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3    Tastaturen


Einstieg Tastaturen haben Funktion und Aussehen im Lauf der Zeit, verglichen mit anderen Rechnerkomponenten, relativ wenig verändert. Auch gibt es mehr Ähnlichkeiten als Unterschiede zwischen den Produkten verschiedener Hersteller.

Trotzdem stehen für verschiedene Systeme, Anwendungen und Umgebungsbedingungen eine Vielzahl unterschiedlicher Typen zur Verfügung.
Summary Keyboards have changed function and appearance not too much with time, as compared with other computer components. There are more common features than distinctions between products of various manufacturers.

Nevertheless users have the choice among a huge variety of types available for different systems, applications and environmental conditions.

3.1   Definition, Bedeutung

3.1.1 Definition

Eine Tastatur besteht aus einer Anordnung von mehreren Sensoren ("Tasten"), die deutlich voneinander abgegrenzt sind. Die Betätigung einer Taste erfolgt durch Krafteinwirkung, meist durch Fingerdruck. Sie bewirkt die elektrische Umschaltung von einem Zustand eines zweiwertigen Signals in den anderen. Nach Beendigung der Krafteinwirkung werden die mechanischen und elektrischen Ausgangszustände wieder angenommen. Die Tasten sind so markiert, dass man ihre Wirkungen vor der Betätigung voraussehen kann.

3.1.2 Technische Bedeutung

Tastaturen wurden zur Dateneingabe schon verwendet, als zur Ausgabe standardmäßig Fernschreiber-Druckwerke und zur Speicherung Lochkarten und Lochstreifen in Gebrauch waren. Sie sind aber auch heute noch mit weitem Abstand die wichtigsten Eingabegeräte am Rechner. Sie bieten eine immer noch nicht übertroffene Kombination aus Flexibilität, Geschwindigkeit, Übersichtlichkeit und Eingabesicherheit. Für die Eingabe von Text gibt es noch keine brauchbare Alternative.

3.1.3 Emotionale Bedeutung

Ein Grund für die weite Verbreitung der Tastaturen liegt in der allgemeinen Tendenz, bei einer gewohnten Methode zu bleiben, was aber als alleinige Erklärung nicht ausreichen kann.
Werbeprospekte für PCs zeigen in der Regel einen ziemlich langweiligen Kasten mit einem oder zwei Schlitzen für DVDs, darüber oder daneben einen Bildschirm, vom Prospektgestalter nachträglich verziert mit einem farbenfrohen Bildchen. Erst eine davor liegende Tastatur erzeugt jedoch beim angepeilten Kunden die Assoziation "Computer". Tastatur und Bildschirm sind die (unterschwelligen) Statussymbole eines Computerbesitzers. Sie befinden sich dauernd in seinem direkten Blick- und Arbeitsbereich und bieten deshalb die wichtigsten Angriffspunkte für Formgestaltung und Ergonomie. Über die Tastatur gibt der Benutzer dem Computer Befehle oder Anweisungen (man beachte die Wortwahl!). Sie macht ihn vom (Be-)Diener zum Beherrscher der Maschine.

3.2   Bedienung

3.2.1 Ergonomie

Alle ergonomischen Erwägungen und Bemühungen der Tastaturhersteller zielen ausschließlich auf eine professionelle und damit möglichst schnelle und bedienerschonende Eingabe von Standardtexten. Gelegenheits- und Heimanwender werden dabei überhaupt nicht berücksichtigt.
So könnte beispielsweise die Benutzung von Textverarbeitungssystemen bedeutend vereinfacht werden, wenn wichtige Funktionen mit einem einzigen Tastendruck ausgelöst werden könnten (Tastenkombinationen können sich Gelegenheitsanwender sowieso nicht merken, und jeder Wechsel zur Mausbedienung hemmt den Eingabefluss.)
Zur Eingabe von Programmtexten ist eine heute übliche Tastatur denkbar schlecht geeignet. Wichtige Sonderzeichen wie Klammern, umgekehrter Schrägstrich, Strichpunkt usw. sind nur mittels "Affengriff" erreichbar. Die Eingabe von Hexadezimalziffern wird ebensowenig unterstützt wie die häufig benutzter Befehlswörter.

3.2.2 Gehäuse

Früher war es allgemein üblich, alle Teile eines "Tischrechners" in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren und dieses zentral auf den Arbeitstisch zu stellen. Heute werden Zentraleinheit, Anzeige und Tastatur nur dann noch zusammengefasst, wenn bei Spezialanwendungen (z.B. Industrierechner in 19"-Schränken, "Laptops" und "Notebooks") andere Gesichtspunkte (Platzbedarf, Gewicht) eine größere Rolle spielen als ergonomische Forderungen. Im Normalfall jedoch sind bei PCs und Workstations Monitor und Tastatur von der Zentraleinheit abgesetzt und besitzen eigene Gehäuse. Der eigentliche Rechner wird nur noch zum Ein- und Ausschalten sowie beim Disketten- und CD-Wechsel bedient. Er kann deshalb im sogenannten Tower-Gehäuse unter den Schreibtisch wandern und damit wertvolle Schreibtischfläche freimachen. Auch der Bildschirm kann dadurch in eine optimale Betrachtungsposition (Abstand, Höhe, Winkel) gebracht werden.
Durch das abgesetzte Gehäuse kann man die Position der Tastatur den Bedienerwünschen bezüglich Arbeitshöhe, Neigung und Beleuchtung anpassen. Bei vorübergehender Nichtbenutzung kann man sie beiseiteschieben. Für diesen Zweck sind auch spezielle Schubladen verfügbar. Ein Hersteller von CAD-Systemen hat beispielsweise sein Grafiktablett als Brücke ausgebildet. Benutzt man das Tablett, überdeckt es die Tastatur, zur Benutzung der Tastatur schiebt man es nach hinten, unter den Monitor.
Zur Entlastung der Handgelenke sollte die Tastaturoberfläche einen bestimmten Winkel zur horizontalen Tischfläche haben. Aus ergonomischer Sicht ist dabei ein Bereich von 0° bis 15° akzeptabel, das Optimum liegt bei 6° bis 8°. Die Tastatur sollte eine bestimmte Bauhöhe nicht überschreiten. Die ergonomischen Anforderungen dafür sind dann erfüllt, wenn die Oberkanten der Tasten der 3. Reihe (vom Benutzer aus gezählt) einen Abstand von 30 mm oder weniger von der Tischfläche haben. Die Handballen können dann beim Schreiben auf dem Tisch aufliegen, die Ermüdung der Handgelenke wird verringert.

3.2.3 Tasten

Ob die Bedienung einer Tastatur ermüdungsfrei ist und als angenehm empfunden wird, hängt ganz wesentlich von der Betätigungscharakteristik der verwendeten Tasten ab. Die wichtigsten Parameter sind dabei Betätigungskraft, Tastenhub, Rückmeldung und Tastenführung.
Als günstig gelten für die Betätigungskraft Werte zwischen 0.5 und 1.2 N. Bei noch niedrigeren Kräften treten vermehrt Fehlbedienungen zum Beispiel durch streifende Berührung auf. Insbesondere bei Schnellschreibern gibt es hier Probleme, da sie die Finger während der Eingabe kaum von den Tasten nehmen. Bei zu großen Kräften wird die Bedienung verlangsamt und der Benutzer ermüdet schneller.
Ganz wesentlich ist für eine benutzerfreundliche Eingabe eine sichere und sofortige Rückmeldung, unter Umständen auch eine Kombination verschiedener Methoden. Wer schon einmal versucht hat, beispielsweise die Setup-Prozedur für einen neuen Bildschirm "blind" einzugeben, weiß, was gemeint ist. Die optische Rückmeldung über den Bildschirm ist unverzichtbar. Für eine ergonomische Bedienung reicht sie jedoch allein nicht aus.
Sie sollte vielmehr unterstützt werden durch eine taktile Rückmeldung, bestehend aus einem Betätigungsweg (Hub) und einem Kraftsprung (Druckpunkt). Als optimaler Betätigungsweg hat sich ein Tastenhub zwischen 3.0 und 5.0 mm herauskristallisiert. Mechanische Vollhubtasten weisen hier deutliche Vorteile auf gegenüber Kurzhub- (ca 1 mm) und hublosen Folien- und Piezotastaturen, die deshalb für eine häufige Benutzung ungeeignet sind.
Unter einem Druckpunkt versteht man eine Betätigungscharakteristik, bei der die Betätigungskraft mit dem Betätigungsweg zunächst zunimmt, um ab einem bestimmten Punkt abzunehmen und erst kurz vor einem mechanischen Endanschlag wieder auf große Werte anzusteigen (s. Abschnitt 1.4.7: Kraft-Weg-Diagramm). Eine akustische Rückmeldung findet statt, wenn die Taste an ihrem Endanschlag ein deutliches Geräusch erzeugt oder wenn die erfolgte Kontaktgabe durch einen elektrischen Signalgeber bestätigt wird ("Tastenklick").
Für verschiedene Benutzergruppen haben sich zwei unterschiedliche Bediencharakteristiken als besonders günstig erwiesen:
  • Für "normale" Bedienung wird der Schaltpunkt kurz hinter den Druckpunkt gelegt, also auf den abfallenden Ast der Kraft-Weg-Kennlinie. Die Taste wird bis zum Endanschlag betätigt, das Anschlaggeräusch dient als akustische Rückmeldung. Diese Methode ermöglicht eine sichere Eingabe auch durch relativ ungeübte Benutzer. Sie hat jedoch Nachteile: Die Bedienung ist durch die langen Betätigungswege relativ langsam. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Tastaturen kann insbesondere in größeren Büros das Bediengeräusch ziemlich lästig werden. Bei Dauerbedienung kann der harte Tastenanschlag gesundheitliche Schäden, z.B. Sehnenscheidenentzündung, hervorrufen.

  • Geübte Schreiber bevorzugen deshalb einen anderen Tastentyp bzw. eine andere Betätigungsart: Wenn die Tasten einen Druckpunkt besitzen, werden sie bis kurz nach diesem gedrückt, jedoch kaum bis zum Endanschlag. Der Schaltpunkt sollte in diesem Fall zweckmäßigerweise kurz vor dem Druckpunkt liegen. Die fehlende akustische Rückmeldung des Endanschlags kann durch einen Tastenklick ersetzt werden. Da dessen optimale Lautstärke vom Geräuschpegel der Umgebung abhängt, sollte sie auf jeden Fall einstellbar sein, und zwar möglichst bis zum Wert Null. (Ein zu lauter Tastenklick hat schon manche Tastaturbenutzer an den Rand des Wahnsinns getrieben.)


Schließlich ist für eine optimale Bediencharakteristik die Führung der Taste (bei Wegen über 2 mm) sehr wichtig. Ein seitliches Ausweichen, wie es beispielsweise von Gummimatten-Tastaturen bekannt ist, ist bei häufiger Bedienung unakzeptabel.

3.2.4 Knöpfe

Eine zentrale Forderung der Ergonomie an die Tastenknöpfe betrifft die Formgebung der Bedienfläche. Sie sollte so beschaffen sein, dass sie den Fingern eine taktile Orientierungshilfe bietet. Die Ränder der Bedienfläche sollten markant, aber nicht scharfkantig sein. Knöpfe mit flacher oder gar konvexer Oberfläche sind daher heute praktisch nicht mehr in Gebrauch. Überwiegend verwendet man Knöpfe mit zylindrisch konkaver oder mit sphärisch konkaver Oberfläche. Die sphärisch konkaven Knöpfe (Abb. 3-1), (Abb. 3-2) bieten den Fingern eine Führung in zwei Richtungen: in X-Richtung zu den Nachbartasten, in Y-Richtung zu den Nachbarreihen. Die Knopfform ist jeweils symmetrisch in X- und Y-Richtung, die Knopfoberflächen der Tastatur bilden eine Ebene ("Flache Tastatur", Abb. 3-4).
Bei den zylindrisch konkaven Knöpfen (Abb. 3-3) fehlt die Führung in Y-Richtung. Sie sind deshalb oft asymmetrisch in Y-Richtung geformt und bilden gestufte Tastaturen ("Stufenknöpfe"), wobei die Vorderkante der nächsten Reihe als Führung dient. Zur weiteren Optimierung erhalten die Knöpfe für jede Reihe eine andere Form, was jedoch beim Vertauschen Einschränkungen zur Folge hat. Die gesamte Tastatur wird flach, pseudokonkav oder konkav gewölbt in Y-Richtung angeordnet (Abb. 3-4), wobei eine konkave Anordnung bei manchen Herstellern als besonders ergonomisch gilt.
Die horizontalen Abmessungen eines Knopfes sind auf genormte Standardfinger abgestimmt und nach folgenden Einzelforderungen optimiert:
  • Die Bedienfläche des einzelnen Knopfes sollte möglichst groß sein. Dadurch wird die Treffsicherheit hoch und eine deutliche Beschriftung ermöglicht.

  • Der Abstand benachbarter Knöpfe sollte möglichst groß sein, um Doppelbetätigungen zu vermeiden. Als Mindestabstand von einer Knopfmitte zum Rand einer benachbarten Bedienfläche werden 11 mm empfohlen.

  • Knopfabmessungen und -abstände sollten möglichst klein sein, um Platz zu sparen und lange Bedienwege zu vermeiden.

Als Kompromiss aus diesen gegensätzlichen Forderungen hat man bereits seit längerer Zeit ein Tastenraster (=Mittenabstand benachbarter Tasten und Reihen) von 19.05 mm (= 0.75") genormt, das heute praktisch bei allen Standardtastaturen eingehalten wird.
Die Oberfläche der Knöpfe sollte reflexionsarm sein, die Beschriftung gut lesbar und kontrastreich. Ein Kontrastverhältnis von mindestens 3:1 zwischen Schrift und Hintergrund erfüllt die Forderungen der Ergonomie. Da bei den verschiedenen Beschriftungstechniken aber wirtschaftliche Gesichtspunkte stärker in den Vordergrund treten (Aufwand, Abriebfestigkeit, Flexibilität bei der Erstellung neuer Symbole), soll auf diese im Abschnitt 3.6: Herstellung eingegangen werden.
Bei der farblichen Gestaltung gibt es gegensätzliche Anforderungen:
  • Durch Hervorhebung mit verschiedenen Farben können häufig benutzte Tasten oder Tastengruppen schneller gefunden werden (Cursor, "Shift", "Ctrl" usw.).

  • Die Verwendung heller, gedeckter Farben wirkt beruhigend und ist angenehmer für Dauerschreiber.

Der Modetrend bevorzugt momentan den zweiten Gesichtspunkt und beschert uns die meisten Tastaturen im Computer-Einheitsgrau. Allenfalls zu zwei verschiedenen Farbtönen nach IBM-Vorbild (einem helleren für Alpha- und Zifferntasten und einem etwas dunkleren für Cursor- und Funktionstasten) können sich einige wenige Hersteller noch durchringen.
Tastaturen mit beleuchteten Tastenknöpfen sind wesentlich teurer und aufwändiger herzustellen. Sie sind deswegen Spezialanwendungen vorbehalten.

