Устройства ввода информации

1.2 Интерфейс клавиатуры

Клавиатура состоит  из набора переключателей, объединенных в матрицу. При нажатии клавиши  процессор, установленный в самой клавиатуре, определяет координаты нажатой клавиши в матрице. Кроме того, процессор клавиатуры определяет продолжительность нажатия и может обработать даже одновременное нажатие нескольких клавиш. В клавиатуре установлен буфер емкостью 16 байт, в который заносятся данные при слишком быстрых или одновременных нажатиях. Затем эти данные в соответствующей последовательности передаются в систему.

Обычно при нажатии  клавиш возникает эффект дребезжания, т.е. контакт устанавливается не сразу, а после нескольких кратковременных замыканий и размыканий. Процессор, установленный в клавиатуре, должен подавлять это дребезжание и отличать его от двух последовательных нажатий одной и той же клавиши. Сделать это довольно просто, поскольку переключение контактов при дребезжании происходит гораздо быстрее, чем при нажатии клавиши пользователем.

Клавиатура PC фактически представляет собой небольшой компьютер, связанный с основной системой одним из двух способов:

• с помощью стандартного разъема клавиатуры, и специального последовательного канала передачи данных;
• Через порт USB.

Связь с системным  блоком осуществляется через последовательный канал, данные по которому передаются по 11 бит, восемь из них данные, а  остальные — синхронизирующие и  управляющие.

В клавиатурах первых моделей PC использовался микроконтроллер 8048, а в более новых компьютерах применяется микросхема 8049 со встроенной памятью ROM или другие микросхемы, совместимые с 8048 или 8049. Например, в расширенной клавиатуре IBM всегда использовался специализированный вариант процессора 6805 компании Motorola, совместимый с микросхемами Intel. Встроенный процессор клавиатуры сканирует матрицу переключателей, устраняет эффект дребезжания, вырабатывает при нажатии клавиши соответствующий скан-код и передает его на системную плату. Этот процессор имеет свою память, иногда небольшую память ROM и встроенный последовательный интерфейс.

В компьютере PC/XT последовательный интерфейс клавиатуры соединен с  микросхемой 8255 программируемого периферийного  интерфейса на системной плате. Эта микросхема, в свою очередь, подключена к контроллеру прерываний через линию IRQ 1, которая используется для сигнализации о том, что данные с клавиатуры доступны. Сами данные из микросхемы 8255 передаются в процессор через порт ввода-вывода с адресом 60h. Сигнал на линии IRQ 1 заставляет процессор компьютера перейти к подпрограмме обработки прерываний (INT 9h), которая интерпретирует скан-коды клавиатуры и определяет дальнейшие действия.

В компьютерах типа AT последовательный интерфейс клавиатуры подключен к специальному контроллеру клавиатуры на системной плате. В качестве такого контроллера используется микросхема 8042 универсального интерфейса периферийных устройств (Universal Peripheral Interface — UPI). Этот микроконтроллер фактически является еще одним процессором со встроенными ROM емкостью 2 Кбайт и RAM на 128 байт. Существует версия с микроконтроллером 8742, в котором используется микросхема EPROM; такой микроконтроллер позволяет стирать информацию и записывать ее заново. В комплекты ROM для модернизации старых системных плат входили и новые микросхемы контроллеров клавиатуры, поскольку в них есть свои микросхемы ROM, которые тоже должны быть модифицированы. В некоторых компьютерах можно использовать микросхемы 8041 и 8741, которые отличаются только емкостью встроенной памяти.

В системах AT микроконтроллер, установленный в клавиатуре (типа 8048), пересылает данные в контроллер клавиатуры (типа 8042) на системной плате; возможна также передача данных в  обратном направлении. Когда контроллер на системной плате принимает данные от клавиатуры, он выдает запрос по цепи IRQ 1 и передает данные главному процессору через порт ввода-вывода с адресом 60h (как и в PC/XT). Играя роль посредника между клавиатурой и главным процессором, контроллер клавиатуры типа 8042 может также преобразовывать скан-коды и выполнять другие функции. Данные могут передаваться контроллеру 8042 через тот же порт 60h, после чего он пересылает их в клавиатуру. Кроме того, при необходимости передать команды или проверить состояние контроллера клавиатуры на системной плате может быть использован порт ввода-вывода с адресом 64h. Передача команд обычно сопровождается пересылкой данных в одном из направлений через порт 60h.

