数键盘有80到110个按键，包括

**输入键**包括字母表中的字母，通常按照打字机使用的相同模式排列。根据传说，这种布局，因其前六个字母而被称作**QWERTY**，有助于防止机械打字机的金属臂在打字时发生碰撞和卡顿。有些人对这个说法提出质疑——但无论真假，当计算机键盘问世时，QWERTY模式早已成为标准。 

键盘也可以使用各种其他输入键布局。最广为人知的是**Dvorak（德沃夏克）**，以其发明者August Dvorak命名。Dvorak布局将所有元音放在键盘的左侧，最常见的辅音放在右侧。最常用的字母都位于**主键区**。主键区是你开始打字时放置手指的主要行。偏爱Dvorak布局的人说，它可以提高他们的打字速度并减少疲劳。其他布局包括**ABCDE**、**XPeRT**、**QWERTZ**和**AZERTY**。每个布局都以模式中的第一个键命名。QWERTZ和AZERTY布局在欧洲常用。

**数字小键盘**是计算机键盘的一个较新的补充。随着计算机在商业环境中的使用增加，对快速数据输入的需求也随之增加。由于大部分数据是数字，因此在键盘上增加了一组17个按键，其排列方式与加法机和计算器上的配置相同。

1986年，IBM通过增加**功能键**和**控制键**进一步扩展了基本键盘。应用程序和操作系统可以为功能键分配特定命令。控制键提供光标和屏幕控制。四个**方向键**以倒置的T形排列在输入键和数字小键盘之间，可以小幅度地在屏幕上移动光标。

其他常见的控制键包括

Windows键盘增加了一些额外的控制键：两个**Windows键**或**Start键**，以及一个**应用程序键**。另一方面，苹果键盘有**Command键**（也称为“Apple”键）。为Linux用户开发的键盘则具有Linux专属的热键，其中一个标有企鹅“Tux”——Linux的标志/吉祥物。

键盘很像一台微型计算机。它有自己的处理器和电路，负责处理器之间的数据传输。这些电路的大部分构成了**按键矩阵**。

按键矩阵是按键下方的一个电路网格。在所有键盘中（除了我们将在下一节讨论的**电容式**键盘），每个电路都在每个按键下方的一个点断开。当你按下按键时，它会按下**开关**，使电路闭合，并允许微小的电流通过。开关的机械动作会引起一些振动，称为**抖动**，处理器会将其过滤掉。如果你按住一个按键，处理器会将其识别为重复按键。

当处理器发现一个电路闭合时，它会将该电路在按键矩阵上的位置与只读存储器(ROM)中的**字符映射**进行比较。字符映射本质上是一个比较图表或查找表。它告诉处理器矩阵中每个按键的位置以及每个按键或按键组合所代表的含义。例如，字符映射让处理器知道单独按下**a**键对应小写字母“a”，但同时按下**Shift**和**a**键则对应大写字母“A”。

计算机也可以使用单独的字符映射，覆盖键盘中自带的映射。如果一个人正在使用带有英文字母的键盘输入一种没有英文对应字母的语言，这会很有用。人们还可以设置他们的计算机将按键解释为在Dvorak键盘上输入，尽管他们的实际按键是QWERTY布局。此外，操作系统和应用程序具有键盘**辅助功能**设置，允许人们更改键盘行为以适应残疾。

键盘使用各种开关技术。**电容式**开关被认为是**非机械式**的，因为它们不像大多数其他键盘技术那样物理闭合电路。相反，电流持续流过按键矩阵的所有部分。每个按键都带有弹簧，底部附有一个小板。当你按下按键时，它会将这个小板移近其下方的板。随着两块板靠近，流过矩阵的电流会发生变化。处理器检测到这种变化并将其解释为该位置的按键按下。电容式开关键盘价格昂贵，但比任何其他键盘的寿命都长。此外，由于两个表面永不实际接触，它们没有抖动问题。

键盘中使用的所有其他类型的开关本质上都是**机械式**的。每种开关都提供不同程度的**听觉**和**触觉**反馈——即打字时产生的声音和感觉。机械按键开关包括

**橡胶圆点**开关非常常见。它们使用小的、灵活的橡胶圆点，每个圆点中心都有一个硬碳点。当你按下按键时，按键底部的柱塞会向下压住圆点，碳点会压在按键矩阵下方的一个坚硬平面上。只要按键被按住，碳点就会闭合电路。当按键释放时，橡胶圆点会弹回其原始形状，将按键推回到静止位置。橡胶圆点开关键盘价格便宜，触感反馈相当好，并且由于覆盖在按键矩阵上的橡胶层，相当耐溢出和腐蚀。

