Technologie zur Eingabe

Der Hauptbestandteil einer Tastatur sind natürlich die Tasten. Auf einer Standardtastatur in deutschem Layout gibt es 105 davon. Was sorgt für das Tippgefühl und welche Unterschiede gibt es?

Gummihalbkugeln auf Folie

Die Tastaturmatrix besteht aus drei zusammengeklebten Plastikfolien. Die obere und untere Folie sind mit Leiterbahnen bedruckt, die mittlere Folie besitzt unter den Tasten Ausschnitte. Wird die Folie von einer Taste gedrückt, berühren sich die Leiterbahnen der oberen und unteren Folie. Da sie nun leitend verbunden sind, wird durch den Stromfluß der Tastendruck erkannt.

Für die Anschlagcharakteristik sind über der Folie Halbkugeln aus Gummi oder Silikon angebracht, die bei Druck erst langsam, dann immer schneller nachgeben und schließlich komplett zusammenfallen, wodurch der Tastendruck ausgelöst wird.

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Gummihalbkugeln: Ordentliche Standardkost

Diese Technologie wird in nahezu allen Tastaturen am Markt eingesetzt. Sie ist zuverlässig, preisgünstig und kaum anfällig für Staub und Krümel. Nachteile sind die schlechte Haltbarkeit, sich mit der Zeit verändernde Anschlagcharakteristik und starke Unterschiede zwischen verschiedenen Fabrikaten.

Tastaturen dieser Bauart sind gute Allrounder. Von Modellen, die eher für den Officeeinsatz gedacht sind bis hin zu Gamer-Tastaturen mit Displays und beleuchteten Tasten gibt es alles, was das Herz begehrt. Aufgrund der schier endlosen Masse an Tastaturen ist es schwierig, konkrete Empfehlungen auszusprechen, weshalb ein kurzes Probetippen immer empfehlenswert ist.

Einige Tastaturen dieser Technik sind die Logitech G15, Microsoft Sidewinder Keyboard, Logitech Wave, Microsoft Natural Keyboard, Cherry G83.

Scissor-Switch / Laptoptasten

Bei Laptops und Tastaturen mit Tasten in Laptopbauweise kommt eine modifizierte Gummihalbkugel-Technologie zum Einsatz. Um einen knackigen Anschlag zu erzielen, wird jede Taste von einer Scherenmechanik gehalten, welche die Anschlagcharakteristik verbessert. So wird ein Ergebnis erzielt, das bei dieser geringen Bauhöhe mit klassischen Gummihalbkugeln nicht umsetzbar wäre.

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Scheren-Technologie: Schmutzempfindliche Anschlagverbesserung bei Laptoptasten

Scheren-Technologie: Schmutzempfindliche Anschlagverbesserung bei Laptoptasten

Diese Technologie ermöglicht einen kurzen Tastenhub, weshalb sie insbesondere für dünne Laptops geeignet sind. Das Anschlaggefühl ist mittlerweile so gut, daß auch Desktoptastaturen mit dieser Technik angeboten werden. Nachteilig ist die starke Anfälligkeit für Verschmutzungen und Krümel: Schon einige Haare in der Scherenmechanik können den Anschlag der Taste so verändern, daß eine Reinigung notwendig wird.

Als Beispiel einige Tastaturen dieser Technik: Alle Laptoptastaturen, Logitech UltraX, Cherry Evolution Stream.

Mechanische Einzeltaster

Die Tastatur besteht aus einzelnen Tastenmodulen, welche auf einer Platine angebracht sind. In jedem Modul bewegt die Taste eine komplexe Mechanik, die an einem genau definierten Punkt den Tastendruck auslöst. Eine Feder sorgt für den Gegendruck.

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Einzeltaster: Gut und teuer

Aufgrund der vielen benötigten Bauteile und teurer Herstellung sind Tastaturen mit mechanischen Einzeltastern teuer. Dafür sind sie extrem langlebig. Man findet oft Modelle mit verschiedenen Anschlagcharakteristika: Beim linearen Anschlag nimmt die benötigte Kraft beim Drücken der Taste absolut gleichmäßig zu, bis sie das Weg-Ende erreicht hat, zwischendrin schaltet sie. Der Klick-Anschlag produziert beim Auslösen der Taste einen hör- und spürbaren Klick. Der Soft-Anschlag (im englischsprachigen Raum "tactile") bietet einen spürbaren Druckpunkt, aber keinen Klick.

