Wie funktioniert eine Tastatur? #10

Seit dem ersten funktionsfähigen digitalen Rechner, der Z3 von Konrad Suse, ist die Tastatur DAS Eingabegerät eines Computers. Inzwischen hat sich aber viel getan. Wie eine aktuelle Tastatur aufgebaut ist, welche Schaltertypen es gibt und was ein Tastendruck schließlich in einem Computer bewirkt, seht ihr jetzt bei einer neuen Portion Brainfuck. Was sieht man, wenn man eine Tastatur vor sich liegen hat? Genau, Tasten über Tasten und diese Tasten sind auch das große Unterscheidungsmerkmal von Tastaturen. Eine der herkömmlichsten Tastentechniken nennt sich Dome-Switch. Dabei befindet sich unter der Plastikabdeckung einer Taste, auch Keycap genannt, eine Silikonhaube, in dessen Mitte sich ein leitender Dorn befindet. Betätigt man nun die Taste, dann drückt man mit der Silikonhaube den Dorn auf die Enden von zwei Leitungen und stellt damit eine Verbindung zwischen ihnen her. Diese Art von Schalter findet weitreichende Nutzung, so auch in Laptops. Da hier aber deutlich dünnere Keycaps benutzt werden, wird meist eine Scherenmechanik benötigt, um die Tasten in Position zu halten. Seit einiger Zeit ist aber wieder vermehrt eine Tastenmechanik auf dem Markt zu finden, die es schon einmal gab und zwar sind das die mechanischen Tasten. Der bedeutendste Hersteller ist dabei Cherry mit den sogenannten Cherry MX-Switches. Die Keycaps befinden sich hierbei auf einem Kunststoffbolzen, der sich wiederum auf einer Feder in einem Gehäuse befindet. Der Kunststoffbolzen hält dabei den Abstand zwischen zwei Kontakten. Betätigt man nun die Taste, bewegen sich die Kontakte aufeinander zu, bis sie eine leitende Verbindung eingehen. Von diesen Cherry MX-Switches gibt es eine Vielzahl verschiedener Varianten, die an der jeweiligen Farbkotierung erkennbar sind. Die größte Verbreitung haben dabei die schwarzen, roten, braunen und blauen Switches. Die schwarzen und roten haben zum Beispiel einen linearen Druckpunkt, das heißt man spürt beim Drücken einen gleichbleibenden Widerstand. Die braunen und blauen Switches haben im Gegensatz dazu einen taktilen Druckpunkt. Der Widerstand nimmt also bis zur Tastenaktivierung zu und nimmt danach wieder ab. Zusätzlich gibt es bei den blauen Switches neben dem taktilen Feedback ein akustisches Feedback in Form eines Klickgeräusches, ähnlich wie das einer Maus. Außerdem unterscheiden sich die Cherry MX-Switches in ihrer Druckpunktkraft, die in CentiNewton angegeben wird, manchmal auch in Gramm, der Zahlenwert bleibt aber gleich. Und es gibt nicht nur diese vier Arten von Cherry MX-Switches, es gibt auch noch weiße, grüne und transparente und neben Cherry-Tasten gibt es auch noch andere mechanische Tasten, wie Alps- und Top-Reswitches oder Tasten mit Buckling-Spring-Technik. Aber ganz abgesehen von der Technik sind mechanische Tasten deutlich teurer als andere, sie haben aber große Vorteile. Ein präziser Anschlag und Druckpunkt mit taktilem und akustischem Feedback, außerdem müssen sie nicht ganz heruntergedrückt werden, haben eine sehr hohe Lebensdauer und können im schlimmsten Fall einfach ausgetauscht werden. Ein weiterer wichtiger Teil einer Tastatur ist die sogenannte MCU, die Micro-Control-Unit. Dieser Mikro-Controller wird über alle Tastenanschläge informiert, verarbeitet sie und sendet sie schließlich weiter an den Computer. Doch