硬件工程师第18章.docx
《硬件工程师第18章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硬件工程师第18章.docx（59页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
硬件工程师第18章
第18章输入设备
18.1键盘
计算机系统中一种最基本的元件就是键盘，它是首要的输入设备。
它被用来将命令和数据输入系统中。
本章着眼于已存在于PC兼容系统中的键盘，并分析了键盘的不同类型、键盘的工作原理、键盘与计算机系统的接口，此外还包括了键盘疑难解答和键盘修理方面的内容。
从最初的IBMPC出现后，IBM已经为PC系统设计了三种不同的键盘，Microsoft还扩展了其中的一种。
这些设计都已经成为工业上的实际标准，事实上，这些设计被所有的PC厂商所采用。
随着Windows95的问世，出现了一种标准101键盘的改进型号（由Microsoft设计），它被称为104键Windows键盘。
主要的键盘类型如下：
·101键增强型键盘。
·104键Windows键盘。
·83键PC和XT键盘（已过时）。
·84键灯键盘（已过时）。
本章将讨论101键增强型键盘和104键Windows键盘，显示这两种键盘的布局和物理外观。
虽然还可以找到使用83键和84键键盘的旧系统，但现在很少见到这些系统。
因为现在所有的新系统都使用101和104键的键盘，所以在此仅介绍这两种类型的键盘。
注意如果需要了解更多关于83键Pc及XT键盘或者84键AT键盘的信息，那么参见本书附带的CD中的《PC升级与维护》（第10版）的第7章。
18.1.1增强型101键（或102键）键盘
1986年，IBM推出了“公司”的增强型101键（或102键）键盘，该键盘用于新的XT和AT样机。
在此使用“公司”一词是因为该元件首先出现在IBM的RTPC中，该PC是为科学和工程应用设计的RISC（精简指令集计算机）系统。
实际上，该设计类型的键盘很快就被用在IBM销售的所有类型的计算机和终端上。
其他公司也很快模仿了该设计，从那时起直到1995年104键Windows键盘（本章后面讨论）的推出，该设计一直是基于Intel芯片的PC系统的标准。
该通用键盘的布局是由原来的84键键盘的布局改进而来的，但Enter犍例外，因为该键被改变为更小的尺寸。
101键增强型键盘的设计与国际上键盘的规章和规范相符合。
实际上，其他公司，例如数字设备公司（DEC）和德州仪器公司（TI）已经在使用类似于IBM101键产品的设计方法。
IBM101键的产品最初是根据在XT或AT系统中销售而分为带LED指示灯和不带指示灯两类型号。
现在有许多其他变种可供选择，其中包括了一些集成了指点设备的键盘。
如IBMTrackPointⅡ指点器、轨迹球和触摸板、用于自动任务流程的可编程键等。
增强型键盘有几个不同的变种，但是从电气上来说所有的变种都基本上是一样的，而且都能互换。
IBM及其制造Lexmark键盘和打印机的子公司已经生产了许多键盘，其中包括内置有指点设备以及采用新的人体工程学（ergonomic）布局的产品。
一些增强型键盘仍然是通过5针DIN（德国工业标准）连接器来与系统相连，但是现在大多数键盘都采用由IBMPS/2所引入的6针小口DIN连接器电缆。
虽然连接器在物理上也许有所不同，但是键盘却是相同的，因此可以通过交换电缆或者使用电缆适配器将一种类型的连接器转接成另一种类型的连接器。
有些键盘在零售时附带了这种适配器。
有关这些连接器的物理和电子特性等细节，可以参见本章后面的18.2.6节“键盘/鼠标接口连接器”一节及图18-7。
现在有些键盘使用USB连接器，但如果没有适配器，这类键盘就无法与最初的DIN和小口DIN键盘标准兼容。
有关细节参见本章后面的18.1.3节“USB键盘”。
