Глядя на изобилие дополнительных функций и возможностей современных клавиатур, с трудом верится, что они произошли от механических печатных машинок, в которых даже не использовалось электричество. Сегодня можно приобрести эргономичную клавиатуру, совершенно не похожую на традиционные прямоугольные модели с простыми квадратными клавишами. Особо экзотические варианты оснащены подсветкой, могут складываться или сворачиваться в трубочку. Некоторые модели позволяют привязывать к клавишам свои собственные функции и команды.

Но как бы ни изощрялись производители, большинство клавиатур работает на основе одной и той же технологии: в них используются переключатели и электросхемы, преобразующие клавиатурные нажатия в сигналы, понятные компьютеру. В этой статье мы расскажем об основных принципах функционирования клавиатур поподробнее, а также рассмотрим различные конструкции, опции и варианты раскладки.

Как устроена клавиатура

Главная функция клавиатуры - служить средством ввода. Клавиатура позволяет набирать текст, использовать «горячие» клавиши для быстрого вызова функций и меню, играть в компьютерные игры и выполнять целый ряд других задач. В зависимости от производителя, целевой операционной системы и типа клавиатуры (подключаемая к компьютеру или встроенная в ноутбук) набор кнопок может несколько различаться. Но в основном размер и форма клавиш (или клавишевых колпачков, как их еще иногда называют) повторяются от клавиатуры к клавиатуре, равно как и их положение и расстояние между ними, вне зависимости от языка и алфавита.

В большинстве клавиатур насчитывается от 80 до 110 клавиш, в том числе:

•    текстовые;

•    числовые;

•    функциональные;

•    клавиши управления.

Текстовые клавиши представляют буквы алфавита, расположенные, как правило, в том же порядке, что и на печатных машинках. Принято считать, что традиционная раскладка (которую называют QWERTY по первым шести буквам) была призвана замедлить скорость печати для предотвращения столкновения и поломки металлических рычагов механических печатных машинок при наборе. Некоторые, правда, ставят этот факт под сомнение, но, так или иначе, раскладка QWERTY стала стандартной задолго до появления компьютерных клавиатур.

Клавиши могут располагаться в клавиатурах и по-другому. Самый известный альтернативный вариант раскладки - клавиатура Дворака, названная так по фамилии ее создателя Августа Дворака (August Dvorak). В такой раскладке все гласные расположены в левой части клавиатуры, а самые распространенные согласные - в правой. Наиболее часто используемые буквы находятся в основном ряду, где установлены пальцы пользователя при печати. Сторонники раскладки Дворака утверждают, что она значительно повышает скорость печати и снижает утомляемость рук. Известны и другие варианты раскладки - ABCDE, XPeRT, QWERTZ и AZERTY (по первым буквам). Последние две особенно распространены в Европе.

Панель числовых клавиш появилась на компьютерных клавиатурах относительно недавно. По мере все большего распространения компьютеров в бизнесе резко возросла потребность в ускорении ввода, а поскольку основной массив вводимых данных представлен цифрами, было решено добавить к традиционным клавишам еще семнадцать числовых кнопок, расположенных точно так же, как на счетных машинках и калькуляторах.

В 1986 году компания IBM дополнила стандартную клавиатуру функциональными клавишами и клавишами управления. Функциональные клавиши используются для выполнения определенных команд в операционных системах и приложениях, а клавиши управления предназначены для управления курсором и экраном. Четыре клавиши со стрелками, расположенные в форме перевернутой буквы Т между полями текстовых и числовых клавиш, позволяют перемещать курсор по экрану с небольшим шагом.

Прочие клавиши управления:

•    [Ноте];

•    [End];

•    [Insert];

•    [Delete];

•    [PageUp];

•    [PageDown];

•    [Control] ([Ctrl]);

•    [Alternate] ([Alt]);

•    [Escape] ([Esc]).

В клавиатурах Windows используются также дополнительные клавиши управления: две кнопки [Windows] или [Start] и клавиша [Application]. В клавиатурах Apple предусмотрены клавиши [Command] (они же [Apple]). Клавиатуры для Linux оснащены специальными «горячими» клавишами, в том числе кнопкой с изображением пингвина Тих - символа Linux.

Компьютерная клавиатура: взгляд изнутри

Клавиатура - это своего рода миниатюрный компьютер. У нее есть собственный процессор и электрическая цепь, отвечающая за обмен данными между клавишами, процессором и компьютером. Основная доля этой цепи приходится на клавиатурную матрицу.

Клавиатурная матрица - это набор электросхем, расположенных под клавишами. Во всех клавиатурах (кроме емкостных, о которых пойдет речь в следующем разделе) под каждой клавишей цепь разрывается. Когда пользователь нажимает кнопку, она надавливает на переключатель и замыкает цепь, пропуская небольшое количество тока. Механическое действие переключателя вызывает легкую вибрацию (отдачу), которая отфильтровывается процессором. Когда клавишу нажимают и удерживают, процессор воспринимает это как многократное нажатие клавиши.

Когда процессор обнаруживает, что цепь замкнулась, он вычисляет ее положение на клавиатурной матрице по таблице кодов символов, которая хранится в его постоянной памяти (ROM, ПЗУ). Таблица кодов символов - это, по сути, схема сравнения или таблица поиска. В ней содержатся сведения о положении каждой клавиши на клавиатурной матрице и о том, чему каждая из клавиш или клавишных сочетаний соответствует. С помощью таблицы кодов процессор узнает, что нажатие одной клавиши соответствует, например, строчной букве а, а в сочетании с клавишей [Shift] - уже прописной А.

