صفحه کلید کامپیوتر چطور کار می‌کند؟

با توجه به انواع گزینه‌ها و لوازم جانبی که امروزه برای صفحه کلید کامپیوتر داریم، شاید تصور اینکه طراحی این صفحه کلیدها به ماشین‌های تایپی بر می‌گردد که حتی از نیروی برق استفاده نمی‌کردند، به سختی قابل باور باشد. حالا می‌توان صفحه کلیدهای ارگونومیکی خرید که شباهت خیلی کمی به مدل‌های مستطیل شکل مسطح با کلیدهای مربع شکل معمولی دارد. مدل‌های مجهزتر قابلیت‌هایی مثل نورپردازی، رول شدن یا تا شدن دارند و بعضی از مدل‌ها دارای کلیدهای میانبر و فرمان‌های مخصوص برنامه نویسی هستند.

اما صرف نظر از امکانات و تجهیزاتی که به صفحه کلیدها اضافه می‌شود، اکثر آنها با استفاده از یک فناوری مشابه کار می‌کنند. در صفحه کلید از سوئیچ و مدارهای مختلف برای تبدیل ضربات وارد شده توسط کاربر به سیگنال‌های قابل درک توسط کامپیوتر استفاده می‌شود. در این مقاله نگاهی به فناوری مورد استفاده در صفحه کلید، طرح‌ها، گزینه‌ها و طراحی‌های مختلف آن خواهیم داشت.

مفاهیم کلی صفحه کلید

کار اصلی صفحه کلید، ورود اطلاعات است. کاربر می‌تواند با استفاده از صفحه کلید یک داکیومنت را تایپ کند، از کلیدهای میانبر استفاده کند، به منوها دسترسی پیدا کند، بازی اجرا کند و کارهای مختلف دیگری انجام دهد. صفحه کلید بسته به مدل، سیستم عاملی که برای آن طراحی شده و اینکه به کامپیوتر متصل باشد یا لپ تاپ، عملکردهای مختلفی دارد اما در اکثر موارد این کلیدها یا به عبارتی سرپوش آنها شکل و اندازه یکسانی دارند. معمولاً این کلیدها برای هر زبان یا الفبایی، الگوی یکسانی دارند.

طراحی صفحه کلید بر اساس سیستم عاملی که برای آن تولید شده و تولید کننده آن تفاوت دارد

بیشتر صفحه کلیدها 80 تا 110 کلید دارند که شامل این کلیدها هستند:

• کلیدهای مخصوص تایپ
• صفحه کلید عددی
• کلیدهای تابع (Function)
• کلیدهای کنترلی

کلیدهای تایپ شامل حروف الفبا هستند که معمولاً طرح و الگوی کلی آنها با آنچه که در ماشین‌های تایپ وجود دارد یکسان است. این طرح که به آن QWERTY گفته می‌شود با این هدف طراحی شده بود که از برخورد بعضی از اجزای صفحه کلید و گیر کردن آن پیشگیری کند. عده‌ای با این استدلال مخالف هستند اما در هر صورت الگوی QWERTY مدتها استاندارد اصلی طراحی صفحه کلید محسوب می‌شده و هنوز هم در کامپیوترهای امروزی از آن استفاده می‌شود.

طرح‌های دیگری هم برای چیدمان کلیدهای صفحه کلید وجود دارد که شناخته شده ترین آنها طرح دووراک است که بر اساس نام طراح آن یعنی آگوست دووراک نامگذاری شده است. در طرح دووراک همه حروف مصوت در سمت چپ صفحه کلید قرار دارد و بیشتر حروف صامت سمت راست قرار دارند. همه کلیدهای پرکاربرد هم در سطر home قرار دارند. این سطر جایی است که هنگام تایپ کردن، انگشتتان را در آنجا قرار می‌دهید. بعضی از افراد طرح دووراک را ترجیح می‌دهند و معتقدند که این طرح سرعت تایپ را افزایش داده و خستگی را کم می‌کند. ABCDE، XPeRT، QWERTZ و AZERTY از سایر طرح‌های مورد استفاده در صفحه کلیدها هستند که این نامگذاری بر اساس اولین کلیدهای درج شده در هر الگو انجام می‌شود. در اروپا بیشتر از طرح‌های QWERTZ و AZERTY استفاده می‌شود.