101键键盘的布局可以分为下列4个部分：
·打字区。
·数字键区。
·光标和屏幕控制。
·功能键。
101键键盘的布局类似于Selectric键盘的布局，只有Enter键例外。
Tab、CapsLock、Shift和Backspace键都有一个更大的击键区，并且所在的位置与这些键在Selectric键盘上所在的位置相同。
Ctrl和Alt键位于空格键的两侧。
打字区和数字键区中都有便于进行触摸式打字的基准行（home-row）标志。
光标和屏幕控制键与数字键区相分离，数字键区被保留用于数字输入。
（与其他PC键盘一样,当键盘未处于NumLock模式时，可以使用数字键区来控制光标和屏幕。
）在数字键区还增加了一个除号键（/）和一个额外的Enter键。
光标控制键是按倒T形排列的，现在已出现在所有的计算机键盘上。
Insert、Delete、Home、End、PageUp和PageDown键没在数字键区中，它们位于专用的光标控制键的上方。
功能键以每4个一组，组与组之间已隔开，位于键盘的顶部。
键盘还有两个额外的功能键：
F11和F12。
Esc键单独位于键盘的左上角。
专用的PrintScreen/SysReq、ScrollLock和Pause/Break键都提供了用户经常需要使用的功能。
增强型键盘的其他语种型号有102键，并且其布局与101键U.S.型号的键盘略有不同。
IBM/Lexmark键盘有许多有益的特点，其一就是可移动的键帽，这样就可以替代损坏的键，而且便于清洗。
同样，只要有干净的键帽和纸片，就可以自己定做键盘。
键盘模块还可以用来提供专门的操作员指令。
18.1.2104键键盘（Windows9x/Me/2000）
如果你也是一位触摸式打字员，那么也许不愿将手从键盘上移开而去使用鼠标。
而Windows9x及更新版本使得用户需要更频繁地使用鼠标，因为它们需要使用鼠标的两个按键（右键用于打开快捷菜单）。
许多新键盘，特别是便携机的键盘，都包含有IBM的TrackPoint或者Alps的Glidepoint指点设备（将在本章后续部分讨论）的变种，这些设备允许触摸式打字员即使在移动指针时仍可以保持将手放在键盘上。
然而，还有另一种替代方法可以起作用——在Microsoft发布Windows95的同时，它还推出了一种称为微软自然键盘（MicrosoftNaturalKeyboard）的规范，该规范要求在键盘上增加3个Windows的专用键。
这些新键可以在需要多重击键或者点击鼠标时起辅助作用。
Microsoft的Windows键盘规范（现已成为键盘布局的事实上的工业标准）中列出了一系列新键和组合键。
大家熟悉的101键布局现在已经扩展成104键，其中增加了左、右Windows键和应用程序键。
这些键被用于操作系统和应用程序级的键组合，类似于现在的Ctrl和Alt组合，当然，用户在使用Windows9x/Me/NT/2000时，并不一定需要使用这些新键，但是软件厂商正在开始为它们使用应用程序键（提供了与点击鼠标右键相同的功能）的产品增加特殊的功能。
被推荐的Windows键盘布局要求左、右Windows键（称为WIN键）位于空格键两边Alt键的相邻侧，同时应用程序键位于右Windows键的右侧。
注意，因为这些键的确切位置取决于键盘的设计者，所以键盘与键盘之间有一些不同之处。
WIN键可以打开Windows“开始”菜单，接着就可以使用光标键进行定位。
应用程序键则可以模拟鼠标右键，在大多数应用程序中，它将激活一个上下文相关的弹出式菜单。
几种WIN键的组合方式还提供了预置的宏命令。
例如。
如果按下WIN+E，那么将运行WindowsExplorer程序。
下表列出了104键键盘Windows9x/Me/2000的组合键。
表18-1Windows9x/Me/2000组合键
组合键
产生的动作
WlN+R
运行对话框
WIN+M
最小化所有窗口
Shift+WIN+M