3.2.5 Layout

Alle heutigen Tastenanordnungen für Computertastaturen sind aus dem Layout der mechanischen Schreibmaschinen hervorgegangen. Bei diesen wurden für Buchstaben, Ziffern und Sonderzeichen Tasten gleicher Größe verwendet, ergänzt durch eine extrem breite Leertaste. Um mit einer begrenzten Anzahl von Tasten auszukommen, belegte man schon ziemlich früh die meisten Tasten doppelt. Die Zweitbedeutung jeder Taste konnte man durch die gleichzeitige Betätigung einer sogenannten Umschalttaste (engl "Shift") anwählen.
Die Tasten wurden reihenweise um 1/2 und 1/4 Tastenraster gegeneinander versetzt, um die Typenhebel möglichst einfach verkämmen zu können. Dieser Versatz hat keinerlei ergonomische Vorteile. Auch die Anordnung der Schriftzeichen, wie sie heute genormt ist, wurde ursprünglich nicht etwa deshalb so gewählt, um ein möglichst schnelles Schreiben zu ermöglichen (wie heute vielfach behauptet wird). Sie sollte im Gegenteil die Schreibgeschwindigkeit reduzieren, um ein Verhaken der Typenhebel zu vermeiden.
Bei der Übernahme in die Computertechnik ergaben sich neue Anforderungen und neue Möglichkeiten. Bisher mechanisch betätigte Sonderfunktionen (Wagenrücklauf, Zeilenvorschub, Tabulator) konnten jetzt mit Tastendruck ausgelöst werden. Zusätzliche Steuerfunktionen wurden benötigt. Man legte sie zunächst in zusätzliche Umschaltebenen (z.B. Cursorbewegungen als Ctrl-H, Ctrl-I, Ctrl-J, Ctrl-K, Wagenrücklauf Ctrl-M usw.). Erst allmählich entdeckte man die Möglichkeiten der neuen Technologien und unterstützte beispielsweise häufig benutzte Tasten durch breitere oder speziell geformte Knöpfe. Auch bekamen die wichtigsten Steuerfunktionen eigene Tasten zugeordnet. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit wurde die Tastenanordnung in mehrere Funktionsblöcke gegliedert.
Seit 1995 gibt es eine neue deutsche Norm DIN 2137 mit den Teilen 1, 2, 6, 10, 11, 12 und 13, die die Vorgänger-Normen DIN 2136 und DIN 2137 aus den Jahren 1976/77 ersetzt und erweitert.
Standardtastaturen sind in den Teilen 2, 6, 10 und 11 beschrieben. Teil 10 gibt Rahmenbedingungen und Einschränkungen vor für die Anordnung der Tasten und stellt eine Nomenklatur dazu zur Verfügung. Teil 11 liefert die Werkzeuge, um die Beschriftung der einzelnen Tasten zu beschreiben. Die Teile 2 und 6 geben dann konkrete Empfehlungen für Anordnung und Beschriftung der Tasten und ihre Belegung mit Schriftzeichen und Funktionen.

3.2.5.1 Tastenanordnung

DIN 2137 Teil 10 legt eine Einteilung in Funktionsblöcke und ihre prinzipielle Lage zueinander fest (Abb. 3-5 und Abb. 3-6). Im einzelnen werden folgende Blöcke definiert:

BF Funktionsbereich
BA Alphanumerischer Bereich
BE Editierbereich
BN Numerischer Bereich

Die einzelnen Blöcke sind räumlich voneinander getrennt (Ausnahme: Tragbare Rechner, beschrieben in DIN 2137, Teil 12). Einzelne Bereiche können fehlen, die übrigen rücken dann enger zusammen. Die Festlegung ist so allgemein gehalten, dass sie praktisch von allen gängigen Tastaturtypen (einschließlich Geldautomaten) erfüllt wird.
Zur Beschreibung der Positionen der einzelnen Tasten wird eine Nomenklatur eingeführt, die es beispielsweise erlaubt, Beschriftung und Funktionen tabellarisch zu erfassen. Dazu wird zunächst ein Gitternetz definiert, das aus horizontalen Reihen und vertikalen Spalten besteht. Jeder Schnittpunkt einer Reihe mit einer Spalte kann eine Taste in Normalgröße aufnehmen. Breitere Tasten können auch mehrere Positionen überdecken. Die Festlegung der Gitterweite mit 19 +/- 1 mm bestimmt dadurch auch den Mittenabstand der Tasten. (Die praktisch verwendete Gitterweite von 19.05 mm = 0.75 inch ist im Toleranzbereich enthalten).
Die Reihen werden mit Buchstaben, die Spalten mit zweistelligen Zahlen bezeichnet, eine Tastenposition mit der Kombination aus beiden. Für breitere Tasten (ab 2-fach) wird der gesamte überdeckte Bereich angegeben.
Beispiele: A01, B99, K15, A03-07, A-B54
Für den alphanumerischen Bereich werden zwei prinzipielle Anordnungen zugelassen: eine gerade mit orthogonalen Reihen und Spalten (Abb. 3-5) und die (von der Schreibmaschine geerbte) schräge Anordnung mit Versatz von 1/2 bzw. 1/4 Tastenbreiten zwischen den einzelnen Reihen (Abb. 3-6). Wenn auch in diesem Fall der alphanumerische Bereich aus ästhetischen Gründen einen rechteckigen Umriss bekommen soll, ist die Einführung von Tasten mit "krummen" Breiten nötig. Üblich sind Tasten mit 1.0-, 1.25-, 1.5-, 1.75-, 2.0-, 2.25- und 2.75-facher Breite (Abb. 3-1, Abb. 3-2, Abb. 3-3). Dazu kommt noch die Leertaste, die je nach Hersteller zwischen 6.0- und 10.0-facher Breite liegt.
Die Ausmaße der einzelnen Bereiche sind nicht festgelegt. Ausgehend von einer Referenztaste pro Bereich können sie (theoretisch beliebig) in alle Richtungen erweitert werden. Dazu werden die Spalten nach links abwärts (z.B. 01, 00, 99, 98...) und nach rechts aufwärts (z.B. 14, 15, 16... oder 80, 81, 82...) weitergezählt, die Reihen nach oben (A, B, C, D, E, F... K, L..) und nach unten (A, Z, Y...).

3.2.5.2 Beschriftungspositionen

Bei den meisten Tastaturen sind die Tasten mit mehreren Zeichen oder Funktionen belegt. Durch DIN 2137, Teil 11 wird festgelegt, wo die Symbole für die verschiedenen Belegungen ("Umschaltebenen") auf der Tastenoberfläche anzuordnen sind.
Die Norm geht aus von maximal neun Belegungen und teilt die Tastenfläche dafür auf in zwei oder drei Reihen ("Ebenen") und zwei oder drei Spalten ("Gruppen"). Zur formalen Bezeichnung der Positionen auf der Taste dienen zwei durch Schrägstrich getrennte Ziffern. Bei Verwendung von drei Ebenen werden die Symbole der dritten Ebene vorzugsweise auf der Tastenstirnfläche angebracht. Symbole der Gruppe 3 gehören nur zu Spezialanwendungen und belegen gegebenenfalls die mittlere Spalte.

3.2.5.3 Belegung mit Schriftzeichen und Funktionen

DIN 2137, Teil 2 und Teil 6 füllen den von Teil 10 und Teil 11 vorgegebenen Rahmen mit konkreten Empfehlungen aus. Abb. 3-7 zeigt den Vorschlag zu Anzahl, Größe und Anordnung der Tasten in den einzelnen Bereichen mit Positionsbezeichnungen. Abb. 3-9 zeigt die Beschriftung des alphanumerischen Bereichs für drei verschiedene funktionale Ausbaustufen. In der Norm werden sie als "Erweiterungen" bezeichnet:

E0 Grundbelegung (Positionen 1/1 und 1/2)
E1 Erweiterung 1 (zusätzliche Symbole auf 1/3, 2/1 und (selten) 2/2)
E2 Erweiterung 2 (zusätzliche Symbole auf 1/3, 2/1 und (selten) 2/2)
E3 Erweiterung 3 (für Spezialanwendungen; nicht dargestellt!)

Durch die Erweiterungen 1 und 2 werden vor allem die Umschaltebenen 1/3 und 2/1 belegt. Zum Umschalten auf die Alternativbelegungen müssen zusätzliche Tasten gleichzeitig gedrückt sein. Dazu kann aus der Norm folgende Tabelle abgeleitet werden:

Bild gifs/level.gif


Eine Sonderstellung nimmt die Lock-Taste ein, die in ihrer Grundfunktion auch schon bei der Schreibmaschine zu finden war. Man konnte sie in einen mechanisch rastenden Zustand bringen und so dauerhaft auf die 2. Ebene umschalten, bis die Lock-Taste wieder entriegelt wurde. Mit zunehmender Verwendung der Elektronik realisierte man diese Feststellfunktion durch elektrisch rastende Tasten. Den augenblicklichen Umschaltzustand zeigte man durch eine in die betreffende Taste integrierte LED an. Aus Kostengründen (LEDs lassen sich auf Schaltfolien schlecht bestücken) verlegte man diese "Status-LEDs" seit einiger Zeit (leider) an den Rand der Tastatur.
Bei elektrischer Auswertung der Tastenbetätigung kann man die Umschaltebenen auch selektiv verwenden. Die alte "Shift-Lock-Funktion" der Schreibmaschine, bei der alle Tasten in die zweite Ebene umgeschaltet wurden, kann man seitdem durch die wesentlich nützlichere "Caps-Lock-Funktion" ersetzen, bei der nur die Buchstaben umgeschaltet werden. Es hängt vom Anwenderprogramm ab, ob es diese Möglichkeit ausnutzt und ob es dabei auch die deutschen Umlaute erfasst.
Für den Editierbereich gibt es vier Varianten, die sich in der Anordnung der Cursortasten unterscheiden:

Bild gifs/cursor.gif


Für den numerischen Bereich gibt es ebenfalls zwei Varianten. Dazu die Norm wörtlich:
"Der Austausch der Belegungen der Tasten in der Reihe B ("Ziffer Sieben", "Ziffer Acht", "Ziffer Neun") mit den Belegungen der Tasten in der Reihe D ("Ziffer Eins", "Ziffer Zwei", "Ziffer Drei") ist zulässig, wenn diese Anordnung für bestimmte Anwendungen benötigt wird."
Mit dieser etwas weltfremden (ich kenne keine Computertastatur auf der Welt mit der von der Norm bevorzugten Anordnung), aber salomonischen Festlegung kann der alte Streit zwischen Telefon- und Computertastatur in eine neue Runde gehen.
Abb. 3-08 enthält die Belegung der einzelnen Tasten mit ihren Umschaltebenen mit Schriftzeichen und Funktionen. Dabei sind die Schriftzeichen unabhängig von ihrer Darstellung mit einer sprachlichen Definition und einer international vereinbarten Codierung aufgeführt. Außerdem wird dargestellt, ab welcher Erweiterung das Zeichen verwendet wird.
Für die Funktionstasten enthält die Tabelle auch die entsprechenden englischen Ausdrücke sowie die nach ISO 7000, IEC 417 und DIN 30600 genormten Symbole zu ihrer Beschriftung. In Abb. 3-9 sind diese Symbole auf den jeweiligen Tastenpositionen dargestellt.

3.3   Aufbau, Funktion

3.3.1 Gehäuse

Neben einem ansprechenden Aussehen muss das Tastaturgehäuse einen Schutz vor äußeren Einflüssen bieten für die Tasten und die Auswerteelektronik. In einer normalen Büroumgebung sind dies vor allem Stoß und Berührung, für andere Umgebungen und Spezialanwendungen kommt zusätzlich noch der Schutz vor elektromagnetischer Ein- und Ausstrahlung sowie gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Flüssigkeiten aller Art (s. Abschnitt 3.5.2: Extrembedingungen). Der Gehäuseboden sollte ausreichend stabil sein und das Tastenfeld möglichst vollflächig unterstützen, um ein Durchbiegen der Leiterplatte oder der Folie bei Tastenbetätigungen zu vermeiden.
Am weitesten verbreitet ist heute das abgesetzte Tischgehäuse in Pultform mit einer leichten, eventuell verstellbaren, Neigung gegenüber der Tischoberfläche. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Einbauvarianten für Spezialanwendungen:
  • Einbau in die Bedienfläche eines Pultes, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen und Schaltwarten verwendet werden. Häufig werden die Tastaturen dabei mit anderen Bedienelementen kombiniert und mit einer gemeinsamen Frontplatte versehen. Für diese Ausführung hat sich auch der Begriff "Bedienfeld" eingebürgert.

  • Vertikaler Einbau in 19"-Schränke und -Gestelle, die im industriellen Einsatz weitverbreitet sind. Diese Einbauversion ist relativ preiswert, sie belegt jedoch in einem Schrank als Volltastatur mindestens 4 HE ("Höheneinheiten"; 1 HE = 44.5 mm). Außerdem ist die senkrechte Anordnung nicht optimal für die Bedienung. Eine Verbesserung lässt sich erreichen, wenn man die Tastatur schräg in den Schrank hineinbaut. Der Aufbau ist dann zwar aufwändiger, der Bedienkomfort ist jedoch wesentlich höher. Auch eine Beleuchtung von oben lässt sich dabei relativ einfach realisieren.

  • Noch etwas aufwändiger sind Tastaturschubladen, mit denen die waagrecht eingebaute Tastatur bei Nichtbenutzung in den Schrank eingeschoben werden kann. Sie haben den Vorteil des geringeren Platzbedarfs, weil sie (auch in wasserdichter Ausführung) bereits ab 1 HE erhältlich sind.

  • Für tragbare Rechner oder Laptops werden Tastaturen auch oft in Wannen eingebaut, die für den Transport vor die Rechnerfrontplatte bzw. den Bildschirm geklappt werden können und diese dann zusätzlich schützen.

3.3.2 Anschlusskabel

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Tastaturen mit bisher üblichen Schnittstellen. Für USB-Schnittstellen werden spezielle Kabel eingesetzt, die in Abschnitt 11.3.2: USB-Kabel beschrieben sind.
Die meisten abgesetzten Tastaturen sind mit dem Rechner über ein Kabel verbunden. Die Standardlängen liegen dabei zwischen 1.5 und 2.0 m. Häufig werden Spiralkabel verwendet, um den Abstand zum Rechner verändern zu können und trotzdem Kabelgewirr zu vermeiden. Üblich sind bei Tastaturen Kabel mit 3 bis 6 Adern (je nach Schnittstelle) und einem Querschnitt der Einzelader von 0.14 mm2. Zwei Adern dienen der Versorgung mit einer Gleichspannung, üblicherweise zwischen +5 und +24 V. Je nach Schnittstellentyp (Kap. 10: Schnittstellen) werden für die Übertragung zum und vom Rechner 1 bis 4 weitere Leitungen benötigt.
Es gibt auch kabellose Tastaturen, die die Daten über Infrarotsender und -empfänger übertragen. Hoher Anschaffungspreis und ein häufig nötiger Batteriewechsel haben eine weite Verbreitung bisher verhindert.
Für größere Entfernungen zwischen Rechner und Tastatur gibt es Verlängerungskabel. Wird jedoch die Tastatur vom Rechner mit einer geregelten Gleichspannung von +5 V versorgt, wie es z.B. bei PCs allgemein üblich ist, kann es bei Leitungslängen > 5 m Probleme geben. Durch den Spannungsabfall auf der Leitung oder durch eingekoppelte Störungen kann die Versorgungsspannung zeitweise + 4.75 V unterschreiten, was aber bei manchen Schaltkreisen für eine ungestörte Funktion nicht ausreicht. Zur Abhilfe gibt es mehrere Möglichkeiten:
  • Man stellt vom Rechner eine (ungeregelte) Versorgungsspannung von beispielsweise +12 V zur Verfügung (Werte von +9 bis +24 V sind denkbar) und rüstet die Tastatur mit einem Spannungsregler aus, der dann die benötigten +5 V erzeugt.

  • Man verwendet Kabel mit größeren Aderquerschnitten, um den Spannungsabfall auf der Leitung zu verringern.

Auch die Datenleitungen können Probleme bereiten. Gegen zu großen Leitungswiderstand helfen ebenfalls größere Querschnitte oder eine Umsetzung der Daten auf höhere Pegel, bei zu großen Kapazitäten kann man entweder die Übertragungsrate reduzieren oder eine symmetrische Schnittstelle verwenden (Kap. 10: Schnittstellen).
Das Kabel hat auch eine wichtige Funktion für die Abschirmung gegen Ein- und Ausstrahlung. Näheres dazu in Abschnitt 3.5.2: Extrembedingungen.
Als Anschlussstecker waren früher Subminiatur-D-Stecker in 9-, 15- und 25-poliger Ausführung gebräuchlich. Bei PCs sind heute 6-polige Mini-DIN-Stecker, bei älteren Modellen 5-polige Rundstecker nach DIN und bei einzelnen Herstellern 8-polige Mini-DIN-Stecker in Verwendung. Steckerformen und -belegung in Abschnitt 3.7: Beispiele.