کی پد عددی جزء جدیدترین آیتم‌های اضافه شده به صفحه کلیدهای کامپیوتر است. از آنجایی که میزان استفاده از کامپیوتر در محیط‌های کاری افزایش پیدا کرده، نیاز به ورود سریع داده‌ها هم بیشتر شده است. با توجه به اینکه اکثر این داده‌ها از نوع عددی هستند، چنین کلیدهایی که در ماشین حساب وجود دارند، به صفحه کلیدهای معمولی هم اضافه شده اند.

کلیدهای کنترلی صفحه کلید اپل شامل کلید Command هم می‌شوند.

 در سال 1986‌ آی بی ام کلیدهای تابع و کنترل را هم به صفحه کلید اضافه کرد. حالا اپلیکیشن‌ها و سیستم عامل‌های مختلف می‌توانند برای این کلیدهای تابعی عملکردها و فرمان‌های مختلفی تعریف کنند. کلیدهای کنترلی امکان کنترل بر مکان نما و صفحه را فراهم می‌کنند. چهار کلید جهت به صورت یک T برعکس بین کلیدهای تایپ و صفحه کلید عددی قرار گرفته و باعث انتقال مکان نما می‌شوند.

سایر کلیدهای تابعی پر کاربرد عبارتند از:

• Home
• End
• Insert
• Delete
• Page Up
• Page Down
• Control (Ctrl)
• Alternate (Alt)
• Escape (Esc)

صفحه کلیدهای ویندوز چند کلید دیگر هم دارند از جمله کلید ویندوز، کلید استارت و کلید اپلیکیشن. صفحه کلیدهای اپل هم کلیدهای خاصی از جمله کلید Command (که به آن کلید اپل هم گفته می‌شود) دارند. کیبوردهای طراحی شده برای لینوکس هم میانبرهای خاص مخصوص این سیستم عامل را دارند از جمله کلیدی که تصویر پنگوئن (لوگوی مخصوص لینوکس) روی آن مشاهده می‌شود.

داخل صفحه کلید

مدار کنترلر و میکروپردازنده داخل صفحه کلید

صفحه کلید شباهت زیادی به یک کامپیوتر مینیاتوری دارد. این ابزار هم پردازنده و مدارهای خاصی دارد که اطلاعات را با پردازنده مبادله می‌کنند. ماتریس کلیدها بخش عمده‌ای از این مدار را به خود اختصاص می‌دهد.

ماتریس کلید مثل یک شبکه از مدارهای مختلف است که زیر کلیدها نصب می‌شود. در همه صفحه کلیدها (به جز مدل‌های خازنی که در قسمت بعد راجع به آنها صحبت می‌کنیم) هر مدار در نقطه‌ای زیر هر کلید یک نقطه قطع دارد. وقتی کلیدی را فشار می‌دهید، به یک سوئیچ ضربه وارد می‌شود که مدار را تکمیل کرده و امکان حرکت یک جریان ضعیف را فراهم می‌کند. حرکت مکانیکی سوئیچ یک نوع ارتعاش به اسم پرش ایجاد می‌کند که پردازنده آن را فیلتر می‌کند. اگر کلیدی را فشرده و نگه دارید، پردازنده آن را معادل با فشردن پی در پی کلید تلقی می‌کند.

وقتی پردازنده بسته شدن مداری را مشاهده می‌کند، محل آن مدار روی ماتریس کلید را با نقشه کاراکتری که در حافظه فقط خواندنی (رام) خودش دارد، مقایسه می‌کند. نقشه کاراکترها یک نمودار مقایسه یا یک جدول جستجو است که به پردازنده درباره محل هر کلید در ماتریس و معنا و مفهوم ضربات وارد شده به هر کلید یا ترکیب کلیدها اطلاع رسانی می‌کند. مثلاً نقشه کاراکتری به پردازنده اطلاع می‌دهد که فشردن کلید a متناظر با فشردن حرف a کوچک است اما فشردن کلید Shift همزمان با کلید a متناظر با فشردن حرف A بزرگ است.