取消所有窗口的最小化
WIN+D
最小化所有窗口或者取消所有窗口的最小化
WIN+F1
帮助
WlN+E
启动Windows资源管理器
WIN+F
查找文件或文件夹
Ctrl+WIN+F
查找计算机
WIN+Tab
循环切换任务栏按钮
WIN+Break
系统属性对话框
应用程序键
显示所选项的上下文菜单
任何一家生产商生产的104键键盘都支持上面所说的按键组合；Microsoft的104键键盘用户通过安装其键盘随带的IntelliTypePro软件，还可以增强其键盘功能。
IntelliTypePro允许用户定制和设置键盘、Internet和多媒体热键；在Microsoft键盘上安装了InteltiTypePro软件以后，用户可以使用表18-2列出的组合键。
IntelliTypePro软件的升级版本可以从Microsoft的网站获得。
表18-2IntelliTypePro组合键
组合键
产生的动作
WIN+L
退出Windows
WIN+P
打开打印管理器
WlN+C
打开控制面板
WIN+V
打开剪贴板
WIN+K
打开键盘属性对话框
WIN+I
打开鼠标属性对话框
WIN+A
打卉辅助选项（如果已安装）
WIN+空格
显示IntelliType热键的列表
WIN+S
切换CapsLock键的开关
Windows键盘规范要求键盘制造商在键盘设计中增加trilogram的数量，trilogram是可以执行特定功能的3个快速按键的组合，例如Ctrl+Alt+Delete。
设计键盘时在开关矩阵中可以正确地记录额外增加的Windows键的trilogram，将增加这些键盘相对于标准101键模式键盘的成本。
所有键盘生产商现在都生产带有这些Windows专用键的104键键盘。
当运行Windows时，这些新的Windows键并不是必须采用的。
实际上先前存在的标准组合键可以实现与这些新键相同的功能。
此外还应注意到那些其键盘上有这些额外按键的用户中很少有人真正去使用它。
一些厂商还增加了浏览器控制键或其他按键，虽然这些按键不是标准规范，但是可以使得对网页的浏览更加简便。
18.1.3USB键盘
在键盘接口技术上的最新改进是，将键盘经由USB端口而不是标准键盘端口连接到PC机上。
由于USB是一种使用集线器将多个设备连接到一个端口上的通用总线，因此，一个USB端口就可以取代标准的串并口以及键盘和鼠标端口。
多数新系统既包含USB端口，又包含标准端口；但有些所谓的“非传统（legacy-free）”系统只使用USB端口来与所有的输入/输出设备进行交互。
几家键盘厂商已经在市场上推出了USB键盘，包括Microsoft的自然键盘（NaturalKeyboard）Elite和Pro系列键盘。
自然键盘Elite在USB键盘中比较特殊，它使用标准的键盘端口，但也包含一个支持将其直接插入Windows98/Me/2000系统中USB端口的专用USB适配器。
注意自然键盘Elite的内部电气结构与一般键盘不同，它所包含的USB适配器不能在其他
标准键盘（如早期的Microsoft自然键盘1.0）上使用。
因为标准PC的BIOS带有的键盘驱动程序默认只接受带有标准键盘接口的键盘，所以并不是所有的系统都支持USB键盘，即使那些带有USB接口的系统也不例外。
当安装了USB键盘以后，可能会因为在BIOS中没有能支持该键盘工作的驱动程序，从而使得系统不能使用USB键盘。
实际上，有些系统将缺少标准键盘视为一种错误，并将停止引导过程，直到安装好键盘。
如果希望使用经由USB端口连接的键盘，那么必须要满足下面3个要求：
·系统中有USB端口。
·运行Windows98、WindowsMe或Windows2000（这些操作系统中都包含有USB键盘驱动程序）。
·具有支持USBLegacy特性的系统芯片组和BIOS。