wie werden die Tasten nun an den Controller angeschlossen? Die offensichtlichste Lösung wäre vermutlich jede Taste einzeln an ihn anzubinden. Das würde allerdings eine große Anzahl an Anschlüsse am Controller erfordern und außerdem wäre ein riesiger Verdrahtungsaufwand zu bewältigen, der natürlich zu hohen Kosten führen würde. Eine herkömmliche MF2-Tastatur mit 104 Tasten bräuchte mit dieser Variante auch 104 Leitungen, was aber, wenn ich euch sage, dass es auch mit 21 möglich ist. Tatsächlich kann man das mit der Matrix-Technologie erreichen. Hier werden nun alle Tasten an ein Gitter, also einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeschlossen. Drückt man nun eine Taste, dann wird an dieser Stelle die Zeile mit der Spalte verbunden. Damit der Micro-Controller diesen Tastendruck erkennen kann, legt er an die Spalte eine Spannung an und wenn er diese Spannung auch an der Zeile messen kann, sind die beiden Leitungen verbunden und die Taste ist gedrückt. Schauen wir uns einmal ein Beispiel mit 10 Tasten an, welche durch drei Spalten und vier Zeilen adressiert werden können. Der Micro-Controller aktiviert nun eine Spalte, legt dort also eine Spannung an und schaut sich die Zeilen nacheinander an, ob dort eine Spannung anliegt. Anschließend legt er an die nächste Spalte eine Spannung an und geht wieder Zeile für Zeile durch. Wenn also an Spalte und Zeile eine Spannung anliegt, dann ist dort die Taste gedrückt. Diese ständige Überprüfung der Spalten und Zeilen nennt sich Scanning und geschieht einige Dutzend Mal in der Sekunde. Aus der Koordinate der Zeilen- und Spaltenmatrix ermittelt der Controller dann die Tastennummer, die er als Code, dem sogenannten Scan-Code, an den Rechner schickt. Dieser Scan-Code gibt dabei nur die Position der Taste an, unabhängig von der Sprachauswahl des Betriebssystems oder der Beschriftung der Taste. Für Kenner erst also zunächst einmal komplett unabhängig vom ASCII-Code. Das Zusammenführen der Scan-Codes, also der Tastennummer mit der jeweiligen Tastenbedeutung, findet erst im Zielprogramm statt. Es gibt nun aber verschiedene Arten von Scan-Code, abhängig davon, ob man die PS2- oder USB-Schnittstelle benutzt. Beim PS2-Anschluss wird beim Tastendruck ein Make-Code verschickt, der meist ein Byte groß ist und als Hexadezimalzahl angegeben wird. Zum Beispiel wäre das für die A-Taste der Make-Code 1C. Lässt man die Taste gedrückt, werden weitere Make-Codes gesendet. Diese Wiederholfunktion nennt man dann Type-Matic. Und lässt man die Taste anschließend wieder los, wird ein Break-Code verschickt, der jetzt zwei Byte groß ist, weil er sich zum einen aus F0 und zum anderen aus dem vorherigen Make-Code zusammensetzt. Der Break-Code für die A-Taste wäre also F0 1C. Bei der Anbindung mit USB sieht das alles etwas komplexer aus. Die Tastatur wird per USB als Human Interface Device behandelt. Und dabei wird nicht beim Drücken und Loslassen ein Scan-Code gesendet, sondern nur beim Drücken. Dann übermittelt die Tastatur nämlich einen Datenblock an den Rechner, der den gesamten Status der Tastatur enthält. Bevor wir uns gleich zum Specs-Check begeben, müssen wir noch ein paar Begriffe klären, auf die man mit hoher Wahrscheinlichkeit beim Tastaturkauf trifft. Und zwar sind das das Key-Rollover, Key-Ghosting und Key-Jamming. Key-Rollover gibt aber an, wie