ماتریس کلید

کامپیوتر می‌تواند به جای نقشه کاراکتری خود صفحه کلید، از یک نقشه کاراکتری مجزا استفاده کند. این مکانیزم برای مواقعی که شخص به زبانی تایپ می‌کند که کاراکترهای آن با انگلیسی متفاوت است بسیار مفید است. کاربر می‌تواند کامپیوتر را طوری تنظیم کند که ضربات وارد شده به صفحه کلید را بر اساس الگوی دووراک تفسیر کند حتی اگر طرح صفحه کلید از نوع QWERTY باشد. بعلاوه، سیستم عامل و اپلیکیشن‌های مختلف هم تنظیمات خاصی برای دسترس پذیری راحت تر دارند که می‌تواند برای افرادی با کم توانی‌های جسمی مفید باشد.

سوئیچ صفحه کلید

صفحه کلیدی با سوئیچ‌های برجسته پلاستیکی

سوئیچ‌های صفحه کلید انواع مختلفی دارند. سوئیچ‌های خازنی غیرمکانیکی هستند چون بر خلاف بیشتر صفحه کلیدها، مداری را به صورت فیزیکی تکمیل نمی‌کنند بلکه در این صفحه کلیدها جریان دائماً در حال عبور از همه بخش‌های ماتریس کلید است. هر کلید یک فنر دارد و یک صفحه ظریف به پایین آن متصل شده است. وقتی کلیدی را فشار می‌دهید، باعث نزدیک شدن این صفحه به صفحه زیر آن می‌شوید. با نزدیک شدن این دو صفحه به هم، حجم جریانی که در ماتریس حرکت می‌کند تغییر پیدا می‌کند. پردازنده این تغییرات را شناسایی کرده و آن را به عنوان فشردن کلید مخصوص آن محل تعبیر می‌کند. صفحه کلیدهایی با سوئیچ خازنی قیمت بالایی دارند اما طول عمرشان بیشتر است. همچنین مشکل پرش را ندارند چون دو سطح هیچ وقت واقعاً با هم تماس پیدا نمی‌کنند.

سایر سوئیچ‌های مورد استفاده در صفحه کلید ماهیت مکانیکی دارند. هر کدام از این کلیدها از نظر واکنش لمسی و صدایی – یعنی حس و صدای ایجاد شده توسط تایپ – عملکرد متفاوتی دارند. انواع سوئیچ‌های مکانیکی عبارتند از:

• برجسته پلاستیکی
• ممبرین
• تماس فلزی
• ماده فوم

سوئیچ‌هایی با پلاستیک برجسته بسیار متداول هستند. در این سوئیچ‌ها از طراحی پلاستیکی انعطاف پذیر کوچکی استفاده شده که وسط آنها کربن سخت وجود دارد. وقتی کلیدی را فشار می‌دهید، یک پیستون که پایین کلید قرار گرفته این به این برجستگی‌ها فشار آورده و مرکز کربنی آن با یک سطح سخت و صاف که زیر ماتریس کلید قرار گرفته برخورد می‌کند. تا وقتی که کلید پایین نگه داشته شود، این مرکز کربنی مدار را تکمیل می‌کند. وقتی کلیدی رها شود، این برجستگی لاستیکی به حالت اصلی برگشته و باعث می‌شود که کلید دوباره به حالت استراحت برگردد. کیبوردهایی با سوئیچ لاستیکی برجسته قیمت کمی دارند، واکنش لمسی آنها خوب است و به دلیل وجود لایه لاستیکی که روی ماتریس کلید پوشیده شده، در برابر آب و خوردگی مقاومت بیشتری دارند.

در کیبوردهای ممبرین به جای استفاده از سوئیچ برای هر کلید، از یک لایه (ممبرین) پیوسته استفاده شده که از یک سمت به سمتی دیگر ادامه دارد. الگوی چاپ شده روی این سطح هنگام فشردن یک کلید، مدار را کامل می‌کند. در بعضی از کیبوردهای ممبرین از یک سطح صاف استفاده شده که به جای سرپوش کلید، تصویر مربوط به هر کلید روی آن ثبت شده است. کیبوردهای ممبرین واکنش لمسی ندارند و فاقد اجزای مکانیکی اضافه‌ای هستند که منجر به ایجاد صدای خاص فشرده شدن کلیدها می‌شوند. بعضی‌ها وجود این صدا را ترجیح می‌دهند اما در مجموع این صفحه کلیدها قیمت کمتری دارند.