Da Tastaturen mit mechanischen Einzeltastern sehr kostspielig sind, ist die Auswahl auf dem Markt entsprechend klein. Für Vielschreiber kann es sich dennoch lohnen, in eine solche Tastatur zu investieren. Aufgrund Tastern, die für mehrere zehn Millionen Tastenanschläge spezifiziert sind, können sie jahrzehntelang halten.

Als Beispiel einige Tastaturen dieser Technik: Das Keyboard III, Steelseries 7G, Cherry G80.

Ergonomie

Eine Bewertung der Ergonomie verschiedener Tastaturen oder Tastentechnologien soll hier bewußt nicht erfolgen, da das gesamte Thema für diesen Artikel zu ausschweifend ist. Ob man besser mit Langhub- oder Kurzhubtasten zurechtkommt, muß jeder für sich ausprobieren.

Für Vielschreiber, die das Zehnfingersystem beherrschen, sind "ergonomische" Tastaturen eine echte Alternative. Diese besitzen ein geteiltes oder gebogenes Tastenfeld. (Microsoft Natural Keyboard, Logitech Wave).

Taster mit Klick geben eine sofortige hör- und spürbare Rückmeldung beim Auslösen. Das kann die Schreibgeschwindigkeit erhöhen, ist allerdings nur für geübte Schreiber interessant. Allerdings ist die Modellauswahl klein und die Tasten geben ein Geräusch von sich, das von anderen Personen als lästig empfunden werden kann.

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Die intelligente Tastatur

Obwohl eine Tastatur über 100 Tasten besitzt, wird sie nicht über ein monströses Flachbandkabel an den Computer angeschlossen. Tastaturen enthalten einen Microcontroller, der sich um die Erfassung der Tastendrücke kümmert und diese über wenige Leitungen zum PC schickt.

Willkommen in der Matrix

Da nie alle Tasten gleichzeitig gedrückt werden, benötigt der Tastaturcontroller keine 106 Anschlüsse. Indem die Tasten in einer Matrix (also in Zeilen und Spalten) angeordnet werden, kommt der Tastaturcontroller mit weniger Anschlüssen aus. Die physikalische Anordnung der Tasten auf der Tastatur entspricht allerdings nicht zwingend der elektrischen Anordnung in der Matrix.

Der Tastaturcontroller scannt die Tastaturmatrix, indem er nacheinander Strom auf die Spalten schaltet. Durch die aktivierten Zeilen kann er die gedrückte Taste ermitteln.

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Klicken für Animation [8]: Scannen der Matrix mit einer gedrückten Taste

Werden mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt, so können in unglücklichen Fällen falsche Zeilen aktiviert werden. Das führt zur Erkennung eines ungewollten Tastendrucks (Ghosting). Wie viele Tastendrücke gleichzeitig erkannt werden können, wird mit dem Begriff "Rollover" ausgedrückt.

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Klicken für Animation [10]: Scannen der Matrix mit zu vielen gedrückten Tasten: Es kommt zu Ghosting.

Um Ghosting zu verhindern, können hinter jedem Taster Dioden verbaut werden. Das ist teuer und nur selten bei absoluten HighEnd-Tastaturen anzutreffen, ermöglicht aber "N-Key Rollover," die Erkennung beliebig vieler gleichzeitiger Tastendrücke. Alternativ kann auch die Erkennung des Tastendrucks per Software verhindert werden, der überzählige Tastendruck wird dann einfach nicht erkannt. Durch eine geschickte Anordnung der Taster in der Matrix lassen sich Tastaturen bauen, die bei normaler Anwendung keine Probleme mit gleichzeitig gedrückten Tasten haben. Diese genügen meist auch zum Spielen.

Welche Tasten gleichzeitig gedrückt werden können, ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Im schlimmsten Fall hilft hier also nur Ausprobieren oder eine Umbelegung der Tasten im Spiel. Alt, Ctrl und Shift können immer gleichzeitig und mit anderen Tasten gedrückt werden. Für manche Spiele, die besonders viele gleichzeitige Tastendrücke erfordern, empfiehlt sich eine Tastatur mit "N-Key Rollover," also Erkennung beliebig vieler gleichzeitiger Tastendrücke.