viele Tasten man auf einer Tastatur gleichzeitig drücken kann, während alle Anschläge korrekt erkannt werden. Der schlechteste Fall ist das Two-Key-Rollover, bei dem maximal zwei Tasten gleichzeitig gedrückt werden können und der beste Fall ist das N-Key-Rollover, wobei die Tastatur alle Tasten gleichzeitig erkennen kann. Das Key-Ghosting tritt aufgrund der Matrix-Technologie bei einigen Tastenkombinationen auf. Drückt man zum Beispiel drei Tasten in einem Viererblock, dann wird fälschlicherweise die vierte Taste auch als gedrückt erkannt. Diese vierte Taste nennt man dann Phantom Key. Es gibt aber eine Maßnahme gegen dieses Problem und das ist das Key-Jamming. Dabei wird einfach die dritte Taste ignoriert, damit der Ghosting-Effekt gar nicht erst auftreten kann. Was einem da jetzt lieber ist, ob eine Taste zu wenig oder eine zu viel, muss jeder für sich entscheiden. Es gibt aber glücklicherweise schon Techniken, die mit einer intelligenten Anordnung der Leitungen das Ghosting komplett verhindern. Ein Beispiel dafür seht ihr jetzt im Specs-Check. Ich stelle euch jetzt eine Zoe Zelleritas-Tastatur vor, die mir freundlicherweise vom Online-Shop Caseking zur Verfügung gestellt wurde. Zu genaueren Infos und zum Preis der Tastatur führt ein Link in der Infobox. Auf den ersten Blick sieht diese Tastatur ziemlich unspektakulär aus, genau das ist es aber auch, was sie für mich so ansprechend macht. Ein Standard-Tastatur-Layout ohne viel Schnickschnack, nur mit den nötigsten Funktionen, aber mechanischen Tasten. Unter den Keycaps befinden sich nämlich braune Cherry MX-Switches. Die Tastendruckkraft von 55 Centi-Newton zusammen mit dem taktilen, aber leisen Feedback ist, finde ich, eine gute Mischung, die sowohl fürs Gaming wie auch fürs Schreiben passt. Ein paar Spezialfunktionen sind aber sogar in dieser unscheinbaren Tastatur enthalten. So kann man beim Drücken der Zoe-Taste zusammen mit der Steuerungstaste die Windows-Taste zu einer weiteren Steuerungstaste umfunktionieren, zu sehen an dem roten Zoe-Logo und umgekehrt erkennbar am blauen Logo. Ein versehentliches Betätigen der Windows-Taste bei Aktionen mit höchster Priorität, z.B. beim Zocken, wird damit vermieden. Außerdem kann man mit der Zoe-Taste zusammen mit der F9-F12-Taste die Type-Matic-Rate erhöhen, das bei Zoe RTR bzw. Real-Time Response Technology heißt. Bis zu 12 mal schnellere Type-Matic-Raten im Vergleich zu herkömmlichen Tastaturen sind damit möglich, allerdings muss die Tastatur über einen Adapter mit einem PS2-Anschluss verbunden werden. Das ist übrigens auch nötig, um das volle Anti-Ghosting in Anspruch zu nehmen. Der USB ist nämlich nur ein 6-Key-Rollover möglich, also können sechs Tasten gleichzeitig ohne Ghosting gedrückt werden. Mit PS2 ist aber schon ein N-Key-Rollover erreichbar, also ein volles Anti-Ghosting, bei dem alle Tasten gleichzeitig gedrückt werden können. Wie immer vielen Dank fürs Anschauen! Lasst mir doch bitte eine Bewertung und einen Kommentar hier, mit eurem Feedback habt ihr nämlich direkten Einfluss auf die Qualität der kommenden Videos. Dann schaut euch jetzt doch noch das letzte Computer-Video zur Funktion der Maus an oder das Special zu Einem Jahr Brainfuck und 50.000 Abonnenten, in dem ihr einen Überblick bekommt, was ihr vielleicht schon alles verpasst habt. Viel Spaß dabei und bis bald!