امروزه از کیبوردهای نوع ماده فوم و تماس فلزی کمتر استفاده می‌شود. سوئیچ‌های تماس فلزی کلیدهای فنرداری دارند و یک فلز باریک پایین پیستون آنها قرار دارد. وقتی کلیدی فشرده می‌شود، این نوار فلزی دو بخش مدار را به هم متصل می‌کند. سوئیچ‌هایی از نوع ماده فوم هم همین طراحی را دارند اما یک فوم اسفنجی کوچک پایین پیستون و نوار فلزی قرار دارد که واکنش لمسی بهتری ایجاد می‌کند. هر دو فناوری واکنش لمسی خوبی دارند و صدای فشردن کلیدها در آنها لذت بخش است و تولید چنین صفحه کلیدهایی پرهزینه نیست. مشکل اینجاست که این رابط‌های فلزی نسبت به سایر فناوری‌ها زودتر کهنه و خراب می‌شوند. هچنین هیچ مانعی وجود ندارد که از برخورد مستقیم گرد و غبار یا مایعات با مدارهای داخل ماتریس صفحه کلید جلوگیری کند.

شرکت‌های مختلف از این فناوری‌های استاندارد و چند فناوری دیگر برای ایجاد انواع کیبوردهای غیرسنتی استفاده کرده اند که در ادامه نگاهی به بعضی از آنها خواهیم داشت.

صفحه کلیدهای غیرسنتی

در صفحه کلیدهای SafeType دو نیمه صفحه کلید عمود بر سطح میز قرار می‌گیرد.

خیلی از تغییرات صورت گرفته در طراحی صفحه کلیدهای سنتی با هدف ایمن تر شدن یا راحت تر شدن استفاده از آنها انجام شده اند. مثلاً بعضی از افراد معتقدند که افزایش میزان استفاده از صفحه کلید با آسیب‌های فشاری تکراری مثل سندروم تونل کارپال در ارتباط است هر چند مطالعات علمی در این زمینه به نتایج متناقضی رسیده است. طراحی ارگونومیک صفحه کلید با هدف قرار دادن دست تایپیست حین تایپ در حالتی طبیعی تر انجام شده تا از ایجاد آسیب جلوگیری کند. گرچه این صفحه کلیدها مانع از قرار گرفتن دست در حالتی شبیه به آخوندک می‌شوند اما مطالعات مختلف درباره قابلیت پیشگیری از آسیب توسط این صفحه کلیدها به نتایج متناقضی رسیده اند.

کیبوردهای ارگونومیک ساده شبیه به کیبوردهای سنتی هستند که از وسط تقسیم شده باشند. این کیبوردها دست‌های کاربر را با فاصله از هم نگه می‌دارند و مچ را هم راستا با بازوها قرار می‌دهند. در طراحی‌های پیچیده تر دو نیمه از صفحه کلید نسبت به هم و نسبت به سطحی که صفحه کلید روی آن قرار گرفته، در زوایای متفاوتی قرار می‌گیرند. حتی بعضی از این طراحی‌ها دو نیمه صفحه کلید را روی دسته صندلی قرار داده یا آنها را نسبت به سطح میز در زاویه کاملاً عمودی قرار می‌دهند. بعضی از طراحی‌ها مثل Datahand هیچ شباهتی به صفحه کلید ندارند!

دکمه های صفحه کلید Saitek Truview با نورپردازی زمینه

گرچه بعضی از تغییرات ارگونومیک نیستند اما طوری طراحی شده اند که صفحه کلید را قابل حمل تر، چند کاره تر یا جذاب تر کنند:

• صفحه کلید Das یک صفحه کلید کاملاً مشکی است که کلیدهای آن طوری طراحی شده اند تا کلیدهایی که زیر انگشتان قوی تر قرار می‌گیرند به فشار بیشتر و کلیدهایی که زیر انگشتان ضعیف تر قرار می‌گیرند به فشار کمتر نیاز داشته باشند.
• صفحه کلید Virtual Laser یک تصویر از کیبورد روی یک سطح تخت پخش می‌کند. وقتی شخص به درستی از این صفحه کلید استفاده کند، انگشتان او از اشعه مادون قرمزی که بالای سطح می‌تابد رد شده و یک حسگر، حرکات انگشت را به صورت ضربه به صفحه کلید تفسیر می‌کند.
• صفحه کلید رولاپ True-touch انعطاف پذیر است و می‌توان آن را تا کرد تا در کوله پشتی یا کیف جا شود.
• در صفحه کلیدهایی با نورپردازی یونی از دیودهای ساطع کننده نور یا غشای الکترو لومینسنت برای رد کردن نور از کلیدها یا فضای بین آنها استفاده می‌شود.
• در صفحه کلید Optimus از دیودهای ساطع کننده نور طبیعی (OLED) استفاده می‌شود. می‌توان حروف، فرمان‌ها یا اعمالی که توسط هر کلید انجام می‌شود را تغییر داد و OLED می‌تواند طوری تغییر کند که اطلاعات جدید را نمایش دهد.

