5.2. TASTATURA
5.2.1. Introducere
Principalul dispozitiv de intrare pentru majoritatea calculatoarelor este tastatura şi, până când sistemele de recunoaştere vocală nu vor fi perfecţionate astfel încât să recunoască vorbirea continuă, este puţin probabil ca această situaţie să se schimbe. Chiar şi în acest caz, tastatura va rămâne pe primul loc din punctul de vedere al vitezei şi al preciziei.
Tastaturile livrate împreună cu calculatorul sunt mult mai diferite decât se constată la prima vedere. Astfel, sub tastele care par identice, se ascund tehnologii de realizare diferite, tehnologii care variază de la un producător la altul. Tehnologia folosită determină nu numai modul de funcţionare al tastaturii, ci şi durata de viaţă a acesteia şi comoditatea în folosire.
5.2.2. Tehnologii de realizare a tastaturilor
Toate tastaturile au aceeaşi funcţie: detectarea tastelor care sunt apăsate cu degetele şi transmiterea informaţiilor corespunzătoare către calculator. Scopul principal în realizarea tastaturilor a fost găsirea unui mecanism care să combine acurateţea � detectarea acţionării tastelor şi ignorarea semnalelor electrice aleatorii. La acestea se adaugă senzaţia avută la apăsarea unei taste. De-a lungul timpului, proiectanţii au încercat diverse metode de realizare a tastaturilor, printre care se poate aminti tehnologia comutatoarelor cu efect Hall. Acestea erau semiconductoare speciale care reacţionau la schimbarea câmpurilor magnetice, astfel încât nu era necesară atingerea pentru detectarea unei acţiuni. Prin tehnologia comutatoarelor cu efect Hall se încerca astfel eliminarea uzurii datorită lipsei de contact, dar s-a dovedit că este mult mai important ca o tastatură să reziste în condiţiile normale de lucru ale unui birou, unde tastaturi evaluate la milioane de acţionări au fost distruse de o ceaşcă de cafea care s-a vărsat.
5.2.2.1. Tastaturi capacitive
La introducerea pe piaţă, PC-urile au moştenit tehnologiile folosite pentru generaţiile anterioare de echipamente. în momentul respectiv, comutatoarele folosite ca elemente de bază aveau neajunsuri importante la utilizarea îndelungată, deci nu aveau o durată mare de viaţă. IBM a adoptat un model care izola comutatoarele de aerul înconjurător. în loc să se bazeze pe contactele unui comutator pentru modificarea fluxului electric, IBM a optat pentru detectarea unei modificări de capacitate.
Capacitatea reprezintă, în general, proprietatea de a stoca încărcăturile de electricitate statică. Condensatoarele stochează electricitatea cu sarcini opuse pe una sau mai multe perechi de plăci conductoare, separate de un material izolator. Sarcinile de semn opus creează un câmp electric, iar izolatorul împiedică anularea reciprocă a celor două sarcini. Cu cât cele două plăci ale condensatorului sunt mai apropiate, cu atât câmpul electric este mai puternic şi cu atât mai multă energie poate fi stocată. Deplasarea relativă a celor două plăci determină modificarea capacităţii de stocare a sarcinilor electrice, ceea ce generează un curent electric pentru completarea capacităţii crescute sau pentru eliminarea sarcinii suplimentare datorită scăderii capacităţii.
Modificările fluxului electric sunt detectate de circuitele electronice ale unei tastaturi capacitive. Modificările mici, graduale, de capacitate sunt amplificate, astfel încât să simuleze închiderea sau deschiderea unui comutator. Uzual, tastaturile capacitive sunt construite în jurul unei plăci de circuit imprimat. Sub fiecare tastă (numită staţie în terminologia specifică tastaturilor), se află două suprafeţe de cupru placate cu nichel şi cositor. Cele două suprafeţe metalice ale fiecărei perechi nu sunt conectate fizic sau electric una cu cealaltă, formând plăcile unui condensator.