Bei Tastaturen, die über PS/2 angeschlossen sind, ist dies kein Problem. Die aktuelle USB-Spezifikation sieht aber nur 6 gleichzeitige Tastendrücke neben Alt, Ctrl und Shift vor. Wird die Tastatur in einem anderen Betriebsmodus betrieben, können theoretisch auch über USB beliebig viele gleichzeitige Tastendrücke verarbeitet werden. Dafür müßte der Hersteller aber einen speziellen Treiber bereitstellen, was sehr aufwendig ist.

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PS/2 ...

Die PS/2-Schnittstelle entstand als Weiterentwicklung der 1984 von IBM entwickelten AT-Schnittstelle. Sie wurde von IBM 1987 für das "Personal System 2" entwickelt und erfreut sich seitdem großer Beliebtheit. Auch auf modernen Computern ist sie noch anzutreffen; sie ist bewährt und einfach zu implementieren. Allerdings wurde PS/2 nicht dafür entworfen, Tastaturen im Betrieb aus- oder einzustecken. Schon aufgrund des Steckerdesigns ist dies nicht zu empfehlen: Im schlimmsten Fall können Tastatur und Mainboard beschädigt werden.

Make or break

Wird eine Taste gedrückt, sendet der Tastaturcontroller einen "make"-Code an den Computer. Wird sie losgelassen, wird ein "break"-Code geschickt. Das ermöglicht es, eine Taste anzutippen, während eine andere gedrückt gehalten wird. Was beim Schreiben (von Großbuchstaben abgesehen) kaum einen Nutzen hat, wird spätestens in Spielen wichtig. Da nicht immer garantiert werden kann, daß der Computer einen Tastendruck sofort erkennt, besitzt jede Tastatur einen kleinen Speicher, der für diesen Fall einige Tastendrücke puffert. Wird eine Taste über längere Zeit gedrückt gehalten, sendet der Tastaturcontroller mit der Tastenwiederholungsrate periodisch einen Make-Code.

Um N-Key Rollover zu realisieren, muß der Microcontroller lediglich den Status aller Tasten speichern können, um beim Loslassen einen entsprechenden Break-Code auszugeben.

Lange Leitung

Zur Verdeutlichung der Kommunikation über PS/2 hier einige Beispiele, was über die Leitung gesendet wird. Wir verwenden die gebräuchliche Schreibweise, in der wir ein Byte (2^8 Zustände) in der hexadezimalen Notation angeben. 00 ist binär also 00000000, 79 entspricht 01111001, und so weiter.

Die meisten Tasten haben Make-Codes, die ein Byte lang sind. Der Break-Code ist ein Byte länger: Das erste Byte ist dabei üblicherweise F0 und der Rest der Make-Code der Taste. Aus historischen Gründen hat die SysRq/Break (Pause/Untbr)-Taste keinen Break-Code, der Rechner behandelt einen Druck auf diese Taste daher als Druck mit sofortigem Loslassen.

Beispielhaft wird die Taste "a" gedrückt und danach wieder losgelassen:

Um einen Großbuchstaben zu schreiben, muß die Shift-Taste gedrückt und gehalten werden (für "A" wäre dies die rechte), dann der Buchstabe angeschlagen und danach die Shift-Taste wieder losgelassen. Ein großes "A" schickt folgendes über die Leitung:

Ganze Wörter funktionieren im Prinzip genauso, wie wir bei "Hallo" sehen:

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... oder USB?

Die moderne USB-Schnittstelle ist auf dem Weg, sich als wahre Universalschnittstelle für fast alle PC-Geräte durchzusetzen. Konzipiert wurde sie aber auch als Schnittstelle für Eingabegeräte. Der Vorteil von USB besteht hauptsächlich darin, daß Tastaturen während des Betriebs getauscht werden können. Außerdem können sie an irgendeinen freien USB-Port angeschlossen werden, anstatt an einen spezifischen PS/2-Anschluß.

6 Tasten braucht der Mensch

Bei einer Standard-USB-Tastatur funktioniert die Übermittlung der gedrückten Tasten anders als bei PS/2. Neben den Modifikatortasten Alt, Shift und Ctrl wird in jedem Datenpaket, das die Tastatur an den Rechner sendet, der Zustand von 6 gedrückten Tasten übertragen. Der Computer muß sich also darum kümmern, wann eine Taste losgelassen wurde. Dazu stellt er fest, ob sich einer der übertragenen Zustände geändert hat. Außerdem sorgt er für die Tastenwiederholung.