به غیر از صفحه کلید لیزری مجازی که سیستم سنجش خاص خودش را دارد، در همه این صفحه کلیدها از همان فناوری مدل‌های قدیمی برای برقراری ارتباط با کامپیوتر استفاده می‌شود. در ادامه نگاهی به این فناوری خواهیم داشت.

از صفحه کلید به کامپیوتر

کانکتور کیبورد نوع PS/2

 همزمان با تایپ کردن کلیدها توسط کاربر، پردازنده موجود در صفحه کلید ماتریس کلید را تحلیل کرده و بررسی می‌کند که چه کاراکترهایی را باید به کامپیوتر ارسال کند. سپس این کاراکترها در بافر حافظه ذخیره شده و بعد به کامپیوتر ارسال می‌شود.

خیلی از کیبوردها از طریق کابل PS/2 یا USB به کامپیوتر متصل می‌شوند. در لپ تاپ‌ها از کانکتورهای داخلی استفاده می‌شود. صرف نظر از نوع کانکتور مورد استفاده، کابل کیبورد باید به آن برق برساند و سیگنال‌ها را از کیبورد به کامپیوتر منتقل کند.

کیبوردهای وایرلس هم با استفاده از اشعه مادون قرمز (IR)، فرکانس رادیویی (RF) یا بلوتوث به کامپیوتر متصل می‌شوند. کانکشن‌های IR و RF با آنچه که در ریموت کنترل وجود دارد شبیه هستند. صرف نظر از نوع سیگنال مورد استفاده، کیبوردهای وایرلس نیاز به یک رسیور (گیرنده) دارند که یا داخل آنها تعبیه شده و یا به پورت USB متصل می‌شوند تا با کامپیوتر ارتباط برقرار کنند. از آنجایی که این کیبوردها فاقد اتصال فیزیکی با کامپیوتر هستند، در آنها از اتصال برق AC یا باتری برای تأمین برق استفاده می‌شود.

صفحه کلید بی سیم مایکروسافت

چه به صورت باسیم و چه بی سیم، سیگنال کیبورد توسط کنترلر کیبورد نظارت می‌شود. این کنترلر یک مدار مجتمع (IC) است که همه داده‌های ارسال شده توسط کیبورد را پردازش کرده و به سیستم عامل هدایت می‌کند. وقتی سیستم عامل متوجه شد که داده‌هایی از سمت کیبورد در حال ارسال است، بررسی می‌کند که این داده‌ها جزء فرمان‌های سیستمی هستند یا خیر. یک نمونه از این فرمان‌ها، ترکیب کلیدهای Ctrl+Alt+Delete در ویندوز است که سیستم را ریبوت می‌کند. سپس سیستم عامل داده‌های کیبورد را به اپلیکیشن جاری ارسال می‌کند.

اپلیکشین مشخص می‌کند که آیا داده‌های موجود در کیبورد مربوط به یک فرمان هست یا خیر مثل Alt-f که منوی فایل را در اپلیکیشن‌های ویندوز باز می‌کند. اگر این داده‌ها مربوط به فرمانی نبودند، اپلیکیشن آن را به عنوان محتوا قبول می‌کند که می‌تواند شامل تایپ یک داکیومنت، وارد کردن یک URL یا انجام محاسباتی خاص باشد. اگر اپلیکیشن جاری داده‌های کیبورد را قبول نکند، آنها را نادیده می‌گیرد. کل این فرایند از ارسال کلید تا ورود اطلاعات به کامپیوتر تقریباً به صورت لحظه‌ای و فوری انجام می‌شود.