USBLegacy支持是指主板具有一个芯片组和一些ROMBIOS驱动程序，它们能确保在WindowsGUI环境外使用USB键盘。
启用了USBLegacy支持以后，当处于Windows命令提示符或者首次安装Windows时，就可以在MS-DOS下使用USB键盘配置系统BIOS。
如果禁用了系统的USBLegacy功能，那么USB键盘只能在Windows下正常工作。
多数最新的系统都包含了USBLegacy支持，不过系统BIOS默认情况下将其禁用。
另外，如果Windows安装失败而需要在Windows外手工操作，除非有芯片组和BIOS的支持，否则USB键盘不能正常工作。
1998年以后的多数带有USB端口的系统都包含支持USBLegacy（即USB键盘）的芯片组和BIOS。
即使USBLegacy在任何情况下都允许我们使用USB键盘，也不要将标准端口的键盘抛弃掉。
一些用户提出了一些与Windows有关的漏洞：
·安装了USB键盘以后第一次无法登录Windows98/Me/2000。
解决方法是：
当询问是否登录时，点击“取消”，然后让系统自动检测键盘并安装驱动程序，以后登录就会正常。
·当使用Windows98/Me/2000紧急引导盘（EmergencyBootDisk，EBD）引导系统时，有些USB键盘无法工作。
解决方法是：
关闭系统，接上一个标准键盘，然后重启系统。
·当某些系统启用了USBLegacy支持时，一些Windows98和Windows98SE的用户接收到了Windows和BIOS冲突的报告。
这种冲突导致的结果是，如果使用Windows9x的“关机”菜单并选择“以MS-DOS模式重启计算机”时，无法进行对USB键盘的检测。
可以向系统或BIOS厂商索取更新的BIOS或补丁程序解决这类冲突。
如果用户遇到了LegacyUSB支持相关的问题，可以尝试使用下面的解决方法：
·Microsoft知识库中可能会有涉及到对应用户的硬件组合的解决方法。
·向键盘厂商索取新的驱动程序。
·向系统或主板厂商索取BIOS升级程序。
有关USB更多的信息，参见第17章“I/O接口——从串并口到IEEE-1394和USB”。
18.1.4便携式计算机的键盘
近年来对键盘设计产生最大影响的因素之一就是便携式计算机系统和笔记本系统数量的激增。
由于尺寸的限制，很明显不可能在便携式计算机中使用标准的键盘布局。
厂商已经提出了许多不同的解决方案。
不幸的是，这些方案中没有一种象101键布局那样成为工业标准。
因为设计的不同，而且因为便携式系统的键盘不像桌上型系统的键盘那样容易替换，所以键盘的排列应该是在作出购买决定时要考虑的一个重要因素。
早期的便携式系统经常使用比常规尺寸小的按键来减小键盘的大小，这导致许多用户产生抱怨。
现在，便携式系统上按键的顶部大小通常都与桌上型计算机键盘差不多，虽然有些系统中有的功能键和其他较少使用的按键的顶部只有桌上型系统的一半大。
此外，消费者的需要已经导致大多数厂商在经历了一些改变其布局的失败尝试之后，仍然保留了光标键的倒T形设计。
当然，便携式系统中键盘最明显的区别是牺牲掉了数字键区。
大多数系统现在都将该键区内嵌到键盘的标准字母部分，如图18-1所示。
为了将这些键从其标准的键值切换到数字键值，一般必须按一个使用了专用功能键的组合键，该功能键一般被标为Fn。
图18-1现在大多数便携式系统中将数字键区内嵌到键盘字母部分的不规则按键块
这是一个极其不方便的方法，许多用户在便携式系统上已经完全放弃使用数字按键。
不幸的是有一些操作，例如通过使用Alt键来输入ASCII码时需要使用键区的数字，这在使用该布局的系统中将是很麻烦的事情。
为了缓解该问题，许多便携式系统的厂商销售有可以插在外部键盘接口上的外部数字键盘，或者在一些系统中是插在串口上的外部数字键盘。
这对那些需要进行大量数字数据输入的人员来说是很重要的。
除了键区控制外，Fn键经常被用来触发便携式系统中的其他功能，例如切换内部和外部显示，以及调节屏幕亮度和音量大小。