**薄膜**键盘不像每个按键都有独立的开关，而是使用一块从一端延伸到另一端的连续薄膜。当你按下按键时，薄膜上印制的图案会闭合电路。有些薄膜键盘使用印刷有每个按键表示的平面而不是键帽。薄膜键盘的触感反馈不佳，并且如果没有额外的机械组件，它们不会发出有些人打字时喜欢听到的点击声。然而，它们的制造成本通常较低。

**金属触点**和**泡沫元件**键盘越来越不常见。金属触点开关只是一个带有弹簧的按键，其柱塞底部有一条金属片。当按键被按下时，金属条连接电路的两个部分。泡沫元件开关基本设计相同，但柱塞底部和金属条之间有一小块海绵状泡沫，提供更好的触感反馈。这两种技术都具有良好的触感反馈，能发出令人满意的可听见的“咔嗒”声，并且生产成本低廉。问题在于触点比使用其他技术的键盘更容易磨损或腐蚀。此外，没有屏障可以防止灰尘或液体直接接触按键矩阵的电路。

不同的制造商已经使用这些标准技术以及其他一些技术，创造了各种各样的非传统键盘。我们将在下一节中探讨其中一些非传统键盘。

传统键盘设计的许多修改都旨在使其更安全或更易于使用。例如，有些人将增加的键盘使用与**重复性劳损**（如腕管综合征）联系起来，尽管科学研究产生了相互矛盾的结果。**人体工学**键盘设计旨在打字时使人的手保持更自然的姿势，以期预防受伤。虽然这些键盘确实可以避免人们以“螳螂祈祷”姿势握手，但研究对于它们是否真正预防受伤存在分歧。

最简单的人体工学键盘看起来像是从中间分开的传统键盘，这样可以使双手保持更远的距离，并使手腕与前臂对齐。更复杂的设计将键盘的两半以不同角度相互放置，并相对于键盘所放置的表面。有些甚至更进一步，将键盘的两半放置在椅子的扶手上，或使其完全垂直于桌面。另一些，如Datahand，则根本不像键盘。

一些修改，虽然不一定符合人体工程学，但旨在使键盘更便携、更多功能或仅仅是更酷炫

除了拥有独立感应系统的虚拟激光键盘外，这些键盘都采用与传统型号相同的技术与计算机进行通信。我们接下来将探讨这项技术。

当你打字时，键盘中的处理器会分析按键矩阵并确定要发送到计算机的字符。它将这些字符保存在其**内存缓冲区**中，然后发送数据。

许多键盘通过带有PS/2或USB（通用串行总线）连接器的电缆连接到计算机。笔记本电脑使用内部连接器。无论使用哪种类型的连接器，电缆都必须为键盘供电，并必须将信号从键盘传输回计算机。

另一方面，无线键盘通过**红外线**（IR）、**射频**（RF）或**蓝牙**连接到计算机。红外线和射频连接类似于你在遥控器中发现的。无论它们使用哪种信号，无线键盘都需要一个**接收器**（内置或插入USB端口）才能与计算机通信。由于它们与计算机没有物理连接，无线键盘要么有交流电源连接，要么使用电池供电。

无论是通过电缆还是无线，来自键盘的信号都由计算机的**键盘控制器**监控。这是一个**集成电路（IC）**，它处理来自键盘的所有数据并将其转发给操作系统。当操作系统（OS）收到来自键盘的数据通知时，它会检查键盘数据是否为**系统级命令**。一个很好的例子是Windows计算机上的**Ctrl**-**Alt**-**Delete**，它会重启系统。然后，操作系统将键盘数据传递给当前应用程序。

应用程序判断键盘数据是命令（例如在Windows应用程序中打开“文件”菜单的**Alt**-**f**），还是**内容**（可以是输入文档、输入URL或执行计算等任何操作）。如果当前应用程序不接受键盘数据，它就会简单地忽略这些信息。从按下按键到将内容输入应用程序的整个过程几乎是瞬时发生的。

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