3.3.3 Hardware

In den Anfangszeiten der Computertechnik wurden hauptsächlich "passive" Tastaturen verwendet, die nur aus den eigentlichen Tasten bestanden. Für die Auswertung der Kontaktzustände war die Zentraleinheit mit zuständig. Dies ist heute höchstens noch für Spezialanwendungen mit Tastenfeldern bis zu 20 Tasten üblich. Alle anderen Tastaturen sind "aktive" Geräte mit eigener "Intelligenz", d.h. mit einer elektronischen Schaltung, die den Hauptrechner durch eine Vorverarbeitung der Tastenbetätigungen entlastet. Dabei enthalten Standardtastaturen, die in großen Stückzahlen gefertigt werden, meist ASICs oder maskenprogrammierte Ein-Chip-Mikrocontroller. Dies ermöglicht eine preiswerte Herstellung, ist aber durch die damit verbundenen hohen Änderungskosten unflexibel gegenüber Sonderwünschen. Deshalb werden Spezialtastaturen meist mit Standard-8 bit-Mikrocontrollern und externem EPROM oder integriertem Flash-Speicher aufgebaut. Einem höheren Stückpreis steht eine problemlosere Anpassung an kundenspezifische Sonderwünsche gegenüber. Auch die Realisierung von Zusatzfunktionen (LED-Anzeigen, Tastenklick usw.) kann hier durch entsprechende Peripheriebausteine nach Anwenderwünschen erfolgen. Ebenso können durch Verwendung unterschiedlicher Schnittstellentreiber alle möglichen Schnittstellen eingesetzt werden.
Als Sensoren, die den Fingerdruck in ein elektrisches Signal umsetzen, sind drei Typen am weitesten verbreitet:
  • Vollhubtasten mit mechanischen Federkontakten dienen vorwiegend zum Aufbau von Spezialtastaturen. Sie bieten hohe Lebensdauer und eine gute Betätigungscharakteristik (Abschnitt 1.4.7: Kraft-Weg-Diagramm und Abschnitt 3.4.1: Vollhubtastaturen).

  • Folientasten mit Kurzhub oder hubloser Betätigung lassen sich wegen ihrer geschlossenen Folienoberfläche relativ einfach gegen Feuchtigkeit und Schmutz schützen, der Bedienungskomfort ist jedoch eingeschränkt (Abschnitt 3.4.2: Folientastatur).

  • Folienkontakte mit indirekter Betätigung über Vollhubbetätiger (Abschnitt 3.4.3: Folienschalter) erreichen in etwa den Bedienungskomfort der mechanischen Federkontakte und sind in der kompletten Tastatur äußerlich von diesen auch kaum zu unterscheiden. Sie bieten jedoch für Standardtastaturen, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, preisliche Vorteile.

Bei kleinen Bedienfeldern können die Kontakte einzeln an die Auswerteschaltung angeschlossen sein, bei größeren Tastaturen ordnet man sie grundsätzlich in einer Matrix mit Spalten- und Zeilenleitungen an. Eine Ausnahme bilden Tastaturen, die Spezialtechnologien wie etwa Piezotasten oder induktive Tasten verwenden, bei denen eine Matrixanordnung nicht ohne weiteres möglich ist.

3.3.4 Software

Die Aufgaben der Elektronik und des internen Ablaufprogramms lassen sich in drei Gruppen einteilen:

3.3.4.1  Abfrage der Tastenaktivitäten

Für jede Spaltenleitung wird nacheinander folgende Prozedur abgearbeitet: Zunächst wird die betreffende Spaltenleitung aktiviert und gleichzeitig alle anderen deaktiviert. Anschließend werden alle Zeilenleitungen parallel abgefragt. Ein aktives Signal an einer Zeilenleitung bedeutet dann, dass die Taste im Kreuzungspunkt dieser Zeile und der momentan aktivierten Spalte (präziser ausgedrückt: die Taste, die zwischen der aktivierten Spaltenleitung und der aktiv gefundenen Zeilenleitung angeschlossen ist) betätigt ist.
Der Abfragezyklus wird in gewissen Zeitabständen wiederholt. Optimale Werte für diese Zykluszeit liegen zwischen 10 und 20 ms. Sie muss zum einen wesentlich länger sein als die maximale Prellzeit einer Taste, die heute je nach Qualität, Alter und Kontaktzustand zwischen 1 und 5 ms liegt. Dadurch wird eine durch Prellen vorgetäuschte zweimalige Betätigung ausgeschlossen. Andererseits dürfen jedoch sehr kurze Tastenbetätigungen nicht übersehen werden, die bei geübten Schreibern bis 40 ms kurz sein können. Praktisch alle intelligenten Tastaturen realisieren die Tastenentprellung heute per Software. Es sind dafür zwei unterschiedliche Prinzipien geläufig:
  • Bei der einfacheren Methode beträgt die Zykluszeit, d.h. der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Aktivierungen derselben Spalte 10 bis 20 ms. Jeder Tastenzustand wird mit dem entsprechenden Zustand des vorhergehenden Abtastzyklus verglichen. Bei unterschiedlichen Zuständen gilt die Taste als "neu betätigt" oder "neu losgelassen" und löst unmittelbar entsprechende Aktivitäten aus. Die Methode hat den Nachteil, dass kurze Störspitzen auf den Zeilenleitungen fälschlich als Tastenbetätigungen interpretiert werden können. Sie sollte deshalb bei sehr störender Umgebung, z.B. bei örtlich von der Tastenmatrix getrennter Auswerteschaltung, besser vermieden werden.

  • Bei der zweiten Methode werden Zustandsunterschiede aufeinanderfolgender Zyklen nur gültig, wenn der neue Zustand in einem dritten Abfragezyklus bestätigt wird. Dazu müssen jedoch die Zustände aller Tasten für zwei komplette Abfragezyklen zwischengespeichert werden. Da die gängigen 8 bit-Mikrocontroller meist sehr sparsam mit internem RAM ausgestattet sind, kann dies in manchen Fällen durchaus ein Aufwandsproblem darstellen.

Bei schnellem Schreiben kommt es häufig vor, dass eine oder mehrere weitere Tasten gedrückt werden, während die erste noch nicht losgelassen ist. Dies bezeichnet man als überlappende Betätigung oder "Rollover". Kann die Tastatursoftware die überlappende Betätigung zweier Tasten erkennen und in der richtigen Reihenfolge übertragen, spricht man von der Fähigkeit zum "Two-Key-Rollover". Unter "n-Key-Rollover" versteht man die Fähigkeit, beliebig viele und in der Matrix beliebig zueinander angeordnete überlappend betätigte Tasten richtig zu übertragen. Man braucht dazu eine Sperrdiode in Reihenschaltung zu jeder Taste, um die Entstehung sogenannter Geistertasten zu verhindern. Da sich Folien kaum mit Bauteilen bestücken lassen, stößt der Einsatz von Sperrdioden in Folientastaturen auf technische Schwierigkeiten. Man behilft sich mit Matrixanordnungen, die die gleichzeitige Betätigung von drei Tasten unwahrscheinlich macht, und legt z.B. Shift-, Ctrl- und Alt-Tasten in verschiedene Reihen und Spalten, wobei man gleichzeitig die Kreuzungspunkte ihrer Spalten- und Reihenleitungen nicht belegt.

3.3.4.2 Datenverkehr mit dem Rechner

Die ermittelten Tastenaktivitäten werden in eine Form gebracht, die für das mit dem Rechner vereinbarte Schnittstellenprotokoll geeignet ist, und an die Schnittstelle übergeben. Bei manchen Protokollen sind auch Meldungen vom Rechner an die Tastatur vorgesehen: Anzeigezustände, Alarmmeldungen, Parameteränderungen usw. Auch diese Meldungen müssen erkannt und entsprechend bearbeitet werden. Bei geforderter kurzer Reaktionszeit erfolgt die Annahme dieser "Kommandos" meist interrupt-gesteuert.
Bei Texteingabe kommt es häufig vor, dass ein Zeichen mehrmals hintereinander eingegeben werden soll, insbesondere Cursorverschiebung, Leerzeichen usw. Mit der Wiederholfunktion ("Repeat") kann man diese Eingabe vereinfachen. Dazu verwendete man früher eine eigene Repeat-Taste, bei deren Betätigung das zuletzt ausgegebene Zeichen in bestimmten Zeitintervallen (Wiederholzeit) wiederholt ausgegeben wurde, bis diese Taste wieder losgelassen wurde. Bei neueren Tastaturen wird diese Funktion durch eine "Autorepeat"-Funktion ersetzt. Hält man eine beliebige Taste längere Zeit gedrückt (Einsatzzeit), startet die Repeatfunktion und gibt das Zeichen dieser Taste mit der Wiederholrate aus bis zum Loslassen. Um die Repeatfunktion an die Anwendererfahrung anzupassen, können bei neueren PCs Einsatzzeit und Wiederholrate vom Rechner aus verändert werden. Wichtig ist auch, dass man einzelne Tasten, deren wiederholte Betätigung gefährliche Zustände erzeugen könnte, von der Wiederholfunktion ausschließen kann.

3.3.4.3 Zusatzfunktionen

Folgende zusätzliche Funktionen können manchmal Aufgabe der Tastaturelektronik sein:
  • Ansteuerung von LEDs zur Anzeige bestimmter Statusmeldungen, z.B. Capslock, Numlock usw.

  • Ansteuerung alphanumerischer Anzeigeeinheiten für die Textausgabe von Statusmeldungen oder die Editierung von Zeichenfolgen programmierbarer Tasten. Die Grenzen zum kompletten Terminal sind hier fließend.

  • Akustische Signalgeber für Tastenklick oder Alarmmeldungen.

  • Zusätzliche Eingabegeräte wie Maus, Rollkugel, Barcodeleser und Magnetkartenleser können meist auch indirekt über die Tastatur an den Rechner angeschlossen werden. Die Tastaturelektronik kann dann die Vorverarbeitung der Rohdaten oder eine Schnittstellenwandlung übernehmen. Gleichzeitig kann am Rechner eine Schnittstelle eingespart werden. Die Daten der Zusatzgeräte wirken dann wie eine Folge von Spezialtastenbetätigungen.

3.3.5 Schnittstellen

Eine ausführlichere und allgemeine Beschreibung der gängigen Peripherieschnittstellen folgt im zweiten Teil dieses Buches. Bei Tastaturen kommen derzeit hauptsächlich die IBM-Schnittstelle (in den Varianten AT und PS/2 s. Abschnitt 3.7.1: MF2-Tastatur) und mit steigender Tendenz USB zum Einsatz.
IrDA und herstellerspezifische Infrarotschnittstellen sowie auch Bluetooth kämpfen weiter mit dem Problem der Stromversorgung, für die entweder doch ein Kabel oder Batterien (mit begrenzter Lebensdauer) benötigt werden.
In industriellen Anwendungen trifft man auch noch auf weitere serielle Schnittstellen nach RS232C, RS422 oder Stromschleifen. Dabei werden im Fall der RS232C meist nur 4 Leitungen verwendet: Sendedaten, Empfangsdaten, Masse und eine unbenutzte Schnittstellenleitung, über die die Tastatur aus dem Rechner versorgt wird.
Spezielle Ausprägungen werden in Abschnitt 3.7: Beispiele bei den einzelnen Tastaturtypen beschrieben.

3.3.6 Weiterverarbeitung im Rechner

Bei der klassischen Methode älterer Rechner werden von der Tastatur Zeichen übertragen, die die Bedeutung von Schrift-, Sonder- oder Steuerzeichen haben, wie sie z.B. im häufig verwendeten ASCII (American Standard Code for Information Interchange; s. Anhang A.2) mit 7 bit pro Zeichen festgelegt sind. Die Umschaltung der Codeebenen in Abhängigkeit von betätigten Umschalttasten erfolgt in der Tastatur. Die Erzeugung einer Zeichenfolge ("String") kann durch die Tastaturelektronik bewirkt werden. Da die Rechner zur internen Speicherung und zur Ausgabe meist dieselbe Codierung verwenden, beschränkt sich die Bearbeitung der ankommenden Tastaturdaten auf eine Pegelwandlung, Umsetzung der seriellen Daten in ein paralleles Format und die Ablage in einen Textspeicher, eventuell mit einer Zwischenpufferung. Eine Umlegung oder Umprogrammierung einzelner Tasten ist mit beträchtlichem Aufwand in der Tastatur (z.B. durch den Einsatz löschbarer, nichtflüchtiger Speicher) oder im Rechner verbunden.
Bei den meisten neueren Rechnern ist es dagegen üblich, die Tasten durchzunummerieren, und bei Betätigung ein Codewort für die Nummer dieser Taste zu übertragen ("Make-Code"). Die Umcodierung je nach Umschaltebene erfolgt erst im Rechner. Zumindest für die Umschalttasten wird außer dem Make-Code beim Loslassen ein "Break-Code" übertragen, damit der Rechner die Zustände dieser Tasten mitverfolgen und die Umcodierung der verschiedenen Ebenen steuern kann.
Diese Verarbeitung wird in einer Hardware-Funktionseinheit vorgenommen, die als "Tastaturcontroller" bezeichnet wird. In älteren Rechnern stand dafür ein spezielles IC zur Verfügung, heute sind die Tastaturcontroller oft mit anderen Funktionen in einem ASIC integriert.
"Tastaturtreiber" heißt der Teil des Betriebssystems, der für die Tastaturbehandlung zuständig ist. Es ist möglich, den mitgelieferten durch einen eigenen Treiber zu ersetzen. Man kann dadurch Tastenbelegungen ändern (länderspezifische Umlegungen, anwenderspezifische Belegung von Funktionstasten) und für deren nichtflüchtige Speicherung die Ressourcen des Rechners verwenden. Auch die Erzeugung von Strings ist durch eine Anpassung des Treibers unter Softwarekontrolle relativ einfach realisierbar.

3.4   Technologie

Nach der Art der mechanisch-elektrischen Umsetzung kann man die Tastaturen in Typen einteilen. In diesem Abschnitt werden Aufbau und Eigenschaften der gebräuchlichsten gegenübergestellt. Jede Einzelbeschreibung gliedert sich in

Aufbau Prinzipielle Wirkungsweise
Problematik Schwachstellen und ihre möglichen Verbesserungen
Vorteile Spezielle Einsatzgebiete
Schutz Verhalten bei härteren Umgebungsbedingungen
Varianten Ähnliche Typen mit geringerer Verbreitung

3.4.1 Vollhubtastatur mit Einzeltasten

    Aufbau

Bei der klassischen mechanischen Tastatur werden Einzeltasten mit mechanischen Federkontakten nebeneinander auf einer Leiterplatte bestückt und verlötet. Je nach Platzangebot imTastaturgehäuse und Platzbedarf der Auswerte- und Schnittstellenelektronik wird diese mit auf der Tastenplatine oder auf einer getrennten Leiterplatte untergebracht. Eine Einzeltaste (s. Abschnitt 1.4: Mechanische Tasten) besteht meist aus einem Kunststoffgrundkörper und darin montierten Kontaktfedern, meist einer Sperrdiode und manchmal einer Leuchtdiode zur Zustandsanzeige. Ein beweglicher Schieber bewegt beim Niederdrücken die Kontaktfedern aufeinander zu. Eine Rückholfeder bringt ihn beim Loslassen wieder in die Ausgangsstellung, die durch einen Deckel als Anschlag festgelegt wird. Das obere Ende des Schiebers nimmt den beschrifteten Tastenknopf auf. Für die meist lösbare Knopfaufnahme sind zwei Prinzipien verbreitet: Bei der "Schnappaufnahme" greifen zwei Schnappnasen des Knopfes in zwei Nuten des Schiebers ein, bei der "Kreuzaufnahme" wird ein kreuzförmiges Profil des Schiebers in eine kreuzförmige Nut des Knopfes gepresst (gelegentlich auch umgekehrt). Die Aufnahme muss den Knopf gegen Kippen, Drehen und versehentliches Lösen sichern.

    Problematik

  • Verbindung Taste - Leiterplatte:
    Durch ungenügende mechanische Fixierung beim Löten ergeben sich mehrere Probleme:
    • Schlechtes Aussehen durch verdrehte, gekippte oder verschobene Tastenunterteile

    • Mechanische Belastung der Lötstellen bei außermittiger Betätigung

    Abhilfe: Der Tastenkörper wird mit zusätzlichen Führungsstiften versehen, die in angepasste Bohrungen der Leiterplatte eingepresst werden und so die Taste beim Löten zuverlässig fixieren. Die Anschlüsse werden möglichst symmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet.

  • Leiterplatte
    Bei jeder Tastenbetätigung wird die Leiterplatte leicht durchgebogen. Auf Dauer können dadurch Lötstellen oder Leiterbahnen abreißen.
    Abhilfe: Man verwendet Leiterplatten mit 2.0 oder 2.5 mm Stärke und stützt sie an mehreren Stellen oder vollflächig gegen einen stabilen Gehäuseboden ab.