В большинстве старых систем контроллер 8042 используется также для управления шиной адреса А20 при обращении к памяти, объем которой больше одного мегабайта. В современных системных платах эта функция возложена непосредственно на процессор и набор микросхем системной платы.

Клавиатура, подключенная к порту USB, работает практически так же, как и при подключении к традиционному порту DIN или mini-DIN. Микросхемы контроллера, установленные в клавиатуре, используются для получения и интерпретации данных перед тем, как они будут переданы через порт USB в систему. Некоторые микросхемы включают в себя логическую часть концентратора USB, что позволяет клавиатуре работать непосредственно в качестве концентратора USB. При получении данных от клавиатуры порт USB передает их на 8042 совместимый контроллер, который обрабатывает данные так же, как и любую другую информацию клавиатуры.

Описанный процесс осуществляется уже после загрузки Windows. Для работы с клавиатурой USB в режиме MS DOS необходимо осуществить поддержку технологии USB Legacy в BIOS. Такая BIOS позволит выполнить следующие задачи:

• Конфигурирование главного контроллера.
• Подключение клавиатуры и мыши USB.
• Настройка планировщика главного контроллера.
• Направление данных, вводимых с клавиатуры или мыши USB, на контроллер клавиатуры 8042.

Системы, поддерживающие USB Legacy, могут использовать BIOS для управления клавиатурой USB до загрузки Windows 98/Me/2000. После загрузки системы драйвер главного контроллера USB берет управление клавиатурой на себя, отправляя команду StopBIOS подпрограмме BIOS, которая непосредственно “руководит” клавиатурой. При перезагрузке компьютера в режиме MS DOS главный контроллер USB отправляет команду StartBIOS для повторного запуска той же подпрограммы BIOS.

Клавиатура USB, начиная  с того момента, как контроллер клавиатуры 8042 принимает отправленные сигналы, работает аналогично стандартным клавиатурам. При этом управление клавиатурой осуществляется на уровне BIOS (параметры BIOS, необходимые для работы с клавиатурой USB, должны быть корректно заданы). В некоторых случаях для обеспечения соответствующей поддержки клавиатуры USB может понадобиться обновленная версия BIOS. Используемые наборы микросхем системной логики должны поддерживать режим USB Legacy.

Номера клавиш и скан-коды.

При нажатии клавиши  встроенный в клавиатуру процессор (8048 или 6805) определяет координаты замкнутого переключателя в матрице. После этого он передает на системную плату последовательный пакет данных, содержащий скан-код нажатой клавиши.

Это называется кодом  активизации (make code). Когда клавиша  возвращается в первоначальное состояние, отправляется код останова (break code), указывающий системной плате на то, что клавиша отпущена. Код останова аналогичен коду активизации плюс 80h. Например, если код активизации для клавиши «A» составляет 1Eh, код останова будет 9Eh. С помощью этих кодов система определяет конкретную нажатую клавишу или комбинацию нескольких одновременно нажатых клавиш.

В компьютере AT контроллер клавиатуры 8042 преобразует текущий  скан-код в один из предусмотренных в системе скан-кодов и направляет его в главный процессор компьютера. Иногда нужно знать эти скан-коды, особенно при поиске неисправностей в клавиатуре или необходимости непосредственно прочитать скан-код в программе, которую вы пишете.

Когда клавиша «залипает» или выходит из строя, диагностическая программа, например процедура самоконтроля POST, обычно сообщает ее скан-код. Это означает, что вам придется идентифицировать конкретную клавишу по ее скан-коду. Зная скан-код неисправной клавиши, с помощью этих таблиц можно определить, какая клавиша вышла из строя или нуждается в чистке.

Для 101-й клавишной (расширенной) клавиатуры используются три различных набора скан-кодов, причем по умолчанию устанавливается набор 1. В некоторых компьютерах, включая PS/2, при выполнении процедуры POST используется один из двух других наборов скан-кодов. Например, в компьютере IBM Р75 в процессе выполнения POST используется набор 2, а во время обычной работы — набор 1.

В клавиатурах IBM каждой клавише назначается уникальный номер, чтобы отличать ее от остальных. Эти номера нужно знать для идентификации клавиш на иностранных клавиатурах, где на них могут быть нанесены другие символы.

Автоматическое повторение.