Компьютер может использовать собственные таблицы кодов вместо стандартных клавиатурных. Это позволяет, например, набирать текст на языке, буквы которого не имеют эквивалентов на английской раскладке. Можно настроить систему так, чтобы клавиатурные нажатия интерпретировались в соответствии с раскладкой Дворака, даже если сама клавиатура рассчитана на QWERTY Кроме того, в операционных системах и приложениях предусмотрены специальные настройки, облегчающие пользование клавиатурой людям с ограниченными возможностями.

Соединение клавиатуры с компьютером

По мере ввода процессор клавиатуры анализирует клавиатурную матрицу и определяет, какие символы отправлять компьютеру. Эти данные сохраняются в буфере памяти и затем передаются на компьютер. Большинство клавиатур подключается к компьютеру кабелем через разъем PS/2 или порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). В ноутбуках используются встроенные коннекторы. Какой бы механизм ни применялся, кабель отвечает за питание клавиатуры и передачу сигналов с нее на компьютер.

Беспроводные клавиатуры соединяются с компьютером по инфракрасной (IR), радиочастотной связи (RF) или Bluetooth. Инфракрасное и радиочастотное соединение действуют точно так же, как в пультах удаленного управления. В любом случае, какой бы тип сигнала ни использовался, для беспроводной клавиатуры необходим ресивер - встроенный или подключенный к USB-порту компьютера. Поскольку беспроводные клавиатуры физически не соединены с компьютером, они оснащены собственным источником питания - аккумуляторами или электропроводом для включения в сеть. Как бы клавиатура ни соединялась с компьютером, за ее сигналом наблюдает клавиатурный контроллер - интегральная микросхема, которая обрабатывает данные клавиатуры и передает их в операционную систему. Когда операционная система получает данные с клавиатуры, она прежде всего проверяет, не являются ли эти данные системной командой типа [Ctrl]+[Alt]+[Delete] в Windows, которая перезагружает компьютер. Затем операционная система передает данные активному приложению.

Приложение также проверяет, являются ли данные клавиатуры командой типа [Alt]+[f], которая открывает меню «Файл» (File) в программах Windows. Если это не команда, приложение воспринимает данные как контент, под которым может пониматься что угодно - от текста до адреса URL или цифр. Если активное приложение не допускает клавиатурного ввода, оно эти данные просто игнорирует. Весь процесс - от нажатия клавиши до ввода данных в приложение - происходит практически мгновенно.

Клавиатурные переключатели

В клавиатурах применяются переключатели двух основных типов: механические и немеханические. Емкостные переключатели считаются немеханическими, поскольку не замыкают цепь физически в отличие от большинства других клавиатурных механизмов. В емкостных клавиатурах через всю клавиатурную матрицу постоянно проходит ток, а каждая клавиша закреплена на пружинке, к которой в свою очередь крепится крошечная пластинка. При нажатии клавиши эта пластинка сближается с другой пластинкой, расположенной под ней. При этом количество тока, проходящего через матрицу, изменяется. Процессор регистрирует это изменение и интерпретирует его как нажатие соответствующей клавиши. Клавиатуры с емкостными переключателями стоят дорого, но зато служат гораздо дольше всех прочих и не вызывают отдачи, поскольку поверхности в них фактически не соприкасаются.

Все остальные типы клавиатурных переключателей - по своей сути механические, однако производят разные тактильные и звуковые ощущения. Механические переключатели можно разбить на следующие группы:

•    с резиновыми колпачками;

•    мембранные;

•    с металлическими контактами;

•    с поролоном.

Наиболее распространены переключатели с резиновыми колпачками. В таких клавиатурах под каждой клавишей расположен небольшой гибкий резиновый колпачок с твердой угольной серединкой. При нажатии клавиши расположенный внутри нее стержень надавливает на колпачок, а тот соприкасается с ровной жесткой поверхностью клавиатурной матрицы. При этом угольная серединка колпачка замыкает цепь. Когда клавишу отпускают, резиновый колпачок расправляется и возвращает кнопку в исходное состояние. Клавиатуры с резиновыми колпачками стоят очень дешево, обеспечивают прекрасный тактильный отклик, устойчивы к влаге и коррозии, поскольку клавиатурная матрица надежно защищена слоем резины.

В мембранных клавиатурах вместо отдельных переключателей для каждой из клавиш используется цельная мембрана от края до края. Напечатанная на мембране схема замыкает цепь при нажатии клавиш. В некоторых мембранных клавиатурах вместо кпавишевых колпачков даже используются плоские панели с изображенными на них клавишами. Мембранные клавиатуры не обеспечивают отдачи, а без специальных приспособлений даже не производят щелкающего звука при печати, который так нравится многим пользователям. Зато они стоят недорого.

Клавиатуры с металлическими контактами и поролоном распространены гораздо меньше двух предыдущих типов. В первом случае каждая клавиша крепится к пружинке, на другом конце которой закреплена полоска металла, замыкающая цепь при нажатии. Во втором случае штифт клавиши отделяется от металлической полоски кусочком упругого поролона, который обеспечивает ощутимый тактильный отклик. Клавиатуры обеих конструкций приятны на ощупь, издают громкие щелчки при печати и стоят недорого. Недостаток подобных переключателей в том, что их компоненты быстро изнашиваются и никак не препятствуют проникновению влаги и пыли на клавиатурную матрицу.