în modelele IBM de tastatură capacitivă, apăsarea unei taste deformează un cerc de plastic metalizat, separând cele două plăci metalice aflate sub partea mobilă a fiecărei taste. Deşi plasticul cercului împiedică crearea unei conexiuni electrice între cele două plăci metalice, distanţa iniţială dintre acestea determină crearea unei sarcini capacitive. Separarea celor două plăci metalice (apăsarea unei taste) determină scăderea capacităţii � o descreştere de la 20�24 de picofarazi la 2�6 picofarazi. Reducerea capacităţii generează un curent mic, dar detectabil, în circuitele electrice la care sunt conectate cele două plăci metalice. Alte tastaturi capacitive compatibile folosesc un model opus celui utilizat de IBM. Astfel, apăsarea unei taste determină apropierea celor două plăci metalice şi creşterea capacităţii. Procesul invers are acelaşi efect � modificarea fluxului electric într-un fel care poate fi detectat de tastatură.
Tastaturile de tip capacitiv funcţionează foarte bine, având o durată de viaţă pentru fiecare tastă evaluată la aproximativ 10.000.000 de acţionări. Dezavantajul acestei tehnologii este detectarea indirectă a acţionării tastelor.
5.2.2.2. Tastaturi cu contacte
Soluţia directă pentru construirea unei tastaturi este modificarea fluxului electric cu ajutorul unor comutatoare. Comutatoarele dintr-o tastatură deschid sau închid un circuit electric, pentru a împiedica sau pentru a permite circulaţia unui curent electric. Folosirea comutatoarelor implică folosirea unor circuite mai simple pentru detectarea fiecărei acţionări de taste, deşi majoritatea tastaturilor cu contacte includ un microprocesor care alocă tastelor codurile de scanare şi serializează datele pentru a fi transmise calculatorului.
Costul a devenit principalul factor în proiectarea şi producerea tastaturilor. în căutarea unui compromis între preţ şi durata de viaţă, modelul bazat pe comutatoare a câştigat competiţia.
Exisă trei modele de tastaturi bazate pe contacte:
1) cu comutatoare mecanice;
2) cu calote de cauciuc;
3) cu membrană;
1) Tastaturile cu comutatoarele mecanice folosesc mecanisme tradiţionale de comutare, respectiv, contacte din metale preţioase, care formează o conexiune electrică în urma acţionării mecanice. Comutatoarele de sub fiecare tastă pot fi unităţi independente, cu posibilitatea de înlocuire individuală, sau pot fi fabricate ca un singur ansamblu.
Contactele dintr-o tastatură cu comutatoare mecanice pot îndeplini un rol dublu � de control asupra fluxului electric şi de poziţionare a capacelor tastelor. Contactele pot acţiona ca nişte arcuri, împingând capacele tastelor în poziţia iniţială, după ce au fost apăsate. Dar forţa de răspuns a contactelor este greu de controlat, iar materialul contactelor se uzează şi se poate rupe. Ca urmare, majoritatea tastaturilor cu contacte mecanice folosesc arcuri pentru readucerea tastelor în poziţia iniţială.
2) Tastaturile cu calote de cauciuc combină mecanismele de contact şi de poziţionare într-un singur element. O foaie de elastomer � un material elastic asemănător cu cauciucul � este modelată astfel încât să formeze sub fiecare tastă o proeminenţă (calotă). în interiorul calotei, se află o pastilă din carbon sau dintr-un alt material conductor, îndeplinind rolul unuia dintre contacte. Atunci când calota de cauciuc este apăsată, pastila de carbon închide circuitul. La eliberarea tastei, calota de elastomer revine la forma iniţială, deschizând circuitul şi împingând în sus tasta.