Ferner ergibt sich das Problem, daß lediglich 6 Tasten gleichzeitig erfaßt werden können, N-Key Rollover also prinzipbedingt nicht möglich ist. Wird vom Hersteller eine andere Implementierung als die Standardimplementierung gewählt (abweichendes Verhalten und Datenpakete), ist theoretisch auch richtiges N-Key Rollover möglich. Dies erfordert aber aufwendige und kostspielige Entwicklungen inklusive eigenem Treiber. Außerdem funktioniert die Tastatur nicht, bevor dieser Treiber geladen wurde.

Jederzeit nur 7 Byte

Die Übertragung der Tastendrücke über USB soll ebenfalls kurz an einem Beispiel illustriert werden. Mit jeder Abfrage werden von der Tastatur 7 Byte übertragen. Das erste Byte überträgt bitweise die Zustände der Modifikatortasten und soll daher in diesem Beispiel ausgeschrieben werden. Die folgenden 6 Byte enthalten die gedrückten Tasten und werden in Hexadezimalnotation geschrieben. Die USB HID Usage Tables spezifizieren das Datenpaket für die Modifikatortasten wie folgt:

Bit 1: linke Strg-Taste. Bit 2: linke Shift-Taste. Bit 3: linke Alt-Taste. Bit 4: linke GUI-Taste. Bit 5: rechte Strg-Taste. Bit 6: rechte Shift-Taste. Bit 7: rechte Alt-Taste. Bit 8: rechte GUI-Taste.

Wie bereits bei den PS/2-Beispielen beginnt jedes Beispiel ohne gedrückte Tasten und endet auch damit. Die Taste "a" wird gedrückt:

Ein großes "A":

Das Wort "Hallo":

Entscheidungsfreiheit

Moderne Tastaturen sind fast nur noch mit einem USB-Anschluß ausgestattet. Um PS/2 zu nutzen, ist ein Adapter beigelegt oder kann günstig gekauft werden. Damit dieser Adapter funktioniert, muß der Tastaturcontroller USB und PS/2 beherrschen. Da PS/2 genau wie USB nur zwei Datenleitungen und zwei zur Stromversorgung besitzt, vertauscht der Adapter lediglich die beiden Leitungen der Stromversorgung: Beim Controller kommt dann eine "negative" Spannung an, wodurch er im PS/2-Modus initialisiert wird.

Manche Tastaturen besitzen einen PS/2-Anschluß und einen Adapter, der einen USB-Anschluß bereitstellt, dieser funktioniert im Prinzip genauso. Soll die alte Tastatur vom Dachboden per USB an einen modernen Rechner angeschlossen werden, wird ein aktiver Adapter benötigt, da deren Tastaturcontroller noch kein USB beherrscht.

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Fazit

Neue Eingabegeräte wie die Maus ermöglichen die Bedienung ohne Tastatur, doch die Tastatur bleibt das Haupt-Eingabegerät bei fast allen Tätigkeiten am Computer. Trotz Bemühungen der Industrie sind Touchscreen-Benutzerschnittstellen noch lange keine Alternative zur Bedienung des Rechners mit richtigen Tastaturen und es ist fraglich, ob dies überhaupt jemals im großen Stil der Fall sein wird.

Die Welt der Tastaturen steht auch heute nicht still. Während früher nur teure Tastaturen in beige und mit Standardlayout erhältlich waren, gibt es heute schon für wenig Geld mehrfarbig beleuchtete Modelle mit dutzenden Makrofunktionen, Schiebeschaltern, Drehreglern, Displays und weiteren Zusatzfunktionen. Durch den USB-Anschluß gewann man an Bequemlichkeit und hat die Möglichkeit, problemlos mehrere Tastaturen anzuschließen (bei PS/2 ist dies auch möglich, aber unpraktisch). Für Spieler ist dabei ärgerlich, daß N-Key Rollover verloren ging.

Durch günstige Technologien für Tasten konnten Tastaturen zum günstigen, jederzeit und überall erhältlichen Massenprodukten werden, verloren aber insgesamt an Haltbarkeit und Qualität. Einige alte Tastaturen wiegen aufgrund massiver Stahlplatten zur Verstärkung über zwei Kilogramm! Wer heute nach exzellentem Schreibgefühl und schon fast übertrieben stabiler Konstruktion sucht, muß tief in die Tasche greifen, dann auch noch auf nahezu alle Zusatzfunktionen verzichten und mit dem Standardlayout vorlieb nehmen.

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