8. 키보드
8.1 키보드의 원리
키보드의 원리는 그저 단순한 스윗치라고 말할 수 있다. 스윗치를 눌렀을 때에는 전류가 흐르고, 그 반대로 누르지 않았을 때에는 전류가 흐르지 않는 간단한 원리를 가지고 이진수의 정보를 만든 것이다. 이처럼 만든다면 가장 단순한 키보드는 글쇠(key) 하나만 가질 것이고 단지 이진수 정보만 입력이 가능할 것이다. 그리고 이 키보드는 한 손가락만 가지고 사용하게 될 것이다. 하지만 우리가 사용하는 키보드는 보통 백개가 훨씬 넘는 종류의 서로 다른 문자들을 구별해내야 한다. 따라서 단순히 한 개의 스윗치만으로는 구현해 낼 수 없다. 그래서 우리가 사용하는 키보드들은 백개를 넘는 글쇠들을 가지는 것이다.
다음의 그림을 보자. 이것은 여러개의 키가 사용되는 키보드의 전자회로적인 원리를 설명한 것 이다. 여기서는 가로축과 세로축으로 각각 4개씩의 선이 늘어서 있고 이들은 서로 접촉되어 있지 않는다. 따라서 보통때는 가로축과 세로축의 선들 가운데 서로 연결되는 곳은 없다. 스윗치로서 사용할 수 있는 곳은 가로축과 세로축의 선들이 서로 교차되는 부분이므로 모두 16개의 위치를 스윗치로서 이용할 수 있다.
1 2 3 4
| | | |
a ----+----+----+----+----
| | | |
b ----+----+----+----+----
| | | |
c ----+----X----+----+----
| | | |
d ----+----+----+----+----
| | | |
이때 X 문자로 지적한 부분을 손으로 누르면 어떻게 될까. 가로축의 2 번 선과 세로축의 c 선은 서로 맞닿아서 이곳을 통해서 전류가 흐를 수 있게 될 것이다. 이때 흐르는 전류는 외부에 신호를 주어서 키보드의 어느 위치가 눌렸다는 것을 알릴 것이다. 16개 가운데 어느 스윗치가 눌렸는지 아는 것은 쉬운 일이다. 단지 가로축의 몇번째 선으로 전류가 흘러 나가고 세로축의 몇번째 선으로부터 전류가 흘러 들어오는지를 살피면 된다.
실제로 우리가 사용하고 있는 키보드에서는
이렇게 키를 살피는 일을 마이크로 컨트롤러 (줄여서
MCU)라는 칩에서 맡아서 한다. 실제의 경우에는
8049라는 MCU 칩을 많이 사용하다. 이 칩은 일종의
마이크로프로세서로서 내부에 프로그램 ROM과 RAM이
내장되어 있고 I/O 포트로서 사용되는 여러개의
핀이 있어서 그 칩 한개만으로도 간단한 연산
제어 기능은 해낼 수 있다. 흔히 원칩 마이컴이라고
하는 것이 바로 이것이다. 8049 칩은 이밖에도
컴퓨터 본체와 직렬 통신을 하는 기능도 수행한다.
8.2 글쇠의 구조
단순히 전류의 흐름을 만들기만 하는 것은 실제로 우리가 사용하는 키보드가 되지 못한다. 우리가 사용하고 있는 키보드는 키탑(Key Top)이 있어서 이곳에 손가락이 닿는다. 키탑은 키보드의 글자가 새겨져 있는 부분이다. 이 키탑을 누르면 그 밑에서 전류의 흐름을 끊고 잇는 스윗치의 작용이 이루어진다.
이때 스윗치로서 사용되는 방법으로는 메카니컬(Mechanical), 커패시티브 (Capacitive), 컨덕티브 러버(Conductive-Rubber), 멤브레인(Membrane) 등의 방식이 있는데 이 가운데 메카니컬 방식과 커패시티브 방식의 두가지가 일반적으로 사용되고 있는 것들이다.
메카니컬 방식의 스윗치는 가장 고전적인 방식이라고 할 수 있다. 물론 요즘 볼 수 있는 키보드의 메카니컬 스위치는 최초에 사용되었던 것보다는 훨씬 세련된 모습을 가지고 있지만 기본적인 원리는 마찬가지다. 이 방식은 단지 키탑이 눌렸을 때 그 아래에 있는 두개의 도체를 전기적으로 연결하는 것이다. 이 도체들은 잦은 접촉을 해야 하므로 이에 따른 대책으로서 도금을 하는 것이 보통이다. 메카니컬 방식 키보드의 장점은 신뢰성이 높으며 키를 눌렀을 때 '철컥'하는 소리가 나며 확실히 눌렸다는 느낌을 주는 점을 들 수 있다.