Если удерживать какую-либо клавишу нажатой, то возникает эффект автоматического повторения, т.е. клавиатура начинает непрерывно посылать на системную плату код нажатой клавиши.

В клавиатуре AT можно  регулировать частоту автоматического  повторения, подавая соответствующие  команды на ее процессор. В клавиатуре PC/XT этого сделать нельзя, так  как интерфейс клавиатуры однонаправленный. В клавиатурах AT существует возможность программной настройки частоты повторного набора символов и степень задержки. Настройка осуществляется с помощью системной BIOS (хотя некоторые микросхемы BIOS не поддерживают всех необходимых функций) или операционной системы. В Windows нужно открыть панель управления и щелкнуть на значке «Клавиатура» (Lenguage); в DOS для этого используется команда MODE.

Настройка параметров автоматического  повторения в Windows.

Для изменения параметров клавиатуры в Windows 95/98 и Windows NT/2000 необходимо открыть диалоговое окно Свойства: «Клавиатура» (Keyboard: Properties). В Windows средство управления расположено во вкладке «Скорость» (Speed). Ползунок «Задержка перед началом повтора символа» (Repeat Delay) (рисунок 7) задает интервал времени, в течение которого необходимо удерживать клавишу нажатой, чтобы клавиатура начала повторять символ. Ползунок «Скорость повтора» (Repeat time) определяет интервал повторения символа по истечении времени задержки.

Рисунок 7 - Указание задержки перед началом повтора и скорости повтора для клавиатуры Windows

В диалоговом окне также  находится текстовое поле, посредством  которого можно проверить измененные параметры до их утверждения в  системе. Щелкните мышью на текстовом поле, затем нажмите и удерживайте любую клавишу, после чего ввод символов будет осуществляться соответственно параметрам, определенным выше с помощью специальных ползунков. Затем щелкните на кнопке «Применить» (Apply), и предварительные изменения станут основными.

Международные раскладки  клавиатуры и языки.

После того как контроллер клавиатуры в системе получит  скан-коды, сгенерированные клавиатурой, и передаст их на главный процессор, операционная система преобразует  коды в соответствующие алфавитно-цифровые символы. Ими, например, являются буквы, цифры и другие символы, находящиеся на стандартной американской клавиатуре.

Однако, независимо от изображенного  на клавише символа, довольно просто настроить процедуру преобразования скан-кода для назначения клавишам других символов. В Windows можно установить несколько раскладок клавиатур для поддержки различных языков.

В Windows 9x/Me щелкните на пиктограмме  «Клавиатура» (Language) в окне «Панель  управления» (Control Panel) и перейдите  к окну «Клавиатура» (Language). В одноименной панели будет отображаться раскладка клавиатуры, выбранная при инсталляции операционной системы. В Windows XP откройте окно «Панель управления» (Control Panel), щелкните на пиктограмме «Язык и региональные стандарты» (Regional and Language Options), затем на вкладке «Языки» (Languages) и в ней на кнопке «Подробнее» (Details). С помощью кнопки «Добавить» (Add) можно выбрать один из дополнительных языков ввода.

Используя различные раскладки  клавиатуры, можно набирать тексты на разных языках. Например, для набора текста на французском языке необходимо установить символы с диакритическими знаками, а на немецком — символы с умлаутами. Кроме того, несколько раскладок могут использоваться и для одного языка. Так, например, в различных странах, где жители говорят на французском языке, приняты разные соглашения относительно расположения на клавиатуре букв французского алфавита. Поэтому Windows включает несколько различных раскладок клавиатуры для некоторых языков.

Альтернативные раскладки клавиатуры также не обеспечивают поддержку алфавитов, основанных не на латинице, таких, например, как русский или китайский. Символы с диакритическими знаками и другие, используемые в таких языках, как французский и немецкий, — часть стандартного набора символов кода ASCII. К ним можно получить доступ с помощью программы «Таблица символов» (Character Map) или комбинации «Alt+клавиша цифровой клавиатуры». Альтернативная раскладка клавиатуры просто облегчает использование символов, характерных для того или иного языка.

Если в документах используется несколько языков, можно устанавливать  все требующиеся раскладки клавиатуры по мере необходимости и переключаться  между ними по желанию. При щелчке на индикаторе языка, расположенном  на панели задач, появляется меню, позволяющее переключить язык. А во вкладке «Язык» (Language) можно указать комбинацию клавиш, которая позволит переключаться между установленными раскладками клавиатуры.