一些便携式系统的厂商已经花费了相当大的精力来为用户提供足够的键盘。
有段时间，IBM销售了一种带有使用了“蝴蝶”设计的键盘。
该键盘被分为两部分，当要关闭系统时其中一部分重叠在另一部分上。
当打开顶盖时，这两部分并排靠在一起，从而形成了一个实际上比常规计算机的键盘还要大的键盘。
具有讽刺意味的是，在便携式系统中出现的大屏幕显示趋势已经使得这种方案显得不必要了。
许多厂商已经加快了将其笔记本计算机的显示面板增加到12甚至15英寸的脚步，从而为安装原尺寸大小的键盘留出了足够大的空间。
不过，即使在最新的系统中，仍然没有足够的空间为数字键单独安排一块区域。
[参见]22.5.9节“键盘”
18.1.5数字锁定键
在支持增强型键盘的IBM系统中，当系统在通电时检测到键盘，那么它将启动数字锁定键的功能，同时数字锁定键的指示灯也将变亮。
如果系统检测到老式84键的AT类型的键盘，那么因为这些键盘没有独立于数字键区的光标键，所以系统不会启动数字锁定键的功能。
1986年，当增强型键盘第一次出现时，许多用户（包括我）都很恼火地发现当每次系统启动时数字键区都被自动启动。
大多数系统厂商随后开始在BIOS设置中集成了新的功能，从而允许用户强行指定在系统起动过程中数字锁定键的状态。
一些用户认为，因为没有早期的键盘能够以该种方式进行操作，所以自动启动数字锁定键应该是增强型键盘的功能之一。
要记住的是，该功能实际上并不是键盘的一种功能，而是主板ROMBIOS的功能，它能识别增强型101产品，并且将数字锁定键作为用户“喜爱”的功能而打开。
在带有不能控制数字键区状态的BIOS的系统中，可以使用DOS6.0或者以上版本来在CONFIG.SYS文件中根据喜好来开关数字锁定键。
WindowsNT4.0和Windows2000默认的数字键状况是关闭的。
18.2键盘的工艺
制造一个典型PC键盘的工艺非常有意思。
本节将集中介绍键盘工艺和设计的所有方面，其中包括按键开关、键盘与系统的接口、扫描码和键盘连接器。
18.2.1按键开关的设计
可以使用这几种开关类型中的任意一种来为每个键创建动作。
大多数键盘使用的是机械式按键开关的一种变种。
机械式按键开关依靠机械短暂接触的切换方式来使电气触点形成回路。
一些高档键盘使用的是完全不同的非机械式设计，它使用的是电容式按键开关。
本节将讨论这些按键开关，并且着重介绍每种设计。
最常见的按键开关类型是机械式开关，它主要有下列变种：
·纯机械式。
·泡沫元件式。
·橡胶圆顶式。
·薄膜式。
1.纯机械式开关
纯机械式类型的按键开关仅仅是一个简单的机械开关，它的特征是在短暂接触装置上的金属接触。
该类开关经常包含有触觉反馈机件，该机件由一个弹夹和弹簧装置组成，该装置在设计上是用来使键盘具有“点击”感觉，并且在按键时产生一定的阻力。
参见图18-2。
机械式开关非常耐用，通常还带有自洁式触点，一般能经受2千万次击键，在使用寿命上仅次于电容式开关；另外，它还具有突出的触觉反馈功能。
尽管机械式键盘具有良好的触觉反馈和耐用功能，但已远远比不上薄膜式键盘（本章后面将要讨论）流行，许多生产机械式键盘的公司现在只保留了几种价格比较高的产品。
随着键盘与其他传统设备（如鼠标和驱动器）价格的持续下滑，键盘制造商不得不削减成本，在这种压力之下，许多生产商都放弃了机械式键盘的生产，转而生产价格便宜的薄膜式键盘。
许多机械式键盘生产商都使用AlpsElectric机械开关。
除AlpsElectric外；在其键盘产品中使用这种机械式开关的其他公司有AdessoInc.（）、NMBTechnologies（）、Chicony、Cherry（该公司的G80系列键盘具有5千万次击键次数，）、AvantPrime以及Stellar（传统Northgate键盘的竞争者，可从ErgonomicResources获取其有关信息；www.ergo-），还有kinesis（www.kinesis-）、SlIG（）和Focus（）。