  • Schieberführung
    Bei außermittiger Tastenbetätigung wird die Schieberführung stark belastet und verschleißt zu schnell. Insbesondere bei breiten Knöpfen wird die Lebensdauer dadurch stark reduziert.
    Abhilfe: Man stattet breite Knöpfe mit einer Drahtbügelführung aus, die die Kippkräfte aufnimmt. Wenn dies nicht möglich ist, reduziert man die Betätigungsfläche auf die eines Einfachknopfes ("Schulterknopf", "Flügelknopf").

  • Verbindung Schieber - Knopf
    Für diese (lösbare) Verbindung werden minimale und maximale Abzugskräfte gefordert. Auch durch Stoß und Vibration dürfen sich die Knöpfe nicht versehentlich lösen. Die Abmessungen der beiden Kunststoffteile müssen deshalb sehr gut aufeinander abgestimmt sein. Bei höheren Temperaturen treten jedoch bleibende Verformungen auf, die die Abzugskräfte stark reduzieren können. Bei den üblicherweise verwendeten Materialien tritt dieser Effekt bereits ab etwa 70° C auf und begrenzt die zulässigen Lager- und Betriebstemperaturen dieses Tastaturtyps.

  • Schutz vor Umgebungseinflüssen
    Durch Eindringen von Staub, Schmutz und Feuchtigkeit können Kontakte und elektronische Bauteile beeinträchtigt oder zerstört werden.
    Abhilfe: Eine wirksame Abdichtung wird ermöglicht durch eine flexible, gelochte Dichtmatte, die jeden Schieber mit einer eigenen Dichtlippe umgibt. Herstellung und Einbau sind nicht unproblematisch und können die Tastatur beträchtlich verteuern (s. Abschnitt 3.5.2: Extrembedingungen). Als preiswertere Alternative kann man auch eine geprägte Folie über die Bedienfläche legen oder spannen. Sie beeinträchtigt jedoch Betätigungscharakteristik und Tastgefühl erheblich.


    Vorteile

  • Tasten mit Druckpunkt und Knöpfe mit Fingerführung ermöglichen eine ergonomische Bedienung

  • Austauschbarkeit defekter Tasten erhöht die mögliche Einsatzzeit

  • Austauschbarkeit der Knöpfe ermöglicht flexible Anordnung.


    Varianten

Ähnliche Probleme und Vorteile haben kontaktlose Vollhubtastaturen. Zuverlässigerer Betrieb und längere Lebensdauer der Einzeltasten werden durch höhere Herstellkosten erkauft. Im Einsatz sind induktive und Halleffekt-Tasten.

3.4.2 Folientastatur

    Aufbau

Aufbau und Begriffsbestimmungen sind nach DIN 42115 ("Folienschalter") genormt. Das Grundelement aller Folientastaturen ist das "Folientastfeld". Es besteht aus drei miteinander verklebten Folien: Kontaktträger, Distanzhalter und Kontaktfolie.
Die Kontaktträgerfolie als unterste Schicht ist auf ihrer Oberseite mit einem leitfähigen Muster aus Kontaktelementen und Anschlussbahnen bedruckt. Sie enthält auch die Anschlüsse zur Auswerteelektronik. Im Bereich der zur Betätigung vorgesehenen "Tastflächen" enthält die Kontaktfolie als oberste Schicht ebenfalls leitfähige Muster, allerdings auf ihrer Unterseite. Die Distanzhalterfolie trennt im Ruhezustand die beiden Kontaktfolien, im Bereich der Tastflächen hat sie Durchbrüche. Bei Betätigung der Tastfläche wird die Kontaktfolie soweit durchgedrückt, dass sie den Kontaktträger berührt und dadurch eine Zeilen- mit einer Spaltenleitung verbindet. Nach dem Ende der Betätigung nimmt die elastische Kontaktfolie ihre Ausgangsstellung wieder an.
Durch eine Stützplatte unter dem Kontaktträger und durch eine Dekorfolie über der Kontaktfolie wird aus dem Folientastfeld eine komplette Folientastatur. Manchmal sind die beiden Funktionen Stützplatte und Kontaktträger in Form einer starren Leiterplatte zusammengefasst, meist werden jedoch glatte Bleche oder Kunststofftafeln als Stützplatten verwendet. Oft werden auch Dekorfolie und Kontaktfolie kombiniert, indem beide Seiten einer Folie bedruckt werden.

    Problematik

  • Leitungsführung:
    Größere Tastenfelder in Matrixanordnung können nicht einseitig entflochten werden.

    Abhilfe:
    • Der Kontaktträger enthält einen Teil der Matrix, z.B. die Spaltenleitungen, die Kontaktfolie den anderen Teil, z.B. die Zeilenleitungen. Die beiden Folien werden getrennt an die Auswerteelektronik angeschlossen (aufwändig!). Bei Betätigung einer Tastfläche wird eine Spaltenleitung mit einer Zeilenleitung verbunden.

    • Der Kontaktträger enthält sämtliche Anschlüsse und Leitungen, die Kontaktfolie nur leitende Flecken zur Überbrückung bei Betätigung. Um Kurzschlüsse an den unvermeidlichen Kreuzungspunkten von Zeilen- und Spaltenleitungen zu vermeiden, wird in drei Schritten bedruckt:

      • Zeilenleitungen

      • Isolierflächen an den Kreuzungspunkten

      • Spaltenleitungen


    • Die Kontaktträgerfolie wird durch eine zweiseitige, durchkontaktierte Leiterplatte ersetzt.


  • Fehlende Fingerführung

  • Fehlender Druckpunkt
    Abhilfe: Beide Probleme können durch entsprechende Prägung der Dekorfolie verringert werden, die Lebenserwartung der Tastatur geht jedoch dadurch stark zurück. Bei kombinierter Dekor- und Kontaktfolie dürfen keine Leiterbahnen in den Prägebereichen angeordnet werden; sie könnten beim Prägen oder nach relativ wenigen Betätigungen abreißen.

  • Die Klebeverbindung der Folien wird stark beansprucht, wenn sich bei Tastenbetätigung der Luftdruck im Bereich zwischen den Folien erhöht.
    Abhilfe: Zusätzliche Luftausgleichskammern

  • Bei Betätigung wird die Kontaktfolie über die (scharfe) Kante des Distanzhalterausbruchs gezogen. Bei einem Bruch der Folie an einer Stelle ist die Tastatur komplett zerstört und kann nicht mehr repariert werden.
    Abhilfe: Die Elastizität der Kontaktfolie, die Dicke des Distanzhalters und die Größe der Betätigungsfläche werden aufeinander abgestimmt. Als gravierender Nachteil ergibt sich daraus, dass alle Betätigungsflächen einer Tastatur etwa gleich groß sein müssen, auch bei Doppel- und Mehrfachtasten.

  • Siebdruckfarbe beeinträchtigt auf Dauer die Elastizität der Dekorfolie
    Abhilfe: Man hat die chemische Zusammensetzung der Farbe verbessert, stößt allerdings durch andere Anforderungen an Grenzen.

  • Fingernägel verformen oder beschädigen die Dekorfolie.
    Abhilfe: Widerstandsfähigeres Folienmaterial, das jedoch meist weniger elastisch ist.

  • Elektronische Elemente sind im Tastenbereich nicht integrierbar, dadurch sind Status-Anzeigen in Tastennähe sowie n-key-Rollover-Betrieb nicht möglich (Abschnitt 3.3.4: Software).
    Abhilfe: Statusanzeigen werden an den Rand der Tastatur verlegt, die Verteilung der Tasten auf Spalten und Zeilen wird so vorgenommen, dass eine gleichzeitige Betätigung sich störender Tasten unwahrscheinlich wird.

  • Hublose Betätigung ist für häufiges und schnelles Schreiben nicht akzeptabel.


    Vorteile

  • Große Tastaturen lassen sich preiswert herstellen.

  • Die glatte, geschlossene Oberfläche schützt gut gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung.

  • Die flache Bauweise reduziert den Platzbedarf.


3.4.3 Tastatur mit Folienschaltern

    Aufbau

Bei dieser Version wird die Dekorfolie einer Folientastatur ersetzt durch eine Montageplatte, die einzelne Vollhub-Betätigungselemente aufnimmt. Äußerlich unterscheidet sie sich nicht von einer mechanischen Vollhubtastatur. Auch eine taktile Rückmeldung lässt sich durch konstruktive Gestaltung der Betätigungselemente erreichen. Die Betätiger enthalten Rückstellfedern und Schieber zum Kontaktieren des darunterliegenden Folientastfeldes.

    Problematik

  • Schieberführung und außermittige Bedienung - wie bei mechanischen Tastaturen

  • Knopfaufnahme temperaturempfindlich - wie bei mechanischen Tastaturen

  • Schlechter Schutz gegen Umwelteinflüsse
    Abhilfe:Im Gegensatz zu den mechanischen Tastaturen sind hier nur die elektronischen Bauelemente durch Schmutz und Feuchtigkeit gefährdet. Man kann sie kapseln oder vergießen.

  • Luftdruckerhöhung - wie bei Folientastaturen

  • Folienbruch - wie bei Folientastaturen

  • Statusanzeige und n-key-Rollover - wie bei Folientastaturen


    Vorteile

  • Kompromiss zwischen mechanischen und Folientastaturen

  • billiger als mechanische Tastaturen

  • ergonomischer als Folientastaturen.


3.4.4 Piezo-Tastatur

    Aufbau

Der Grundaufbau entspricht dem der Folientastatur. Die Luftkammern sind jedoch mit Piezoscheiben bestückt, die bei mechanischem Druck eine elektrische Spannung an ihren Anschlüssen erzeugen.

    Problematik

  • Die Piezoscheiben sind sehr zerbrechlich
    Abhilfe: Die Tastatur muss mechanisch so stabil aufgebaut werden, dass die Piezoscheiben nicht auf Biegung beansprucht werden.

  • Bei Verbiegung, Verwindung, Schock oder Vibration können Betätigungen vorgetäuscht werden.
    Abhilfe: Der mechanische Aufbau muss sehr stabil und vibrationssicher ausgeführt werden.

  • Benachbarte Tasten können versehentlich mit ansprechen, insbesondere wenn ihre Schwelle niedriger liegt als die der gerade betätigten Taste.
    Abhilfe: Frontelemente müssen so konstruiert werden, dass die seitliche Druckkomponente möglichst klein wird.

  • Eine Matrixanordnung ist nicht möglich. Durch die getrennte Aufbereitung jeder einzelnen Taste wird die Auswerteschaltung aufwändig.

  • Hublose Betätigung: Ergonomisch nicht besser als Folientastaturen.

  • Bei Bruch einer Folie oder einer Piezoscheibe kann die Tastatur nicht mehr repariert werden.


    Vorteile

  • Der Druck wirkt auch noch durch dicke, starre Frontplatten, die aus Kunststoff oder Aluminium bestehen können. Dies ermöglicht die Herstellung sehr robuster ("vandalensicherer") Tastaturen.

  • Piezotastaturen sind noch besser gegen Schmutz und Flüssigkeiten geschützt als Standard-Folientastaturen.

  • Die Kontaktfolie wird bei Betätigung nicht bewegt. Dadurch entfallen Folienbruch und Beschädigungen durch erhöhten Luftdruck.


3.4.5 Flacheingabesystem

    Aufbau

Mechanische Kurzhubtasten mit ebener Oberfläche sind einzeln auf einer Leiterplatte bestückt. Lücken zwischen den Tasten werden durch eine Abdeckplatte oder durch einzelne Füllstücke geschlossen. Die gesamte Anordnung wird mit einer Dekorfolie versehen, dadurch schaut sie von außen aus wie eine Folientastatur. Flacheingabesysteme sind genormt in drei unterschiedlichen Bauhöhen: 8.9 mm, 16.4 mm und 22.5 mm Abstand zwischen Leiterplatte und Dekorfolie.

    Problematik

  • Dekorfolie ist nur bedingt kratzfest - wie bei Folientastatur

  • Keine Fingerführung - wie bei Folientastatur

  • Die Dekorfolie wird beim Betätigen mitbewegt. Dadurch ist der Tastenhub auf einen ergonomisch unbefriedigenden Wert von 0.3 ... 0.5 mm begrenzt.

  • Aufbau mit diskreten Tasten ist aufwändig - wie bei mechanischer Vollhubtastatur


    Vorteile

  • Staub- und wasserdicht - wie Folientastatur

  • Tasten austauschbar - wie Vollhubtastatur

  • Gute Kombinationsmöglichkeiten mit punktförmigen und flächigen Anzeigeelementen

  • Bauhöhe niedriger als Vollhub-, höher als Folientastatur.


3.4.6 Schaltmatte

    Aufbau

Über einer Leiterplatte mit Kontaktmustern und Leiterbahnen wird eine speziell geformte flexible "Gummimatte" aus Silikonkautschuk angebracht. Diese Matte ist über jedem Kontaktbereich domartig ausgestülpt. Die Kuppel jedes Doms enthält auf der Innenseite eine einvulkanisierte Scheibe aus leitfähigem Material, meist Leitgummi oder Graphit. Beim Niederdrücken des Doms überbrückt diese Scheibe die Kontakthälften auf der Leiterplatte. Die Elastizität der Matte bringt die Anordnung nach dem Loslassen wieder in die Ausgangsposition. Die Oberfläche der Matte ist bedruckbar, bei speziell geformten Domen lassen sich auch zusätzliche Tastenknöpfe aufstecken.

    Problematik

  • Durch hohe Werkzeugkosten ist eine Herstellung nur in größeren Stückzahlen wirtschaftlich. Weite Verbreitung haben Schaltmatten bei Taschenrechnern und Telefonen gefunden.

  • Da die Dome seitlich nicht geführt werden können, ergibt sich eine unangenehme Bediencharakteristik.


    Vorteile

  • Billige Herstellung pro Stück

  • Staub- und wasserdicht

  • Gut geeignet für Tastaturen mit besonders kleinen Abmessungen


3.5   Tastaturen für erhöhte Anforderungen

Standardtastaturen sind ausgelegt für den Betrieb in Büroumgebung und die dabei auftretenden Bedingungen bezüglich Feuchtigkeit, Verschmutzung, Temperatur und elektromagnetischen Störungen. Eine Mindestlebensdauer von ca. 8 Jahren sollte gewährleistet sein. Für höhere Anforderungen ergeben sich durch die nötigen konstruktiven Maßnahmen höhere Herstellkosten. Bei der Abwägung spielt nicht nur das Verhältnis Lebensdauer/Anschaffungspreis eine Rolle, sondern auch die Folgekosten von Eingabefehlern und Totalausfällen müssen mit berücksichtigt werden.

3.5.1 Lebensdauer und Zuverlässigkeit unter Normalbedingungen

Die Lebensdauer einer Einzeltaste wird angegeben in Schaltzyklen bis zum Totalausfall. Man unterscheidet zwei Begriffe:
  • Mittlere Lebensdauer MCTF (mean cycles to failure)

  • Mindestlebensdauer GCTF (guaranteed cycles to failure)

Bewertet man Bedienungshäufigkeit und verschiedene Anwendungsklassen, erhält man daraus den geläufigeren Begriff Mittlere Lebenszeit MTTF (mean time to failure)
Dieser Wert gilt zunächst für eine einzelne Taste. Fasst man mehrere Tasten zu einer Tastatur zusammen, muss man die Buchstabenhäufigkeit der eingegebenen Texte berücksichtigen, um einen Gesamtwert zu erhalten:
  • Mittlere Lebenszeit MTTF (mean time to failure) (für nicht reparierbare Folientastaturen)

  • Mittlerer Ausfallabstand MTBF (mean time between failure) (für reparierbare Tastaturen aus Einzeltasten)

Die Lebensdauer mechanischer Tasten hängt ab von ihrer konstruktiven Gestaltung. Insbesondere müssen folgende Punkte beachtet werden:
  • Abriebfestigkeit zueinander bewegter Teile

  • Kerbschlagfestigkeit der Teile, die beim Anschlag und beim Zurückfedern beansprucht werden.