Tastaturile cu calote de cauciuc au fost folosite prima dată de IBM la calculatoarele PC jr. Fabricarea ca subansamblu integrat face ca tastaturile cu calote de cauciuc să fie ieftine. în plus, proiectarea corespunzătoare a tastaturii face ca senzaţia la utilizare să fie foarte bună � elasticitatea calotelor de cauciuc poate fi selectată, astfel încât să se simtă momentul exact când se face contactul.
3) Tastaturile cu membrană sunt asemănătoare celor cu calote de cauciuc, exceptând faptul că folosesc, în locul foilor de elastomer, folii de plastic � membrane �, pe care sunt imprimate circuite electrice. Contactele sunt încapsulate în proeminenţe formate pe folia de plastic. Prin presarea foliei de plastic, pastilele se strâng, închizând comutatoarele. Membranele sunt deseori folosite pentru miniaturi destinate calculatoarelor şi imprimantelor, datorită costului scăzut şi duratei mari de viaţă. Materialul care formează contactele poate fi încapsulat în interiorul proeminenţelor de plastic, făcându-l imun la condiţiile de mediu. Folosite ca atare, membranele nu sunt foarte potrivite pentru tastaturile calculatoarelor, deoarece contactele acestora au o cursă foarte scurtă. Totuşi, un mecanism auxiliar poate să modifice senzaţia dată de acţionarea unei taste, astfel încât aceste tastaturi să nu poată fi deosebite de tastaturile care folosesc alte tehnologii.
5.2.3. Senzaţia la apăsare
Principala diferenţă dintre tastaturile actuale nu este dată de tehnologia folosită, ci de senzaţia la acţionarea unei taste. Tastatura trebuie să asigure un răspuns tactil, astfel încât să se simtă prin degete momentul în care este activată o tastă.
Uzual, există tendinţa de a apăsa o tastă mai mult decât este necesar. Forţa suplimentară cauzează oboseală rapidă. O soluţie a acestei probleme este activarea tastelor înainte de sfârşitul cursei. Pentru aceasta, se poate reduce forţa de apăsare înainte ca tasta să ajungă la sfârşitul cursei.
Tastaturile cu cursă liniară cer depunerea unui efort mai mare pentru apăsarea tastei mai mult. Astfel, relaţia dintre deplasarea tastei şi forţa care trebuie aplicată este liniară pe tot traseul tastei. Principalul dezavantaj al acestei metode este faptul că degetele nu au de unde să ştie când au apăsat tastele destul de mult. Dacă pot să sesizeze momentul acţionării unei taste, degetele vor învăţa să se oprească intuitiv după atingerea punctului respectiv. Tastaturile mai bune oferă acest tip de reacţie tactilă, cerând să se crească forţa de apăsare a unei taste până în momentul activării acesteia, apoi scăzând foarte mult rezistenţa opusă de aceasta, până la limita cursei.
Un mecanism cu arc, proiectat astfel încât să cedeze brusc după activarea fiecărei taste, reprezintă modalitatea clasică de obţinere a reacţiei tactile şi poate fi adaptat pentru emiterea unui clic sonor la fiecare apăsare de tastă.
Un alt rol al arcului este de a ridica tastele după ce acţiunea asupra lor încetează. Tastaturile moderne folosesc un singur sistem de arcuri sau, mai frecvent, calote de cauciuc care trec dintr-o poziţie în alta. Tastaturile cu calote de cauciuc oferă o senzaţie tactilă satisfăcătoare, dar tastele individuale pot să impună sporadic folosirea unei forţe mai mari, ceea ce poate afecta acţionarea uniformă. Această tehnologie de fabricaţie este foarte des utilizată în realizarea tastaturilor, datorită costului scăzut şi a fiabilităţii bune.
Tastaturile �moi� folosesc o spumă comprimabilă, care amortizează mişcarea tastelor. Aceste tastaturi au o mişcare mai liniară şi sunt preferate de unii utilizatori, datorită funcţionării mai line şi mai puţin zgomotoase.