许多生产商通过OEM市场来销售其产品，因此用户必须仔细查看键盘的详细规范，以确认该键盘是否是机械式键盘。
图18-2NMB键盘使用的典型的机械开关。
当键被按下时，开关压向触点从而建立连接
2.泡沫元件式开关
在一些老式键盘上，泡沫元件机械式按键开关非常流行。
大多数更老的Pc键盘使用的就是该技术，其中包括有Keytronics和其他厂商生产的产品。
该泡沫元件被安装在按键所连接的冲杆（plungef）底部（参见图18－3）。
图18-3典型的泡沫元件机械式按键开关
当开关被按下时，泡沫元件底部的箔导体将闭合其下方印刷电路板上的电路。
当压力消除后，一个返回弹簧将把按键往回推。
泡沫将对该触点减振，有助于防止出现反跳，但是不利的是使得这些键盘产生“泥泞”的感觉。
这类按键开关设计的最大问题是其基本上没有多少触觉反馈。
这类键盘通过由系统扬声器发出点击声来表示已经产生了接触。
对键盘触觉的偏爱是带有主观色彩的，我个人不喜欢泡沫元件开关设计。
该类设计的另一个问题是箔导体和其下方电路板上印刷的线路更容易被腐蚀。
如果发生了腐蚀，那么击键将变得断续，从而产生混乱。
幸运的是，这些键盘属于最容易清洗的那类键盘。
通过将键盘完全拆开，通常可以移开电路板部分——不要移动每个单独的泡沫垫——这样所有泡沫垫的底部就露出来了。
接着可以方便地擦除泡沫垫和电路板底部的腐蚀物和尘垢，从而使得键盘焕然一新。
糟糕的是，经过一段时间后，又会有腐蚀发生。
在此推荐大家使用D.w.Electrochemicals公司的Stabilant22a来改善触点的条件，并防止将来再有腐蚀发生。
因为有这些问题，所以键盘已不再使用泡沫元件式设计，它被流行的橡胶圆顶式设计所取代。
KeyTronic是使用该技术的最有名的厂商，它现在在中端和高端键盘市场中使用一种中心承压（center-bearing）薄膜式开关技术，因此用户可能只能在老式系统中见到这种泡沫开关式键盘。
3.橡胶圆顶式开关
橡胶圆顶开关是类似于泡沫元件类型的机械式开关，但是在许多方面有了改进。
这些开关使用一个橡胶圆顶来代替弹簧，该圆顶下面有一个碳的按键触点。
当按下一个按键时，按键的冲杆压在橡胶圆顶上，使得圆顶产生反作用力，接着马上下压，与油罐的顶部很相似。
当橡胶圆顶下压时，用户感觉到触觉反馈，碳按键将与其下方电路板上的线路产生接触。
当按键被松开时，橡胶圆顶恢复原形并将按键向上回送。
橡胶的使用使得不再需要弹簧，而且不用使用弹夹或其他部件就可以提供合适大小的触觉反馈。
因为碳按键抗腐蚀，并且因为它还可以在其下方的金属触点上产生自洁式动作，所以橡胶圆顶式开关使用的是碳按键。
橡胶圆顶自身形成了一个薄层，使下方的触点完全不受灰尘、污垢甚至小的溅出物的侵蚀。
这类开关设计最简单，并且使用了最少的部件。
这使得橡胶圆顶式按键开关非常可靠，但是其触觉反馈性能相对较差，因而多数键盘生产商都转而生产下节介绍的薄膜式开关。
4.薄膜式开关
薄膜式是在橡胶圆顶式键盘基础上产生的变种。
它使用一种平坦的，有弹性的电路板接收输入并将其传送给键盘的微控制器。
这些按键都不再是分离的，而是组合形成在一个薄层上，该薄层位于橡胶圆顶薄层之上。
这种设计极大地限制了按键的行程。
由于这个原因，薄膜式键盘在进行常规的触摸式打字时并不好用。
然而，在极端恶劣的环境下使用薄膜式键盘则非常理想。
因为薄层可以被粘合和密封在一起，与其他元件分开，所以薄膜式键盘可以在没有其他类型的键盘可以胜任的条件下使用。
许多工业应用中，在那些不需要大规模数据输入，但是被用来操作设备的终端（例如，现金收纳机）上使用的就是薄膜式键盘。
然而，薄膜式开关不再局限于快餐业或工业应用中了。
在过去的几年里，使用传统键盘键顶的薄膜式开关已经取代了橡胶圆顶式开关，从而成为中低档键盘最受欢迎的产品。
升级会员 