  • Wechselbiegefestigkeit der Kontaktfedern

  • Materialwanderung an den Kontakten

Stand der Technik sind derzeit
  • 50 x 106 Betätigungen MCTF

  • 20 x 106 Betätigungen GCTF

Für Folientastaturen spielen andere Parameter eine Rolle:
  • Dauerelastizität der Dekor- und Kontaktfolien unter verschiedenen Bedingungen

  • Mechanische Festigkeit der Dekorfolie (Fingernägel usw.)

  • Chemische Beständigkeit der Dekorfolie (Fingerschweiß usw.)

  • Sicherheit der Kontaktfolie gegen Folienbruch durch scharfkantige Durchbrüche im Distanzhalter

  • Beständigkeit und Dauerelastizität der Kleber.

Erreichbar sind derzeit über 2 x 106 Betätigungen MCTF.

Neben der Lebensdauer spielt als weitere Größe für die Qualitätsbeurteilung die Zuverlässigkeit eine wesentliche Rolle. Sie wird definiert als Kehrwert der Fehlerhäufigkeit. Für hohe Zuverlässigkeit müssen bei mechanischen Tasten hauptsächlich Kontaktmaterial und Kontaktfedern optimiert werden:

Gegen Oxidbildung: Kontakte mit Goldoberfläche
Gegen Schmutz: Staubdichte Kapselung; Selbstreinigung durch schleifende Kontaktgabe
Für kurze Prellzeit: Federnde Lagerung beider Kontakte
Für Ausfallsicherheit: Mehrfachkontaktierung: Zwillingskontakte bei Federkontakten, kamm- oder netzförmige Kontaktflächen bei Folientastaturen.

3.5.2 Lebensdauer und Zuverlässigkeit unter Extrembedingungen

Dazu zunächst ein Zitat aus einer Produktpräsentation eines Herstellers:
Eine Metallbodenplatte gibt dem Tischmodell Stabilität auch bei hohem Seegang. Erste Anwendung findet das Eingabegerät in Überwachungsstationen in der australischen Wüste... Trotz Funkverkehrs ist sie sogar in Umgebungen mit giftigen Dämpfen einsetzbar.
Doch nun wieder ernsthaft:
Folgende Beeinträchtigungen können auf eine Tastatur einwirken oder von ihr ausgehen:

    Feste Stoffe

Staub, Schmutz, Metallspäne

    Nicht aggressive Flüssigkeiten:

Wasser, Kaffee, Cola
Für die Beurteilung der Beeinträchtigung durch feste Stoffe und Wasser gibt es eine internationale Klasseneinteilung (IP: International Protection Class), die in Deutschland als DIN 40050 übernommen wurde. Die Klasseneinteilung besteht aus zwei Ziffern, die erste bezieht sich auf den Schutz gegen Fremdkörper, die zweite auf den Schutz gegen Wasser. Bei Tastaturen werden folgende Schutzklassen häufig verwendet:

IP 20 Fremdkörper > 12 mm kein Wasserschutz
IP 54 schädliche Staubablagerung Spritzwasser aus allen Richtungen
IP 65 staubdicht Schutz gegen Spritzwasser
IP 67 staubdicht Schutz gegen Untertauchen (1 m Wassersäule)

    Aggressive Flüssigkeiten:

Öl, Benzin, Bremsflüssigkeit
Über die Beständigkeit gegen "Chemikalien" sagt die IP-Schutzklasse nichts aus. Sie muss zwischen Anwender und Hersteller von Fall zu Fall geklärt werden.

    Gase

Elektrische Geräte, darunter auch Tastaturen, dürfen in explosiver Atmosphäre nur betrieben werden, wenn sie explosionsgeschützt oder "eigensicher" sind. Auch hier gibt es eine Klasseneinteilung mit verschiedenen Anforderungsstufen; den Rahmen gibt die europäische Richtlinie ATEX 100a vor, die nach einer längeren Übergangszeit seit Mitte 2003 verbindlich ist und inzwischen auch in deutsches Recht umgesetzt wurde.:
  • "Explosionsgeschützt" ist ein Gerät, wenn es so abgedichtet ist, dass die explosive Atmosphäre an keine erwärmten oder funkenbildenden Stellen des Gerätes gelangen kann und wenn es antistatisch umhüllt ist (gasdichtes Metallgehäuse).

  • Bei "eigensicheren" Geräten haben die Gase zwar Zutritt, Energie von Zündfunken oder Lichtbögen reichen jedoch auch im Fehlerfall nirgends aus, um eine Zündung hervorrufen zu können. Die entsprechenden Grenzwerte der Norm EN 50020 bezüglich Spannung, Strom, Leistung und Kapazität lassen sich bei Tastaturen relativ leicht einhalten. Etwas problematischer scheint zunächst die Forderung einer Maximaltemperatur von 85°C für alle denkbaren Gase (Temperaturklasse T6). Betrachtet man jedoch die Tabelle genauer, stellt man fest, dass die Klasse T5 leer ist und T6 nur ein einziges (toxisches) Gas enthält. Der Grenzwert von 135°C für Klasse T4 ist dagegen mit akzeptablem Aufwand realisierbar.

Eigensicherheit kann bei allen möglichen Tastaturtypen erreicht werden, Explosionsschutz ist nur bei Piezotastaturen vorstellbar.

    Mechanische Kräfte

Auch bei Standardtastaturen ist es wünschenswert, dass sie mechanische Beanspruchungen (z.B. Fall vom Schreibtisch) ohne größere Schäden überstehen. Das Verhalten hierbei wird durch die Größen Schock- und Schwingungsfestigkeit beschrieben. Besonders robuste Tastaturen bezeichnet man als "vandalensicher", wobei dieser Begriff nicht genau definiert ist. Im allgemeinen versteht man darunter, dass durch menschliche Gewalteinwirkung ohne Werkzeug (z.B. durch Faustschläge oder Fußtritte) keine Schäden entstehen dürfen. Auch Tastenknöpfe dürfen ohne Werkzeug nicht abziehbar sein.
Als ersten Versuch einer Objektivierung definiert DIN EN 50102 Schutzgrade für mechanische Beanspruchungen und Prüfverfahren dazu. Tastaturen, die nach einer der IK-Schutzklassen der folgenden Tabelle klassifiziert sind, müssen nach einer 5-maligen Beanspruchung mit den angegebenen Werten (Normhammer * Fallhöhe) noch voll funktionsfähig sein.

Klasse Einwirkung = Masse * Fallhöhe
IK 01 0.15 J 150 g 10 cm
IK 02 0.20 J 200 g 10 cm
IK 03 0.35 J 250 g 15 cm
IK 04 0.50 J 250 g 20 cm
IK 05 0.70 J 350 g 20 cm
IK 06 1.0 J 250 g 40 cm
IK 07 2.0 J 500 g 40 cm
IK 08 5.0 J 1250 g 40 cm
IK 09 10.0 J 2500 g 40 cm
IK 10 20.0 J 5000 g 40 cm

    Temperatur

Für Standardtastaturen rechnet man mit Umgebungstemperaturen von 0° C bis 50° C bei Betrieb und -20° C bis 60° C für Lagerung und Transport. Für tiefere Betriebstemperaturen muss man geeignete Halbleiterbauelemente und für die bewegten Teile entsprechende Schmiermittel einsetzen. Temperaturen bis -40° C sind auf diese Weise erreichbar.
Nach oben wird der Temperaturbereich begrenzt durch Veränderungen an den beteiligten Kunststoffen. Bei Vollhubtastaturen können bereits ab ca. 70° C Verformungen der Tastenknöpfe auftreten, ihr Festsitz ist dann nicht mehr gewährleistet.
Bei Folientastaturen spielt die Verformung der Folien und die Ausdehnung der Luftkammern eine Rolle.

    Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Auch bei Tastaturen werden Maßnahmen gegen die Beeinträchtigung durch Elektromagnetismus immer wichtiger. Zu unterscheiden sind leitungsgeführte und Strahlungsbeeinflussungen.
Bei den leitungsgeführten spielt die elektrostatische Entladung (ESD electrostatic discharge) die größte Rolle. Als Grenzwert wird eine Spannung angegeben, gemessen gegen Masse, 0 V oder Schirmung. Beim Prüfen wird sie an alle Stellen angelegt, die von außen mit einem "Normfinger" berührbar sind. Sie darf dabei keine Störung oder gar Zerstörung der Tastatur verursachen. Erreichbar sind bei Vollhubtastaturen Werte zwischen 8 und 12 kV je nach konstruktiver Ausführung der Tastenknöpfe und Führung der Leiterbahnen, bei Folientastaturen hängen die Werte nur ab von Material und Dicke von Dekor- und Kontaktfolie.
Bei Strahlungsbeeinflussungen müssen extern erzeugte Einstrahlungen berücksichtigt werden, die die Funktion der Tastatur stören können, sowie Ausstrahlungen, durch die die Tastatur Geräte in ihrer Umgebung beeinträchtigen kann. Da für beide Richtungen die gleichen konstruktiven Schutzmaßnahmen wirksam sind, werden zur Beurteilung meist nur Abstrahlmessungen durchgeführt. Je nach Anwendungsbereich sind unterschiedliche Messverfahren und verschieden strenge Grenzwerte festgelegt. Für Büro- und viele Industrieumgebungen reicht die Erfüllung der Grenzwerte nach VDE 0871 Klasse B. Strenger sind die Anforderungen nach MIL-Std. 461 B, die für militärische Anwendungen erreicht werden müssen. Die härtesten Bedingungen müssen für die sogenannte "Tempest-Norm" erfüllt werden, die zur Beurteilung der Abhörsicherheit dient.
Computer-Tastaturen sind keine eigenständigen Geräte. Abstrahlmessungen und Zulassungen können deshalb nur in Verbindung mit dem zugehörigen Rechner durchgeführt werden. Zur Einhaltung der Grenzwerte sind jedoch tastaturseitig einige konstruktive Maßnahmen möglich:
  • Gehäuse:
    Der Gehäuseboden sollte aus Metall bestehen oder aus Kunststoff mit einer Innen-Metallbeschichtung. Für weniger strenge Anforderungen reicht es aus, eine Multilayer-Platine zu verwenden und ihre oberste Schicht als Abschirmlage ringsum leitend mit dem Boden zu verbinden. Für strengere Grenzwerte verwendet man für diese Abschirmlage ein separates Blech mit möglichst kleinen Löchern im Bereich der Tastenschieber. Es wird unter den Tastenknöpfen, aber so hoch angeordnet, dass es zusammen mit dem Gehäuseboden einen Faraday'schen Käfig bildet, in dem alle elektronischen Komponenten sowie alle metallischen Teile der Tasten eingeschlossen sind.
    Bei Folientastaturen verwendet man eine rückseitige Bedampfung der Dekorfolie mit leitendem Material.

  • Kabel:
    Da die Tastatur elektrisch mit der Außenwelt verbunden wird - Glasfaserübertragung wäre hier ideal, allerdings können die weiterhin nötigen Leitungen für die Spannungsversorgung auch abstrahlen - müssen Kabel und Anschlussstecker in den Abschirmkäfig mit einbezogen werden. Da diese beiden Komponenten meist die EMV-Schwachstelle einer Tastatur darstellen, lohnt es sich, hier einen gewissen Aufwand zu treiben. Die Kabelabschirmung sollte aus einzelnen Kupferdrähten bestehen, die alle inneren Adern als schlauchförmiges Geflecht umgeben. Ein glattes Kabel ist zu bevorzugen, da durch eine Wendelung die unvermeidlichen Lücken zwischen den Kupferdrähten noch vergrößert werden. Sehr wichtig ist auch die Verbindung vom Kabelschirm zur Gehäusemetallisierung. Sie sollte ohne Lücken und so kurz wie möglich ausgeführt werden.


3.6   Besonderheiten der Herstellung

In diesem Abschnitt sollen nicht die mechanischen und elektrischen Standardmethoden des Gerätebaus beschrieben werden. Vielmehr werden für zwei Bereiche, Gehäuse und Knopfbeschriftung, verschiedene bei der Tastaturfertigung typische Herstellverfahren einander gegenübergestellt.

3.6.1 Gehäuse

Metallgehäuse spielen bei der Herstellung von Tastaturen eher eine untergeordnete Rolle. Sie werden nur für Spezialzwecke eingesetzt, beispielsweise wenn elektromagnetische Verträglichkeit nach MIL-Standard, Schutzgrad nach IP 65 oder Vandalensicherheit gefordert werden, und dann meist aus Aluminiumdruckguss gefertigt.
Die meisten Tastaturgehäuse bestehen aus Kunststoff. Von den unterschiedlichen Verfahren sollen hier die vier gebräuchlichsten herausgegriffen werden, die abgesehen von kleineren technischen Unterschieden vor allem aus wirtschaftlichen Gründen nebeneinander existieren. Je nach Stückzahl, die von einem Gehäusetyp benötigt wird, bietet sich ein anderes der betrachteten Verfahren an.
Das Spritzgussverfahren ist am wirtschaftlichsten bei großen Stückzahlen. Das erhitzte flüssige Material wird dabei mit hohem Druck in eine geschlossene Metallform ("Werkzeug") gespritzt. Dafür muss diese Form mechanisch und thermisch sehr stabil ausgelegt sein und ist deswegen entsprechend teuer. Bei der konstruktiven Gestaltung der Teile spielen außer allgemeinen funktionalen und Festigkeitsüberlegungen auch die Fließeigenschaften der Kunststoffe beim Spritzen eine wesentliche Rolle. Man rechnet deshalb mit Mindestwandstärken von 2 bis 3 mm. Auch die Ausformbarkeit der Teile nach dem Spritzen muss bereits bei der Gestaltung der Formen berücksichtigt werden. Hinterschneidungen erfordern (teure) Werkzeugeinsätze oder sogenannte "Schieberwerkzeuge". Die Stückkosten sind jedoch die niedrigsten der verglichenen Verfahren. Bei entsprechend sorgfältig bearbeitetem Formwerkzeug und bei Verwendung von durchgefärbtem Material ist eine nachträgliche Oberflächenbehandlung durch Schleifen oder Lackieren nicht erforderlich.
Der Schaum-Druckguss wird hauptsächlich bei mittleren Stückzahlen eingesetzt. Das Material wird mit niedrigerem Druck, aber unter Verwendung eines schaumbildenden Treibmittels gespritzt. Die Werkzeugkosten sind niedriger als beim Spritzguss, die Stückkosten jedoch höher. Wegen der schlechteren Fließeigenschaften benötigt man hier Mindestwandstärken von 4 bis 6 mm. Obwohl auch beim Schäumen eine geschlossene Oberfläche entsteht, reicht die erzielbare Qualität meist nicht aus, um auf eine nachträgliche Behandlung durch Schleifen und Lackieren verzichten zu können. Auch dies verteuert die Herstellung pro Stück.
Das Tiefziehverfahren wird vor allem für kleine Stückzahlen eingesetzt. Auch hier benötigt man eine Form, die aber entsprechend einfach aufgebaut werden kann. Zur Herstellung der Teile wird erwärmtes, aber nicht flüssiges Plattenmaterial in die offene Form hineingepresst. An Ecken und Kanten kann das gezogene Material verfahrensbedingt sehr dünn werden und muss deswegen häufig nachträglich verstärkt werden. Auch wenn bei einem Teil lokal unterschiedliche Wandstärken benötigt werden, ist eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich. Es lassen sich Oberflächen erreichen, für die man keine nachträgliche Lackierung benötigt. Leider sind jedoch die erhältlichen Plattenmaterialien meist nicht lichtecht und können auch von Los zu Los im Farbton schwanken. Die Stückkosten sind, auch wegen der erforderlichen Nachbearbeitung, höher als beim Spritz- und Schaumguss.
Ein Faltverfahren bietet seit einiger Zeit eine Alternative zum Tiefziehen. Es ist ebenfalls für kleinere Stückzahlen geeignet und verwendet auch Kunststoffplatten als Ausgangsmaterial. Es fallen keine Formkosten an, lediglich einmalige Kosten für die Erstellung eines Programms für das NC-gesteuerte Fräsen von Nuten und Aussparungen. Erst wenn alle mechanischen Bearbeitungsschritte (Fräsen, Bohren, Gewindeeinsätze, Bedruckung) an der ebenen Platte ausgeführt sind, werden die Teile an V-förmig ausgefrästen Nuten gebogen und die Stoßkanten anschließend verschweißt.