Un alt factor care influenţează senzaţia tactilă este forţa necesară acţionării tastelor. Unele tastaturi necesită o forţă de apăsare mai mare decât altele. în general, majoritatea tastaturilor cer o forţă de apăsare între 54 şi 68 grame pentru acţionarea unei taste. Tastaturile mai rigide pot cere o forţă de apăsare de până la 85 grame.
Tastaturile diferă şi prin distanţa pe care trebuie să o parcurgă o tastă pentru a fi înregistrată ca activă. Tastaturile cu cursă completă cer o deplasare a tastelor pe o distanţă de 3,5�4 mm pentru a fi considerate active. Modelele cu cursă completă permit obţinerea unor viteze de lucru mai mari şi a unor rate de eroare mai mici.
5.2.4. Organizarea tastelor
Pe o tastatură de dimensiuni complete, spaţiul dintre taste, măsurat în centrele acestora, este de 0,75 inci (19 mm). Tastele au latura de aproximativ 0,5 inci (12,5 mm) şi sunt puţin adâncite pentru a contribui la poziţionarea corectă a degetelor.
5.2.4.1. Organizarea Qwerty
Acest nume de organizare a tastaturii corespunde listei care conţine primele şase caractere de pe rândul de sus, care sunt, în ordine, Q, W, E, R, T, şi Y.
5.2.4.2. Organizarea Dvorak-Dealey
Acest model include câteva idei care duc la viteze mai mari de lucru. O idee de bază este favorizarea folosirii alternative a mâinilor. Pentru a face mai probabilă folosirea alternativă a mâinilor, pe aceste tastaturi toate vocalele sunt aranjate pe rândul de bază al mâinii stângi, iar consoanele cu frecvenţa cea mai mare de utilizare sunt aşezate pe rândul de bază al mâinii drepte.
în urmă cu 15 ani, aproape toate sistemele erau deja echipate cu tastaturi aranjate în maniera stabilită de tastatura IBM, cu 101 taste.
5.2.4.3. Tastatura PC cu 83 de taste
Primul model a fost livrat împreună cu primele calculatoare personale şi oferea 83 de taste (vezi figura 5.6).
Modelul de organizare, în cea mai mare parte, este păstrat de la maşina de scris � cu tastele alfabetice în mijloc. în plus, IBM a pus în partea stângă a blocului de taste alfanumerice două coloane de taste funcţionale, iar controlul cursorului se făcea cu o magistrală numerică, destinată introducerii directe de date. Tasta Enter era mică şi destul de greu de identificat, având desenată pe ea o săgeată îndoită. Nu existau niciun fel de indicatoare pentru tastele speciale (Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock). Acest model a rămas standard până la introducerea calculatoarelor AT în anul 1984.
5.2.4.4. Tastatura AT cu 84 de taste
Odată cu apariţia calculatoarelor AT, IBM a introdus un nou model de tastatură (vezi figura 5.7). în noul model, există o tastă suplimentară � Sys Req, destinată în special aplicaţiilor multiutilizator. Tasta Enter a fost mărită (dimensiunea tip Selectric) şi au fost adăugate indicatoarele pentru tastele de comutare a modului de lucru. Poziţia tastelor funcţionale a fost păstrată, iar tastele de deplasare au rămas în continuare combinate cu tastele numerice, în partea dreaptă a blocului alfanumeric.
5.2.4.5. Tastatura �mbun�t��it� cu 101 taste
Odat� cu introducerea pe pia�� a calculatoarelor �mbun�t��ite, IBM a lansat o nou� tastatur�, numit� Advanced Keyboard, cunoscut� �i sub numele de Enhanced Keyboard (vezi figura 5.8). Organizarea tastelor a fost schimbat� fa�� de modelul anterior, modelele cu 84 taste �i cel cu 101 taste fiind interschimbabile, ambele fiind incompatibile cu modelul cu 83 de taste. Principala �mbun�t��ire a fost cre�terea num�rului de taste � 101 pentru Statele Unite �i 102 taste pentru modelele interna�ionale. Pe l�ng� blocul de taste numerice combinate cu taste de deplasare, a fost prev�zut un bloc separat cu taste pentru deplasarea cursorului.
