电脑键盘

定义

电脑键盘是把若干按键按一定规则排列成阵列、用于向计算机送入字符与操作命令的输入设备，一般由按键开关、编码电路、盘架与接口电路组成^[1]。在输入设备的分类中，它属于字符输入设备，与鼠标、扫描仪、摄像头等并列^[4]。多数台式机键盘设有80至110个按键开关，手感与键程因所用的开关技术而不同^[5]。

在键位排布上，一支完整的键盘通常划分为打字键区、功能键区、编辑键区、数字小键盘区与指示灯区五个部分，笔记本键盘受空间限制则多采用紧凑的非标准排布^[6]。各个按键在系统中都有确定的编码，其中主键盘与功能键的编码基础是 ASCII 码^[7]。

原理

键盘的按键并不是各自单独连线到主机，而是排成行列交叉的键位矩阵。控制器依次给每一行施加电平、再读取各列的状态，被按下按键所在的行列交叉点导通，由此确定具体键位；这种扫描方式把上百个按键所需的引脚压缩到十余根。部分设计先以列中断方式让任意按键唤醒控制器，再用逐行轮询定位按键^[8]。

扫描得到的只是位置信息，固件再按 USB HID 规范把它转换为0x00至0xE7范围内的扫描码发给主机，而字符本身并不经过键盘传输^[9]。操作系统拿到扫描码后，依据当前选定的键盘布局查表，才决定该键对应哪个字符^[9]。由于扫描码表长度有限，单靠 USB 键盘无法直接输出布局之外的任意字符，例如美式布局中没有欧元符号的映射^[9]。

按键开关是另一层关键结构，主流方案分为薄膜式、机械式、静电容式与光轴等。薄膜键盘由上下两层印有导电线路的薄膜夹一层带孔的绝缘膜构成，压下键帽时两层触点接触导通^[10]。机械键盘的每个按键配有独立微动开关，轴心下压使金属片相碰触发，按行程触感又分为段落轴与线性轴^[5]。静电容键盘则靠弹簧压缩改变电极间电容值来判定击键，全程没有触点接触^[10]。

按键同时导通多组行列时可能出现虚假的“鬼键”，因为三键以上共享行列会造成错误通路，因此在矩阵中串入二极管或在固件中做检测，才能保证多键同时按下被正确识别。

发展历程

电脑键盘的键位直接承自机械打字机。19世纪60年代，美国人 克里斯托弗·拉森·肖尔斯 研制出实用打字机，最初按字母表顺序排列按键，因字锤杆在快速连击时容易互相碰撞卡住，遂把常用字母分散布置，形成后来所称的 QWERTY 布局^[11]。1868 年该打字机获得专利，此后经雷明顿公司推广，这种排列逐渐成为通行标准^[11]。

QWERTY 并非唯一方案。1930年代出现了德沃夏克布局，把最常用的字母集中在中间一行以提高效率，但既有习惯使新布局难以推广^[12]。1888 年辛辛那提的一场公开打字比赛中，使用 QWERTY 键盘并采用盲打的速记员获得冠军，对这套键位的地位起到了推动作用^[13]。

进入电子计算机时代后，键盘开关技术经历了多轮更替。1981 年 IBM 推出采用屈蹲弹簧轴的 Model F 键盘，1985 年的 Model M 改用成本更低的薄膜感应结构并确立 101 键布局，主键区、功能键区、编辑键区与数字小键盘区彼此独立分区。此后在 101 键基础上增加左右 Windows 键与菜单键，形成沿用至今的 104 键布局^[6]。

1980 年至 1995 年前后是机械键盘的盛行期，此后廉价的橡胶帽薄膜键盘大规模取代了造价较高的机械结构，机械键盘转为高端与小众产品^[5]。接口方面，早期使用 13mm 与 8mm 的圆形接口，随后被 PS/2 与 USB 接口取代。Model M 的布局后来由 ISO 于 1994 年、ANSI 于 1998 年标准化，改动仅限于增加 Windows 键、菜单键等少数按键。

应用

键盘最基本的用途是录入文本与数据，汉字、英文字母、数字与标点均经由键盘进入计算机^[14]。程序代码、操作命令与各类参数同样通过它输入，因此键盘在相当长时间里被视为计算机的标配输入设备^[15]。中文输入还需配合 输入法，由软件把击键序列转换为汉字。

除文字录入外，键盘也承担系统控制职责。Ctrl、Alt、Shift 等修饰键与其他按键组合，可触发软件中定义的快捷操作；F1 至 F12 功能键的具体作用由应用软件规定^[15]。在没有鼠标的情况下，Windows 键与菜单键也能完成多数基本操作^[6]。

在特定行业场景中，键盘仍有其位置。屈蹲弹簧结构的 Model M 因耐用与防尘特性，至今仍出现在工厂车间、医疗工作站与零售服务场所^[16]。此外，键盘布局需要适配不同语言的文字习惯，德语区把 Z 与 Y 互换位置，法语区则使用 AZERTY 排列，多语言地区还发展出同时支持多种文字的布局。

局限

受键位数量限制，键盘无法直接输出键位表以外的字符。QWERTY 美式布局中不存在欧元符号对应的编码，若要输入该字符，须改用其他布局或借助软件的字符输入功能；USB 规范所能提供的扫描码数量本身也不足以覆盖全部 Unicode 字符^[9]。

矩阵扫描方式带来固有的识别限制。三个及以上按键若同时按下且共用行列，会产生鬼键，控制器可能读出并未被按下的键，固件通常只能拒绝上报而非正确解析。老式薄膜结构的 Model M 控制器据称只能保证同时处理两个按键，更多按键能否识别取决于它们在矩阵中的位置^[17]。

QWERTY 布局本身也长期受到质疑。早期设计以便分散连击、缓解字锤卡涩为目标，把常用字母置于边缘与弱指位置，中间一行字母的使用率约三成，打字时手指需频繁上下移动。1920 至 1930 年代虽有按使用频率重新排布的方案，但因使用者已形成习惯而未能取代现状^[12]。

物理结构上亦有短板。薄膜键盘的橡胶帽长期使用后会老化变质，导致按键变硬或无法回弹^[18]。Model M 体积与重量偏大，敲击声响明显，在图书馆、医疗场所等安静环境中不适用，早期型号也缺少导流槽，液体泼入后不易排出^[19]。笔记本键盘受机身厚度与面积约束，只能采用紧凑布局，键位数量与手感均受压缩^[6]。

参见

• 鼠标 —— 与键盘并列的计算机基本输入设备，主要用于图形界面中的定位与选择。

• USB HID —— 键盘向主机上报按键扫描码所遵循的通用接口规范。

• IBM Model M —— 1985 年推出、奠定现代电脑键盘分区布局的机型。

• QWERTY 键盘 —— 由打字机时代延续至今、应用最广的键位排列方案。

• 机械键盘 —— 每个按键配备独立微动开关的键盘类型。

• 输入法 —— 把键盘击键序列转换为汉字等字符的软件。