3.6.2 Beschriftung

Für die Auswahl der geeignetsten Beschriftungsmethode sind neben Kontrast, Haltbarkeit und farblicher Gestaltungsmöglichkeit die Kosten der wichtigste Parameter. Sie werden im wesentlichen durch die Beschriftungszeit und durch Anschaffung und Unterhalt der benötigten Einrichtungen bestimmt.
Bei den Folientastaturen und Flacheingabesystemen wird meist die Rückseite der Dekorfolie im Siebdruckverfahren bedruckt. Auch wenn für jeden Farbton ein Arbeitsschritt benötigt wird, ist das Verfahren sehr wirtschaftlich. Kontrast, Haltbarkeit und Farbwahl machen hier keine Probleme. Lediglich bei Beschriftungsänderungen entstehen zusätzliche Kosten, weil Vorlagen und Siebe neu zu erstellen sind.
Für die Beschriftung der Tastenknöpfe bei Vollhubtastaturen sind mehrere Verfahren in Gebrauch:
Eine der ältesten Methoden ist das mechanische Gravieren der einzelnen Knöpfe. Obwohl die eigentliche Gravur mit NC-gesteuerten Fräsmaschinen mit automatischer Knopfzufuhr sehr rationell ablaufen kann, gibt es bisher keine wirtschaftliche Methode für das nachträgliche Auslegen der Symbole mit Farbe. Dies wird nach wie vor von Hand in Heimarbeit ausgeführt. Der Kontrast und die Haltbarkeit der Beschriftung sind gut, auch bei der Farbgebung gibt es keine Einschränkungen. Neue Symbole können schnell und einfach erstellt werden, der Investitionsaufwand ist mittel. Der Arbeitsaufwand für einen einzelnen Knopf ist jedoch hoch, die Methode damit teuer.
Beim Tampondruckverfahren wird zunächst ein Druckstock mit dem gewünschten Symbol hergestellt. Zum Drucken wird dieser mit Farbe beschichtet, die von einem elastischen Kissen ("Tampon") aufgenommen und anschließend auf das Werkstück gedruckt wird. Kontrast und Farbwahl sind gut, die Herstellungskosten pro Stück sowie die Kosten für neue Symbole sind mittel. Wenn jedoch hohe Anforderungen an die Haltbarkeit gestellt werden, wird das Verfahren von den Endanwendern meist nicht akzeptiert, obwohl moderne Druckfarben aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung bis zu 30 μm tief in das Knopfmaterial eindiffundieren.
Beim Zweifarben-Spritzgussverfahren werden beschriftete Knöpfe in zwei Schritten hergestellt. Zunächst wird mit dem ersten Material eine gravierte Negativform des gewünschten Symbols ausgespritzt, anschließend der komplette Knopf aus einem Kontrastmaterial darum herum gespritzt. Der Herstellvorgang ist billig, die Erstellung neuer Symbole relativ langwierig und teuer. Kontrast, Haltbarkeit und Farbwahl sind gut. Jedoch müssen die Knöpfe, wie auch beim Gravieren und beim Tampondruck, nach Symbolen sortiert und zwischengelagert werden.
Im Gegensatz dazu kann bei der Beschriftung durch Laser die komplett mit Knöpfen bestückte Tastatur in einem Arbeitsgang beschriftet werden. Ähnlich wie bei einem Plotter werden die Zeichen aus einzelnen Linien aufgebaut. Der Laserstrahl wandelt das Material durch lokale Erhitzung chemisch um. Bei zu stark eingestellter Energie verbrennt das Material und ist dann nicht mehr abriebfest, ein zu schwacher Strahl ergibt ungenügenden Kontrast. Neue Symbole werden als Rechnerprogramm erstellt, dabei muss man auf gleichmäßige Linienabstände ohne Überschneidungen achten. Ein akzeptabler Kontrast lässt sich nur mit hellen Ausgangsmaterialien erzeugen, auch farbige Beschriftung ist nicht möglich. Dafür ergibt sich bei guter Haltbarkeit eine wirtschaftliche Herstellung bei Serientastaturen und bei neuen Symbolen.
Beim Laserdiffusionsverfahren werden Farbpartikel einer über den Knopf gelegten Folie in die Oberfläche hineingeschossen ("diffundiert"). Dadurch lassen sich auch farbige Beschriftungen erreichen, die preisliche Gestaltung der erforderlichen Spezialfolien macht das Verfahren jedoch nur für Großserien interessant. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Folie bei konkaven Knopfformen nicht direkt am Material anliegt. Die dadurch hervorgerufene Kantenunschärfe erzeugt einen verwaschenen Eindruck der Symbole.

3.7   Beispiele gängiger Tastaturtypen

3.7.1  MF2-Tastatur (IBM, 101/102/105 Tasten)

Die Tastatur wurde als Nachfolger der PC- und AT-Tastaturen für die AT-Version des IBM-PC entwickelt. Auch Elemente der IBM-Terminaltastatur (Abschnitt 3.7.3: IBM-Terminal) wurden dabei integriert. Inzwischen ist sie zum Defacto-Standard bei PCs geworden und wird von unzähligen Herstellern nachgebaut.
Bezüglich der Schnittstelle wird im folgenden die "klassische" Version beschrieben (USB-Schnittstelle s. Kap. 11: USB).

    Layout und Beschriftung

Bezüglich der Tastenanordnung gab es ursprünglich zwei unterschiedliche Varianten:
  • Die US-Version (Abb. 3-13) hatte insgesamt 101 Tasten, darunter eine breite linke "Shift"-Taste an der Position B99-00 und eine einreihige, aber lange "Enter"-Taste an der Position C12-13.

  • Alle anderen länderspezifischen Varianten hatten 102 Tasten in gleicher Anordnung (separate Tasten an B99 und B00, die "Enter"-Taste an Position C-D13 und eine weitere Einzeltaste C12), aber unterschiedlicher Belegung und Beschriftung (Abb. 3-11).

Diese Originalversionen hatten im alphanumerische Bereich in der Reihe A zwei Lücken (jeweils zwischen den "Control"- und den "Alt"-Tasten). Sie sollten eine Orientierungshilfe für Blindschreiber darstellen. Inzwischen wurden diese Positionen durch drei sogenannte "Windows"-Tasten aufgefüllt. (So viele Blindschreiber scheinen an den PCs also doch nicht zu arbeiten.) Die modifizierte deutsche Version mit 105 Tasten (US-Version 104 Tasten) zeigt Abb. 3-15.
Die "T"-Form des Cursorblocks gibt der MF2-Tastatur ihr charakteristisches Aussehen. Eine volle Kreuzform wäre jedoch (bei gleichem Platzbedarf) ergonomisch günstiger gewesen.
Der Numerikbereich ist aus Kompatibilitätsgründen zusätzlich mit den sowieso schon vorhandenen Cursor- und Editierfunktionen belegt, was nicht gerade zur Übersichtlichkeit beiträgt.
Die Zustandsanzeigen ("CapsLock", "NumLock" und "ScrollLock") sind von den zugehörigen Tasten getrennt an den Tastaturrand verlegt worden, um einen Aufbau der Tastenmatrix in Folientechnik zu ermöglichen. Auch hier ging Wirtschaftlichkeit vor Ergonomie.
Eine weitere Orientierungshilfe bildete bei der Originalversion die farbliche Abstufung der Tastenknöpfe mit einem helleren Farbton für die Zeichentasten und einem dunkleren für die Funktionstasten. Inzwischen "erstrahlen" jedoch so gut wie alle Tastaturen durchgehend im herstellerspezifischen "Corporate-Identity"-Grauton.
DIN 2137, Ausgabe 1995 hat viele Eigenschaften des MF2-Layouts der deutschen Version in die Norm übernommen. An einigen Stellen versuchte die Norm Verbesserungen (?) einzuführen. Die MF2-Tastatur weist deshalb einige Unterschiede auf:
  • Die Aufteilung in Funktionsbereiche und ihre gegenseitige Lage entspricht voll der Norm.

  • Es existiert eine Taste auf der Position B00 mit der Belegung "Kleiner als" und "Größer als".

  • Es existiert eine Taste auf der Position C12 mit der Belegung "Nummernzeichen" und "Apostroph".

  • Die Standardausführung schließt in etwa die Erweiterung 1 ein, deren Zeichen jedoch weitgehend in Gruppe/Ebene 2/1 untergebracht sind. Eine dritte Ebene wird nicht unterstützt.

  • Die Steuerungsumschaltung ("Control") liegt auf der Tastenposition A99.

  • Der Nummernblock enthält eine Ziffernanordnung, die in der Norm als Ausnahme dargestellt wird.

    Schnittstelle

An den Rechner wird die Tastatur über ein 4-adriges gewendeltes Kabel mit einer Länge von ca. 1.5 m angeschlossen, das auf maximal 5 m verlängert werden kann. In der AT-Version hat das Kabel rechnerseitig einen 5-poligen Rundstecker nach DIN 41524, in der PS/2-Version einen 6-poligen "Mini-DIN"-Stecker. An der Tastatur ist es fest angeschlossen.
Die beiden Steckerbelegungen zeigt Abb. 3-20. Die Tastatur wird aus dem Rechner mit einer geregelten Gleichspannung von +5 V versorgt. Die Signalleitungen verwenden TTL-Pegel.
Zum Datenaustausch zwischen Tastatur und System wird eine serielle, synchrone, asymmetrische, bidirektionale Schnittstelle im Halbduplexbetrieb verwendet (Abb. 3-21, Abb. 3-20). Tastatur und Rechner tauschen Daten aus über zwei Signalleitungen CLOCK und DATA. Tastatur und Rechner besitzen für beide Leitungen je einen Leitungstreiber (Open-Collector-Ausgang mit Pull-Up-Widerstand) und einen Leitungsempfänger. Im Ruhezustand nehmen beide Leitungen hochohmigen HIGH-Pegel (+ 5V) an. Zur Aktivierung der Leitung zieht ein Teilnehmer die Leitung niederohmig auf 0V. Das Taktsignal für den Datenaustausch wird immer vom Rechner geliefert. Details zeigen die Abb. 3-21 und Abb. 3-22. Das verwendete Datenformat für die Übertragung eines Zeichens verwendet 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Paritätsbit ungerade und 1 Stopbit. Die Übertragung beginnt mit dem LSB. Die Übertragungsgeschwindigkeit kann vom Rechner durch das Taktsignal beeinflusst werden; übliche Werte liegen zwischen 10 und 15 kBd.

    Betriebsarten

Die MF2-Tastatur hat zwei Betriebsarten: In Betriebsart 1 ("XT") verhält sie sich wie eine 83-Tasten PC-Tastatur. Betriebsart 1 wurde für PC- und XT-Rechner verwendet und hat keine praktische Bedeutung mehr. Ich bin auch nicht sicher, ob alle heute verkauften Tastaturen diese Betriebsart überhaupt noch unterstützen. ("PC-Rechner" ist an dieser Stelle als Markenname für den ersten "Personal Computer" von IBM zu verstehen.)
In Betriebsart 2, verwendet für AT-Rechner und alle modernen Nachfolger, verhält sich die MF2-Tastatur wie eine 84-Tasten AT-Tastatur, jedoch mit zusätzlichen Tasten und Funktionen.
Da ein XT-Rechner nur Betriebsart 1 und ein AT-Rechner nur Betriebsart 2 akzeptiert, muss die Tastatur durch Schiebeschalter an der Rückseite oder durch eine "Umschaltautomatik" auf den Rechnertyp eingestellt werden.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird die Betriebsart 1 in der folgenden Beschreibung ignoriert.

    Protokoll - CLOCK-Leitung

Beim Senden und beim Empfangen erzeugt die Tastatur Taktimpulse zur Synchronisation der Daten (Abb. 3-21, Abb. 3-22). Das System kann die CLOCK-Leitung jederzeit auf niederohmigen LOW-Pegel ziehen, um die Tastatur zu sperren. Geschieht dies beim Senden eines Bytes, wird der Sendevorgang abgebrochen, das gesendete Zeichen bleibt im Tastaturpuffer.

    Protokoll - DATA-Leitung

Beim Sendevorgang (Übertragungsrichtung Tastatur -> System) legt die Tastatur je nach Bit-Zustand Daten auf diese Leitung. Während CLOCK=HIGH kann der Zustand wechseln, während CLOCK=LOW muss er stabil bleiben. Beim Empfangsvorgang (Übertragungsrichtung System -> Tastatur) werden die Daten vom System angelegt. Der Zustand kann wechseln während CLOCK=LOW und bleibt stabil während CLOCK=HIGH. Das System zieht die DATA-Leitung auf LOW, um Übertragungsbedarf anzumelden. Zur Sicherheit leitet es diese Aktion mit einem Sperren (CLOCK=LOW) der Tastatur ein.

    Protokoll - Tastatur sendet Daten

Hat die Tastatur Sendebedarf, prüft sie erst, ob das System momentan eine Übertragung erlaubt. Durch CLOCK=LOW sperrt das System die Tastatur: Alle weiteren Tastensignale werden in diesem Fall zwischengespeichert, bis die CLOCK-Leitung wieder freigegeben wird oder bis der Tastaturpuffer überläuft. Durch CLOCK=HIGH und DATA=LOW veranlasst das System die Tastatur, auf Empfang umzuschalten. Auch in diesem Fall werden keine Tastencodes ausgegeben, bis der Empfang vollständig beendet ist.
Sind die Übertragungsleitungen jedoch frei (CLOCK=DATA=HIGH), beginnt die Tastatur zu senden. Während der Übertragung überprüft die Tastatur alle 60 μs, ob das System die CLOCK-Leitung auf LOW gezogen hat. Eine solche "LINE CONTENTION" wird im Normalfall vom System nur dann ausgelöst, wenn es selbst Übertragungsbedarf hat. Dieses Ereignis führt zum Abbruch der Übertragung, wenn noch nicht alle 10 "wichtigen" Bits (Start, Bit 0..7, Parity) übertragen sind. Die Tastatur gibt dann beide Leitungen frei und behält das angefangene Zeichen für eine mögliche Wiederholung im Sendepuffer. Tritt LINE CONTENTION jedoch erst nach dem zehnten Taktimpuls auf, handelt es sich um eine reguläre Beendigung. Oft verschafft sich nämlich das System eine Pause zur Weiterverarbeitung der empfangenen Daten, indem es die Tastatur schon während oder kurz nach Übertragung des Stopbits sperrt.

    Protokoll - Tastatur empfängt Daten

Hat das System Übertragungsbedarf, legt es zunächst die CLOCK-Leitung für mindestens 60 μs auf LOW. In dieser Zeit bricht die Tastatur eine eventuell laufende Sendung ab und geht in den Sperrzustand. Das System legt DATA auf LOW und gibt CLOCK wieder frei. Jetzt erkennt die Tastatur durch DATA=LOW eine Übertragungsanmeldung vom System. Sie beginnt daraufhin, Taktimpulse zur Synchronisation der Empfangsdaten auszugeben. Nach dem Parity-Bit gibt die Tastatur solange weitere Taktimpulse aus, bis sie mit DATA=HIGH ein Stopbit erkennt. Daraufhin gibt sie einen Takt lang (gültig während CLOCK=LOW) DATA=LOW aus und signalisiert dem System mit diesem "LINE CONTROL BIT" das Ende des Empfangsvorgangs.

    Protokoll - Einschaltprozedur

Beim Anlegen der Versorgungsspannung können undefinierte Zwischenzustände auftreten. Eine Hardware-Schaltung hält den "Sendeprozessor" (in der Tastatur) deshalb noch eine gewisse Zeit im RESET-Zustand. Diese "Rücksetzzeit" kann 300 ms bis 9 s betragen. Anschließend führt die Tastatur einen Selbsttest durch ("BAT - Basic Assurance Test"), bestehend aus einem ROM- und einem RAM-Test. Dieser Test dauert 600...900 ms. Zu Beginn werden die Leuchtdioden eingeschaltet, danach ausgeschaltet. Sind die Sendebedingungen erfüllt, wird ein Abschlusszeichen ausgegeben (AA hex bei positivem, FC hex bei negativem Testergebnis). Diese Ausgabe erfolgt also frühestens 900 ms, spätestens 9.9 s nach Anlegen der Versorgungsspannung. Der Selbsttest mit LED-Anzeige und Abschlusszeichen kann auch durch ein RESET-Kommando ausgelöst werden.