De asemenea, alte taste (cum ar fi cele de control) au fost dublate �ntr-un bloc separat. La tastele func�ionale, au fost ad�ugate dou� noi taste (F11 �i F12) �i �ntreg blocul a fost mutat pe un r�nd, deasupra blocului alfanumeric. �n fiecare parte a barei de spa�iu, au fost prev�zute tastele Ctrl �i Alt, iar tasta Caps Lock a fost mutat� �n locul tastei Ctrl. Noul tip de tastatur� a f�cut ca o opera�ie care putea fi realizat� cu o m�n�, utiliz�nd modelele anterioare de tastaturi, acum s� se realizeze cu ajutorul ambelor m�ini. Folosirea noului aranjament �i a noilor taste s-a dovedit a fi mai greoi. Astfel, tasta Enter, mai mic�, poate fi ratat� �n cazul lucrului cu vitez�.
5.2.4.6. Tastatura Windows cu 104 taste
O serie de funcţii ale sistemului de operare Windows nu sunt la îndemână în cazul tastaturilor obişnuite cu 101 taste. Pentru a înlătura acest inconvenient şi pentru a corespunde mai bine modului de operare sub Windows, mulţi producători adaugă la noile tastaturi trei noi taste � două taste Windows şi o tastă care activează meniurile derulante � în locurile libere de o parte şi de alta a barei de spaţiu, care este puţin mai mică (vezi figura 5.9).
Cele două taste Windows, care poartă emblema Windows, sunt folosite pentru lansarea gestionarului de operaţii din Windows. Una dintre acestea se află în partea stângă, între tastele Ctrl şi Alt. Cealaltă se află în partea dreaptă, imediat după tasta Alt. A treia tastă se utilizează la selectarea elementului indicat de cursorul mouse-ului şi se află imediat după tasta Windows din dreapta.
Majoritatea producătorilor au modificat şi alte taste de pe tastatura Windows, pentru a uşura lucrul. Astfel, unii producători au mărit tasta Enter aducând-o la dimensiunea celei de pe tastatura cu 84 de taste, iar tasta backslash (\) a fost micşorată şi mutată mai sus.
5.2.4.7. Tastaturile ergonomice
Modelele ergonomice de tastaturi au ca principal scop simplificarea operaţiei de dactilografiere. Astfel, blocul de taste alfanumerice este împărţit în două jumătăţi, care formează un anumit unghi (vezi figura 5.10).
Conform teoriei care stă la baza modelului ergonomic, tastatura împărţită în două jumătăţi permite ţinerea mâinilor drepte de la încheietură. Mâinile au o poziţie mai naturală astfel, de aici venind şi numele ales de Microsoft: tastatură naturală (Natural Keyboard). Deoarece mâinile sunt mai puţin forţate, lucrul îndelungat pe această tastatură este mai puţin obositor.
5.2.4.8. Tastaturile multimedia şi Internet
Ultimele modele de tastaturi adaugă o serie de taste speciale predefinite pentru operaţii Windows şi clipboard (Mark, Copy, Cut, Paste, Delete, Move, săgeţi etc.), utilitare (Word, Excel, PowerPoint, Calendar etc. ), Internet (butoane de explorare: Back, Forward, Stop, WWW, Favorites, Refresh, Search etc.), email, audio (butoane de player: Play, Pause, Stop, Forward, Back, Volume, Mute etc.), control (Start, My Computer, Calculator, reglaje pentru monitor etc.), precum şi taste funcţionale pentru Office, Internet şi email (Help, New, Open, Save, Replace, Spell, Undo, Redo, Reply, Reply All, Forward, Send etc.).
De asemenea, unele modele sunt prevăzute cu o rotiţă specială pentru scroll (navigare în documente sau în Internet), cu un port USB integrat şi alte facilităţi suplimentare, aşa cum se poate observa în figura 5.11.