    Protokoll - Wiederholfunktion

Bleibt eine Taste längere Zeit gedrückt, wird ihr "Make-Code" periodisch wiederholt ausgegeben ("Autorepeat"-Funktion). Die Voreinstellung für die Einsatzzeit (Abstand vom ersten zum zweiten Make-Code) beträgt zunächst 500 ms, für die Wiederholzeit (Abstand von n-ten zum (n+1)-ten Make-Code 100 ms. Durch Kommandos kann die Einsatzzeit zwischen 250 ms und 1000 ms, die Wiederholzeit zwischen 33 ms und 500 ms eingestellt werden (Tab. 3-19).
Wird zusätzlich eine weitere Taste gedrückt, übernimmt diese die Wiederholfunktion und beginnt mit der eingestellten Einsatzzeit. Beim Loslassen der zuletzt gedrückten Taste wird die Ausgabe beendet, auch wenn noch weitere Tasten gedrückt sind.
Besonderheiten:
  • Die Taste "PAUSE" erzeugt keine Wiederholcodes.

  • Bei Verwendung des Code-Set 3 (abgeleitet von der 3270-Tastatur) sind beim Einschalten zunächst bestimmte Tasten von der Autorepeatfunktion ausgenommen. Durch Verwendung der Kommandos SET KEY TYPE und SET ALL KEYS (Tab. 3-19) kann jedoch jede Taste einzeln ein- oder ausgeschlossen werden.

  • Bei Unterbrechung durch den Rechner wird die Wiederholfunktion (zur Schonung des Puffers) ausgeschaltet

    Puffer

Die Tastatur enthält einen FIFO-Puffer (FIFO: First-In / First Out) für 16 Zeichen. Bei Unterbrechung des Sendebetriebs durch das System (durch CLOCK=LOW, Kommando DISABLE, oder durch den Anfang eines Zwei-Byte-Kommandos) werden die Sendecodes zwischengespeichert. Läuft der Puffer über, gehen alle weiteren Tastenbetätigungen verloren. Stattdessen wird als 17. Byte ein Überlaufzeichen 00 gespeichert und nach Sendefreigabe zusammen mit dem übrigen Pufferinhalt übertragen.

    Signalstruktur

In beiden Übertragungsrichtungen besteht ein Zeichen aus 11 bit (Abb. 3-22):

START immer log. 0
BIT 0 (LSB) niedrigstwertiges Bit zuerst
BIT 1
BIT 2
BIT 3
BIT 4
BIT 5
BIT 6
BIT 7 (MSB) höchstwertiges Bit zuletzt
PARITY (ODD) Anzahl der 1-Bits auf ungerade ergänzt
STOP immer log. 1

Durch die Verwendung synchroner Übertragung darf die Übertragungsgeschwindigkeit variieren, ohne dass Schwierigkeiten entstehen können. Üblich sind jedoch Taktzeiten um 60 μs (was bei asynchroner Übertragung einer Baudrate von ca. 16 kBaud entsprechen würde). Bei der Übertragung von der Tastatur zum System wird der Inhalt der Datenleitung beim HIGH-Zustand der CLOCK-Leitung verändert und bleibt während CLOCK=LOW stabil. Während CLOCK=LOW kann also das System die Daten übernehmen. Bei der Übertragung vom System zur Tastatur ist es umgekehrt. Die Daten werden vom System während CLOCK=LOW verändert und von der Tastatur während CLOCK=HIGH übernommen.

    Codierung - Tasten

Die gesendeten Codes beziehen sich immer auf eine Tasten-Nummer bzw. Tasten-Position, nicht auf die Schriftzeichen oder Funktionen. (Zur Unterscheidung wird die Codierung, die zur Übertragung zwischen Tastatur und System verwendet wird, als Tastencode oder Sendecode, die vom System daraus gewonnene Codierung als Zeichencode bezeichnet.) Auch die Umschalttasten SHIFT, CTRL, ALT, CAPSLOCK, NUMLOCK senden eigene Tastencodes. Die Auswertung der Umschaltzustände erfolgt erst im Rechner. Zumindest für die Umschalttasten ist deswegen die Ausgabe von "Break"-Codes zwingend erforderlich, um die Beendigung eines Umschaltzustands erkennen zu können.

    Codierung - Code-Set 1

Alle Tasten (außer PAUSE) erzeugen Make-Codes beim Drücken und Break-Codes beim Loslassen der Tasten, aufgebaut auf dem Codesatz der PC-Tastatur. Für die meisten Tasten bestehen Make- und Break-Code aus je einem Byte. Sie unterscheiden sich nur im Bit 7. Beim Make-Code ist es LOW, beim Break-Code HIGH. (Break = Make + 80 hex). Bei einigen der neuen Tasten wird Make- und Break-Code ein E0 hex oder E1 hex als zweites Byte vorangestellt (Einzelheiten siehe Tab. 3-17 und Abb. 3-12).

    Codierung - Code-Set 2

Alle Tasten (außer PAUSE) erzeugen Make-Codes beim Drücken und Break-Codes beim Loslassen der Tasten, aufgebaut auf dem Codesatz der AT-Tastatur. Für die meisten Tasten besteht der Make-Code aus einem und der Break-Code aus zwei Byte. Der Break-Code entsteht aus dem Make-Code mit einem vorangestellten F0 hex als zweitem Byte. Bei einigen der neuen Tasten wird bei Make- und bei Break-Code ein E0 hex oder E1 hex als weiteres Byte vorangestellt. (Einzelheiten siehe Tab. 3-17, Tab. 3-18, Abb. 3-12 und Abb. 3-14).

    Codierung - Code-Set 3

Für alle Tasten besteht der Make-Code aus einem Byte, der Break-Code aus dem Make-Code mit einem vorangestellten F0 hex. Beim Einschalten bestimmt eine Voreinstellungstabelle, welche Tasten Make- und Break-Codes und welche nur Make-Codes senden. Durch Verwendung der Kommandos SET KEY TYPE und SET ALL KEYS (Tab. 3-19) kann jedoch ein Break-Code für jede einzelne Taste zugelassen oder verhindert werden.

    Kommandos vom Rechner zur Tastatur

Der Rechner kann jederzeit Kommandos an die Tastatur senden. Diese sind in Tab. 3-19 beschrieben. Die Tastatur antwortet nach spätestens 20 ms.

    Sonderfunktionen und -meldungen

Außer den normalen Tastencodes kann die Tastatur folgende Zeichen senden:

Kurzbeschreibung Code (hex) Beschreibung, Kommentar
Acknowledge ACK FA Antwort auf alle Kommandos (außer ECHO und RESEND). Wird ACK vom Rechner unterbrochen, wartet Tastatur auf ein neues Kommando
BAT Completion Code AA Selbsttest erfolgreich
FC Selbsttest fehlerhaft
Diagnostic Failure FD Beim Senden werden gesendete Bits auch wieder eingelesen. Bei Abweichung wird, wenn noch möglich, FD hex ausgegeben.
Break-Code Prefix F0 Bildet zusammen mit dem folgenden Byte den Break-Code
Echo Response EE Antwort auf Kommando ECHO
Overrun / Key Detection Error 00 Meldet Puffer-Überlauf. Wird beim Leeren des Puffers als letztes Byte gesendet.
Resend FE Antwort auf unbekanntes Kommando oder Byte mit falschem Parity-Bit
Keyboard ID 83AB Antwort auf Kommando Read ID

    Weiterverarbeitung im Rechner

Die seriell von der Tastatur ankommenden Sendecodes werden von einem "Empfangsprozessor" (Typ 8042) entgegengenommen und im Format der Empfangscodes in einem internen Register abgespeichert. Über die Interruptmeldung 09 teilt der Empfangsprozessor dem Hauptprozessor mit, dass eine Tastaturmeldung abholbereit vorliegt. Gleichzeitig blockiert er durch LOW-Setzen der CLOCK-Leitung weitere Meldungen von der Tastatur. Eine Routine des BIOS (Basic Input / Output System: ein im ROM-Bereich des Rechners fest installiertes Programm) reagiert auf die Interruptmeldung und liest das Zeichen aus dem Register des Empfangsprozessors, das mit der I/O-Adresse 60 hex angesprochen wird. Anschließend signalisiert die BIOS-Routine dem Empfangsprozessor, dass er die Tastaturschnittstelle wieder freigeben darf. Die Weiterverarbeitung durch die BIOS-Routine erfolgt auf dreierlei Weise:
  • Make-Codes normaler Tasten werden nach einer Tabelle in einen Zwei-Byte "Scan"-Code umgewandelt (Tab. 3-17 und Tab. 3-18); manchmal findet man die Bezeichnung Scan-Code auch nur für das erste Byte). Das höherwertige Byte entspricht dabei meistens dem Empfangs-(Make-)Code der Tastenposition, das niederwertige dem erweiterten ASCII-Code der Tastenbeschriftung. Der komplette Scan-Code wird dann in einen "Tastaturspeicher" abgelegt, der als Ringpuffer (mit einem Schreib- und einem Lesezeiger) mit einer Länge von 16*2 Byte angelegt ist. Auf diesen Puffer können dann Anwenderprogramme zugreifen.

  • Bei den Umschalttasten SHIFT, CTRL, ALT werden Make- und Break-Codes zu einem kombinierten Umschaltzustand ausgewertet, der im RAM auf Adresse 40:0017 gespeichert wird und der bestimmt, nach welcher Tabelle die oben erwähnte Umsetzung erfolgt. Die einzelnen Umschaltzustände werden durch den Make-Code ihrer Taste(n) gesetzt, durch den Break-Code zurückgesetzt. Auch die Feststelltasten CAPSLOCK und NUMLOCK beeinflussen die Umsetzung, ihre Zustände wechseln jedoch nur bei jedem Make-Code ("rastende" Funktion).

  • Bei einer Anzahl von Tasten werden vom BIOS Sonderfunktionen ausgelöst.

Zur Umsetzung benutzt die BIOS-Routine eine feste Tabelle, die den Anschluss einer Tastatur mit US-Layout voraussetzt. Für deutsche und andere länderspezifische Tastaturen muss die BIOS-Routine durch ein spezielles Anwenderprogramm ersetzt werden. Es heißt "Tastaturtreiber" und wird meistens beim Einschalten des Rechners automatisch gestartet. Der deutsche Tastaturtreiber wird mit dem DOS-Befehl KEYB GR aufgerufen und umgeht dann die BIOS-Routine. Er enthält zwei Sätze von Tabellen, die vom Anwender (unter DOS mit Ctrl-F1 und Ctrl-F2) umgeschaltet werden können. (Hinweis: Die US-Tabellen des BIOS und des Tastaturtreibers können durchaus unterschiedlich reagieren).

3.7.2 PC-Tastaturen mit Spezialfunktionen

3.7.2.1 Ergo-Tastaturen

Seit etlichen Jahren versuchen Tastaturhersteller immer wieder, sogenannte "Ergo-Tastaturen" einzuführen. Gemeint sind damit Tastaturen, bei denen der alphanumerische Bereich in zwei zueinander geneigte Teile aufgespalten ist. Die Aufteilung ist in DIN 2137 Teil 13 festgelegt. Die übrigen Eigenschaften entsprechen weitgehend denen von Standard-MF2-Tastaturen. Dazu drei Beispiele:
  • Abb. 3-23 zeigt das Modell "Mini-Ergo" (Hersteller Marquardt). Der alphanumerische Bereich ist nach dem DIN-Vorschlag aufgeteilt. Dazwischen sind die Cursortasten angebracht, die auch noch eine Zweitbelegung bekommen haben. Im rechten Teil findet sich außerdem noch ein Numerikblock als Drittbelegung einiger Buchstabentasten.

  • Abb. 3-24 zeigt das Modell "Ergo Plus" (Hersteller Cherry). Das Gehäuse besteht aus zwei Teilen, die gegeneinander in einem weiten Bereich geschwenkt werden können. Cursor- und Positionstasten sind rechts vom Alphafeld. Links gibt es noch 5 zusätzliche Funktionstasten. Ein Numerikblock im separaten Gehäuse kann links oder rechts angefügt werden.

  • Abb. 3-25 zeigt das "Natural Keyboard" von Microsoft. Es ist das breiteste Modell der drei beschriebenen. Das MF2-Layout wurde so gut wie möglich beibehalten. Die Zustandsanzeigen befinden sich zwischen den Alphanumerik-Hälften.

Auf breiter Front konnten sich diese Tastaturen bisher nicht durchsetzen. Dem herstellungs- und stückzahlbedingten höheren Preis stehen für den Gelegenheitsanwender keine sachlichen Vorteile gegenüber (von Modetrends und Statussymbolen abgesehen). Für professionelle Anwender stellt die erforderliche Umgewöhnung jedoch eine erhebliche Hemmschwelle dar.

3.7.2.2 Solartastaturen

Neu auf dem Markt ist das Modell eines deutschen Herstellers, das einige Besonderheiten aufweist:
Die hervorstechendste Eigenschaft, und damit im Moment ein Alleinstellungsmerkmal, ist die Stromversorgung. Eingebaute Solarzellen liefern nämlich bei normaler Raumbeleuchtung genügend Strom, um die Tastatur zu betreiben und gleichzeitig den eingebauten Pufferakku nachzuladen, der dann die Versorgung in langen Computernächten übernimmt.
Der damit verbundene Herstellungsaufwand ist natürlich nur sinnvoll, wenn dadurch ein völlig kabelloser Betrieb ermöglicht wird. Folglich verkehrt die Tastatur über Funksignale (27 MHz) mit einem mitgelieferten Empfänger, der bis zu 2 m entfernt sein kann. Mit dem Rechner wird dieser über USB oder über die beiden PS/2-Anschlüsse verbunden. Die Leistungsfähigkeit dieses Empfängers reicht aus, um eine dazu passende optische Maus mitzubedienen. Diese benötigt jedoch eine Ladestation, auf die sie bei Nichtbenutzung zum Aufladen des Pufferakkus abgelegt wird.
Die Übertragung erfolgt verschlüsselt, um Abhörsicherheit zu gewährleisten, und verwendet ein Protokoll mit besserer Fehlerkorrektur, um die erhöhte Fehleranfälligkeit einer Funkverbindung auszugleichen.
Auch von der Funktionalität her bietet diese Tastatur einige Besonderheiten. Mit insgesamt 134 enthält sie 29 Tasten mehr als eine MF2-Windows-Standardtastatur:

5 Tasten für Internetfunktionen oberhalb ca. 19 x 8 mm
5 Tasten für Multimediafunktionen oberhalb ca. 19 x 8 mm
5 Tasten für Editierfunktionen links außen verschieden breit
5 Tasten für Editierfunktionen rechts außen verschieden breit
4 Tasten für Multimediafunktionen unterhalb ca. 16 x 6 mm
1 Taste für eine zusätzliche Ebenenumschaltung in Reihe A ca. 19 x 19 mm
4 Tasten für anwenderspezifische Zwecke in Reihe K ca. 19 x 8 mm

Die meisten dieser Zusatztasten sind vom Rechner aus programmierbar, auch individuell verschieden für mehrere Benutzer.
Erkauft wird der Zusatznutzen durch
  • Wegfall der Status-Leuchtdioden
  • Halbe Knopffläche der Funktionstasten in Reihe K
  • höheren Preis
Erwähnenswert ist noch das ansprechende Design, das auch eine klappbare Handballenauflage einschließt.

3.7.2.3  Vario-Tastatur

Ende der Achtziger-Jahre (des vergangenen Jahrhunderts) brachte ein kleinerer deutscher Hersteller Tasten auf den Markt, die mit Hilfe eingebauter LCDs die Beschriftung im Betrieb ändern konnten. Sie waren in zwei Größen erhältlich: Die Ausführung in einfacher Breite (19.05 mm) konnte mit 8x12 Bildpunkten ein Zeichen, die doppelt breite mit 32x16 Bildpunkten 5 Zeichen oder eine entsprechende Grafik anzeigen.
Daraus wurde dann eine ganze Familie von "Chamäleon-Tastaturen" entwickelt, die kleinere oder größere Bereiche mit diesen Tasten enthielten. In der Einstiegsversion konnten 12 Funktionstasten umprogrammiert werden und dabei ihre Beschriftung wechseln. Im Vollausbau wurden mehrsprachige Tastaturen realisiert, die ihre Tastenbelegungen je nach Betriebsart z.B. in lateinischen, griechischen oder kyrillischen Schriftzeichen zeigen konnten.
Aus Preisgründen hatten diese Tastaturen leider keinen dauerhaften Markterfolg.

3.7.3 3270-Terminal-Tastatur (IBM)

    Layout und Beschriftung

Alle Ländervarianten haben 122 Tasten in gleicher Anordnung, aber mit unterschiedlicher Beschriftung (Abb. 3-26, Abb. 3-27). Der alphanumerische und der Numerikbereich haben das gleiche Layout wie die (deutsche) MF2-Tastatur. Die Unterschiede zeigen sich beim Cursorblock in echter Kreuzform und bei der Anordnung der Funktionstasten (10 in den Spalten 79 und 80 und 24 in den Reihen K und L).

    Anschluss

An den Rechner wird die Tastatur über ein 4-adriges gewendeltes Kabel angeschlossen. Das Kabel hat rechnerseitig einen 5-poligen Rundstecker nach DIN 41524. Um "Verwechslungen" mit PC-kompatiblen Tastaturen auszuschließen, sind die Anschlussstifte jedoch auf einem Kreisbogen von 240° angeordnet. Die Tastatur wird aus dem Rechner mit einer geregelten Gleichspannung von +5 V versorgt. Die Signalleitungen CLOCK und DATA verwenden TTL-Pegel. Anzahl, Funktion und Pegel der Leitungen sind kompatibel zu PC-Tastaturen. [Man bräuchte also nur ein Umsetzkabel, einen neuen Tastaturtreiber und eine Handvoll kundenbeschriftbarer Knöpfe und hätte eine PC-Tastatur mit 122 Möglichkeiten....].

    Protokoll

Das Protokoll ist identisch mit dem Protokoll der MF2-Tastatur, Betriebsart 2.

    Einschaltprozedur

Im wesentlichen gilt die gleiche Prozedur wie bei der MF2-Tastatur. Es entfällt jedoch die Notwendigkeit der Adaption auf einen Rechnertyp. Auf das Kommando READ ID antwortet die Tastatur mit "Keyboard ID": BF BE hex.

    Wiederholfunktion

Die Autorepeatfunktion ist identisch mit der entsprechenden Funktion der MF2-Tastatur, Code-Set 3.

    Puffer

Der Puffer funktioniert genauso wie bei MF2.

    Signalstruktur

Es wird die gleiche Struktur verwendet wie bei MF2, Betriebsart 2.

    Codierung

Es werden die gleichen Codes und Kommandos verwendet wie bei MF2, Code-Set 3. Die Belegung der zusätzlichen Tasten zeigt Abb. 3-30.

3.7.4 SUN-Tastaturen

3.7.4.1 Type-4 und Type-5

Diese beiden mir bekannten Tastaturtypen von SUN unterscheiden sich vor allem in der Tastenanordnung. In ihren sonstigen Funktionen sind sie so ähnlich, dass sie gemeinsam beschrieben werden können. An beide Typen kann eine Maus angeschlossen werden, die über das Tastaturkabel Daten an das System sendet.

    Layout und Beschriftung

Beim Tastaturtyp 4 (Abb. 3-31, Abb. 3-32, Abb. 3-33)haben alle Ländervarianten dasselbe Layout und dieselbe Belegung mit Tastencodes, jedoch mit unterschiedlicher Beschriftung. Beim Typ 5 unterscheidet sich die Tastenanordnung je nach Ländervarianten an zwei Stellen. Die US-Version (Abb. 3-34, Abb. 3-35) hat insgesamt 107 Tasten, darunter eine breite linke SHIFT-Taste an der Position B99-00 und eine doppelt breite DELETE-Taste an E13-14. Alle anderen Ländervarianten haben durch die Aufteilung dieser beiden Positionen 109 Tasten.
Die Beschriftung richtet sich nach den Ländervarianten. Abb. 3-34 und Abb. 3-35 zeigen die US-, Abb. 3-36 und Abb. 3-37 die deutsche Version.

    Anschluss

Zum Anschluss der Tastatur dient ein 8-adriges Kabel mit je einem 8-poligen "Mini-DIN"-Rundstecker an beiden Enden. Seine Belegung zeigt Abb. 3-39. Der Mausanschluss hat dieselbe Belegung. Die Tastatur hat zwei verdeckte Anschlussbuchsen links und rechts. Davon wird eine mit dem Rechner verbunden, an die andere wird die Maus angeschlossen, deren Sendesignale somit durch die Tastatur durchgeschleift werden (Abb. 3-40).
Tastatur und Maus werden aus dem Rechner mit einer geregelten Gleichspannung von +5 V versorgt. Die Signalleitungen KBD RX, KBD TX und MOUSE TX verwenden TTL-Pegel.
Zum Datenaustausch zwischen Tastatur und System wird eine serielle, asynchrone, asymmetrische, unidirektionale Schnittstelle verwendet (Abb. 3-39). Tastatur und System sind über drei Signalleitungen verbunden:

KBD RX Tastatur empfängt Daten
KBD TX Tastatur sendet Daten
MOUSE TX Maus sendet Daten

Im Ruhezustand nehmen die Leitungen niederohmigen LOW-Pegel an. Gleichzeitiges Senden und Empfangen ist möglich.

    Einschaltprozedur

Kurz nach dem Anlegen der Versorgungsspannung schickt das System ein RESET-Kommando. Die Tastatur antwortet nach etwa 500 ms mit drei verschiedenen Sequenzen (Abb. 3-38):
  • Fehler bei Diagnose

  • Hängende Tasten

  • Alles in Ordnung, hier ist Typ 4/5

Bei positivem Selbsttest setzt das System anschließend die Voreinstellungen "Tastenklick aus" und "LEDs aus" und fragt die Ländervariante ab. Die Selbstdiagnose umfasst
  • Kurzes Einschalten (< 1 s) des akustischen Signalgebers

  • Kurzes Einschalten (< 1 s) der LEDs

  • RAM-Test

  • ROM Checksumme

  • Hängende Tasten

    Wiederholfunktion

Jede Taste sendet einen Make-Code beim Drücken ("Key Operate") und einen Break-Code beim Loslassen ("Key Release"). Das System benutzt diese Meldungen, um gegebenenfalls ein Zeichen wiederholt zu generieren. Damit bei einem verlorenen oder verstümmelten Break-Code ein Zeichen nicht endlos wiederholt wird, sendet die Tastatur einen speziellen All-Up-Code ("Idle"), wenn auch die letzte Taste losgelassen wurde.

    Puffer

Die Tastatur enthält einen FIFO-Puffer (FIFO: First In - First Out) für mindestens 8 Zeichen. Erzeugt die Tastatur mehr Sendebedarf als übertragen werden kann, läuft der Puffer über. Alle weiteren Tastenbetätigungen werden dann unterdrückt, bis wieder Platz im Puffer ist. Als Puffer-Überlauf-Code wird ein All-Up-Code übertragen.

    Signalstruktur

In beiden Übertragungsrichtungen besteht ein Zeichen aus 10 bit (Abb. 3-39):

START immer log. 1
BIT 0 (LSB) niedrigstwertiges Bit zuerst
BIT 1
BIT 2
BIT 3
BIT 4
BIT 5
BIT 6
BIT 7 (MSB) höchstwertiges Bit zuletzt
STOP

Alle Übertragungen werden mit einer Geschwindigkeit von 1200 Baud ausgeführt. Dabei beträgt der Abstand der Bits 0.833 ms +/- 2%, die Übertragungszeit für ein Zeichen also 8.33 ms +/- 2%. Zumindest beim Einschaltdialog benötigen manche Systeme Pausen von etwa 12.5 ms zwischen den empfangenen Zeichen.

    Codierung - Tasten

Alle Tasten senden einen Make-Code beim Drücken und einen Break-Code beim Loslassen. Die gesendete Codierung bezieht sich auf eine Tasten-Nummer, nicht auf die Schriftzeichen oder Funktionen. Auch die Umschalttasten senden eigene Tastencodes. Die Auswertung der Umschaltzustände erfolgt erst im Rechner.
Make- und Break-Codes bestehen beide aus einem Byte. Sie unterscheiden sich nur im Bit 7. Beim Make-Code ist es logisch 0 (Pegel HIGH), beim Break-Code logisch 1 (Pegel LOW). Die Codezuordnung der Tasten zeigen die Abb. 3-33, Abb. 3-37 und Abb. 3-35.

    Kommandos vom Rechner zur Tastatur

Der Rechner kann jederzeit Kommandos an die Tastatur senden, auch während er von ihr Signale empfängt (Abb. 3-38). Die Antwort auf das Kommando TRANSMIT LAYOUT hängt von der Einstellung eines tastaturinternen Vorwahlschalters ab.

    Sonderfunktionen und -meldungen

Außer den normalen Tastencodes kann die Tastatur Antworten auf Kommandos (Abb. 3-38) und einen All-Up-Code senden.

    Weiterverarbeitung im Rechner

Der Rechner ist zuständig für die Umsetzung der Tastencodes in ASCII-Zeichen, die dann intern gespeichert oder weiterverarbeitet werden: Je nach Ländervariante werden zur Umsetzung Tastaturtreiber mit unterschiedlichen Umsetztabellen verwendet. Je nach Umschaltzustand (SHIFT, CTRL usw.) werden unterschiedliche Tabellen verwendet.
Die Autorepeat-Funktion wird ebenfalls im Rechner generiert. Vom Anwenderprogramm können die Zeitkonstanten für Einsatzzeit und Wiederholzeit eingestellt werden. Einzelne Tasten können zeitweise oder völlig vom Autorepeat ausgeschlossen werden.

3.7.4.2 Type-6

Dieser neuere Typ ist vom Layout identisch zu Type-5. Funktionale Unterschiede sind mir nicht bekannt.
Type-6 ist in zwei Varianten, mit "klassischer" SUN-I/O- oder mit USB-Schnittstelle lieferbar.

3.7.5 DEC-Tastaturen LK201 und LK401

Die "kleinere" Tastatur LK201 wurde und wird von etlichen Herstellern als VT-220 Tastatur angeboten und ist weit verbreitet. Sie wird im folgenden Abschnitt ausführlicher beschrieben. Die zusätzlichen Eigenschaften der Tastatur LK401 werden in eckige Klammern gesetzt.

    Layout und Beschriftung

Die Tastenanordnung mit insgesamt 105 Tasten [108 Tasten] besteht aus vier Hauptbereichen (Abb. 3-41, Abb. 3-42 und Abb. 3-43):

Alphanumerischer Bereich "Main Keypad"
Numerikbereich "Numeric Keypad"
Funktionsbereich "Special Function Keypad"
Editierbereich "Editing Keypad"

Charakteristisch sind die "ausgefransten" Ränder des alphanumerischen Bereichs sowie der gegenüber der MF2-Tastatur um eine Reihe nach oben versetzte Cursorblock. Deutsche und internationale Versionen unterscheiden sich nur in der Beschriftung, aber nicht in der Tastenanordnung. [Bei LK401 gibt es in Reihe A drei zusätzliche ALT-Tasten zur Bedienung der Ebenen 3 und 4, die viele Sonderzeichen enthalten.]

    Anschluss

Das 4-adrige Tastaturkabel ist an der Tastatur fest (bei manchen Herstellern auch steckbar), am Terminal über eine 4-polige "Western"-Steckverbindung angeschlossen(auch bekannt als "Telefon-" oder "Modulstecker"). Die Tastatur wird aus dem Terminal mit +12 V versorgt. Die Signalleitungen TxD ("Serial Out") und RxD ("Serial In") verwenden Pegel nach RS423, einer Schnittstellennorm, die mit RS232C weitgehend kompatibel ist, aber bessere Übertragungseigenschaften aufweist (Abb. 3-45).
Zum Datenaustausch zwischen Tastatur und System (Terminal) wird eine serielle, asynchrone, asymmetrische, unidirektionale Schnittstelle verwendet. Tastatur und System sind über zwei Signalleitungen verbunden:

SERIAL IN Tastatur empfängt Daten
SERIAL OUT Tastatur sendet Daten

Gleichzeitiges Senden und Empfangen ist physikalisch möglich.

    Einschaltprozedur

Nach einem Selbsttest von < 70 ms sendet die Tastatur vier Bytes:

KBID firmware vorgegeben durch internes Tastaturprogramm
KBID hardware Jumpereinstellungen in der Tastatur
ERROR 3E hex ROM- oder RAM-Fehler
3D hex Taste betätigt
00 kein Fehler
KEYCODE xx Code der betätigten Taste
00 keine Taste betätigt

Nach dem Loslassen einer versehentlich betätigten Taste wird die 4-Byte Sequenz wiederholt. Während des Selbsttests blinken die LEDs einmal. Nach fehlerhaftem Selbsttest bleiben sie eingeschaltet, bei erfolgreichem Selbsttest gehen sie aus. Anschließend werden einige Voreinstellwerte ("Defaults") gesetzt

    Wiederholfunktion

Die Tastatur ist in 14 logische Bereiche eingeteilt. Jedem dieser Bereiche kann eine von drei möglichen Betriebsarten zugeordnet werden:

"Down-Only-Mode" Beim Betätigen der Taste wird ein einzelner (Make-)Code gesendet
"Down/Up" Beim Betätigen der Taste wird ein Make-Code gesendet, beim Loslassen der Taste ein Break-Code. Ist noch eine andere Taste gedrückt, wiederholt die losgelassene Taste ihren Make-Code als Break-Code. Beim Loslassen der letzten Taste wird ein All-Up-Code gesendet.
"Autorepeat Down" Bei dieser Betriebsart wird bei Tastenbetätigung ein Make-Code, nach einer Einsatzzeit ein für alle Tasten gleicher Repeat-Code wiederholt gesendet. Vier Kombinationen von Einsatz- und Wiederholzeiten können vorprogrammiert und den 14 Bereichen zugeordnet werden.

    Puffer

Die Tastatur enthält einen FIFO-Puffer für 4 Zeichen. Wird die Tastatur vom System gesperrt, speichert sie weitere Tastenbetätigungen, bis er voll ist. Dann wird die Matrixabtastung unterbrochen. Bei der Freigabe der Tastatur werden die vier gespeicherten Zeichen und ein OUTPUT-ERROR-Code übertragen.

    Signalstruktur

In beiden Übertragungsrichtungen besteht ein Zeichen aus 10 bit

START immer log. 1
BIT 0 (LSB) niedrigstwertiges Bit zuerst
BIT 1
BIT 2
BIT 3
BIT 4
BIT 5
BIT 6
BIT 7 (MSB) höchstwertiges Bit zuletzt
STOP

Alle Übertragungen werden mit einer Geschwindigkeit von 4800 Baud ausgeführt. Dabei beträgt der Abstand der Bits 208 μs, die Übertragungszeit für ein Zeichen also 2.08 ms.

    Codierung -Tasten

Alle Tasten senden beim Betätigen einen positionsbezogenen Make-Code, auch die Umschalttasten. Wie bei den meisten moderneren Tastaturen erübrigt sich so eine länderspezifische Einstellung in der Tastatur. Je nach Voreinstellung des Bereichs können beim Loslassen einer Taste Break-Codes gesendet werden. Sind währenddessen noch weitere Tasten gedrückt, ist dieser Break-Code identisch mit dem zugehörigen Make-Code. Erst beim Loslassen der letzten Taste wird er durch einen allgemeinen All-Up-Code ersetzt.

    Kommandos vom Rechner zur Tastatur

Tab. 3-44 zeigt die möglichen Kommandos mit (englischer) Kurzbezeichnung, Codierung und Beschreibung. Ein Kommando kann aus 1 bis 3 Byte bestehen.

    Sonderfunktionen und -meldungen

Bei speziellen Betriebszuständen sendet die Tastatur Codes, die in Tab. 3-44 beschrieben sind.

3.7.6 Apple-Macintosh-Tastaturen

    Layout und Beschriftung

Auch Apple hat sich inzwischen mit der Extended II Tastatur weitgehend dem MF2-Layout angepasst (Abb. 3-46, Abb. 3-48). Unterschiede zeigen sich neben der Leertaste, in der oberen rechten Ecke und in der Beschriftung.

    Codierung

Abb. 3-47 und Abb. 3-49 zeigen die Belegung der Tasten mit RAW-Codes, die in ihrer Funktion in etwa den Tastencodes im PC-Bereich entsprechen.