5.2.5. Conexiunile tastaturii
Folosirea codurilor de scanare şi transmiterea serială simplifică schema de conectare a tastaturilor. Codurile de scanare sunt trimise serial de la tastatură către calculator, astfel încât este necesară o singură linie pentru transferarea informaţiilor. Un al doilea conductor este necesar ca retur pentru semnalele de date, acest conductor având rol de masă pentru toate celelalte circuite ale tastaturii. O linie separată este folosită pentru semnalul de ceas, această linie având rolul de sincronizare a logicii corespunzătoare tastaturii şi a logicii calculatorului. A patra şi ultima linie este folosită pentru furnizarea tensiunii continue de 5V, necesare pentru alimentarea tastaturii. Ca urmare, patru conductoare sunt suficiente pentru conectarea tastaturii la calculator.
Aproape toţi producătorii de tastaturi folosesc aceleaşi tipuri de conectoare, unul dintre cele două tipuri lansate de IBM. Cel mai popular conector este cel ales de IBM pentru seria originală de calculatoare personale. Acest sistem se bazează pe un conector DIN standard cu 5 pini, folosit şi de alte echipamente, cum ar fi cablurile MIDI. Cei cinci pini formează un semicerc, care ocupă jumătate din sector. O adâncitură ştanţată în marginea metalică de protecţie a conectorului asigură inserarea corectă a acestuia.
Figura 5.12 şi tabelul 5.1 prezintă schema de configurare a pinilor şi de alocare a semnalelor pentru conectorul de tastatură cu 5 pini.
Primele tastaturi foloseau pinul 3 pentru transmiterea unui semnal de reiniţializare a tastaturii. în tastaturile actuale, semnalul de reiniţializare nu este necesar, pentru că protocolul de tastatură include o comandă soft de reiniţializare.
Unii producători respectă un alt standard pentru tastaturi, folosind conectorul miniatură DIN cu 6 pini. Acest model este numit, de obicei, PS/2, deoarece a fost introdus de IBM în 1987, odată cu calculatoarele PS/2 (vezi paragraful 5.1.2.2.A). Cei 6 pini sunt aranjaţi circular, în jurul unui pin dreptunghiular care, împreună cu trei ghidaje din marginea de protecţie, împiedică inserarea greşită a conectorului.
Figura 5.13 şi tabelul 5.2 prezintă configurarea pinilor şi alocarea semnalelor pentru conectorul mini DIN cu 6 pini.
Deoarece conectoarele de tastatură cu 5 şi 6 pini folosesc aceleaşi semnale, dar aranjamente diferite, un simplu adaptor poate asigura trecerea de la un tip de conector la altul.
în tabelul 5.3 este prezentată schema de cablare a adaptorului pentru conectorul de tastatură care face trecerea de la unul cu 5 pini la unul cu 6 pini.
Pe lângă reproiectarea conexiunilor pentru tastatură în partea dinspre calculator, în cazul calculatoarelor PS/2, IBM a modificat şi tastatura în vederea acceptării unor cabluri diferite, făcând cablul detaşabil. Reparaţia acestor modele este mult mai simplă, prin înlocuirea cablului, iar aceeaşi tastatură poate fi folosită pentru ambele standarde (cu 5 şi cu 6 pini). Pentru conexiunea dintre cablu şi tastatură, se foloseşte un conector modular (AMP), dispus în partea din spate a tastaturii, şi un conector corespunzător pe cablu, aşa cum reiese din figura 5.14 şi din tabelul 5.4.
Pe măsură ce, treptat, calculatoarele au început să folosească porturi USB, tastaturile au trecut, de asemenea, la această interfaţă de mare viteză, prima tastatură USB fiind prezentată în februarie 1996 de firma Key Tronic Corporation. Figura 5.15 prezintă un adaptor de tastatură de la PS/2 la USB.