메카니컬 방식이 직접적으로 전류가 흐르는지의 여부에 따라서 스윗치의 작동 여부를 판별하는 것인데 반해, 커패시티브 방식은 전류의 흐름과는 직접적인 관련이 없다. 단지 두개의 도체 사이에 정전용량(Capacitance)이 생기게 해 줌으로써 스윗치가 눌렸다는 표현을 해 줄 뿐이다. 커패시티브 방식의 키탑의 아랫부분에는 커패시터의 유전체와 같은 특성을 가지는 쿠션이 붙어 있다. 이 쿠션은 그와 닿게 되는 두개의 도체 사이에서 정전 용량이 생기게 만들어주는 것이다.
커패시티브 방식은 직접적으로 전기적인 접촉이 이루어지지 않으므로 수명에 있어서 메카니컬 방식보다 월등한 수명을 가진다. 하지만 그에 반해서 만들기가 어렵고, 습도나 온도 등과같은 주위 환경의 영향에 민감한 단점도 가지고 있는 것이 사실이다.
컨덕티브 러버 방식은 우리가 많이 사용하는 휴대용 전자 계산기의 찰고무 숫자판과 비슷하다. 각 키탑의 아랫부분에는 둥그런 흑연(Carbon) 접점이 달려 있고 그 키가 눌렸을 때에는 이 카본 접점은 아래로 내려와서 두 도체를 접촉시킨다. 모든 키탑들은 서로 독립되어 있지 않고 한개의 넓은 고무판에 배열되어 있다. 따라서 키 한개만 고장나도 전체 고무판을 모두 갈아야 하는 단점이 있다.
멤브레인 방식도 소형의 전자 계산기에서
사용되는 방식이다. 얇은 판을 손가락으로 꾹
누르면 동작한다. 프린터나 복사기의 제어
패널에서 가장 흔히 사용되기도 한다. 이것은
얇은 플라스틱(폴리에스터) 판에 도체 층을
입히고 그 사이에 절연층을 넣은 것이다. 물론
여기서 스윗치로 사용될 얇은 도체층 부분의
절연층에는 구멍이 뚫려 있어서 이곳을 키탑으로
눌렀을 때에 전류가 흐르게 된다.
8.3 키보드의 변천
1981년에 최초로 PC가 출현했을 당시의 키보드는 요즘의 것들과 거의 비슷하지만 커서키가 있는 부분이 다르다. 이것은 83개의 글쇠를 가진 것으로서 XT 급에서도 사용되었는데 이는 요즘까지 사용되고 있는 IBM 키보드의 근간을 이루었다.
그런데 최초의 IBM 키보드는 몇가지 문제점을 가지고 있었다. 엔터(Enter) 키의 크기가 너무 작고 시프트(Shift) 키도 작은 것이다. 그리고 커서키 겸 숫자키 패드가 엔터 키쪽과 붙어 있다. 이때문에 타이핑 시에 키를 잘못 눌러 실수하는 경우가 잦았다. 또 그림에는 안 나왔지만 요즘의 키보드에는 반드시 있는 Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock 키의 상태표시 LED도 전혀 없었다. 이런 점은 키보드를 많이 사용하는 사람들에게는 꽤 불편한 것이었다.
AT가 출현하면서 키보드에도 변화가 생겼다. XT 용 키보드와 비교해 보면, 엔터키와 시프트키가 더 커졌고 커서키 겸 숫자키 패드가 오른쪽으로 완전히 분리되었다. AT 키보드에서는 XT 용에 비해 키가 하나 더 늘어났는데 그것은 가장 윗부분의 오른쪽 끝에 있는 Sys Req 키이다. 이것은 AT가 멀티 유저 시스템으로 사용할 수 있으므로 그 활용을 위해서 생겨난 것이다.
외형상으로만 본다면 AT의 키보드는 PC/XT의 키보드와 거의 같은 모습이다. 하지만 내부적으로 본다면 외부의 모양에서 있던 것보다 훨씬 큰 변화가 있었다. AT 키보드는 자체적인 명령 체계를 가지게 되었고 따라서 이전의 키보드와는 인터페이스 방식이 달라졌다. PC/XT 키보드는 마더보드 내의 CPU(8088)가 직접 키보드를 제어했으나 AT에서는 8042라는 마이크로컨트롤러가 키보드를 제어하게 되었다. 키보드 컨넥터의 모습은 똑같지만 이 두가지 키보드는 서로 호환이 되지 못한다. 즉 XT 전용의 키보드는 AT에 사용할 수 없고 AT 전용의 키보드는 XT에 사용하지 못하는 것이다.
하지만 곧 다른 업체들에서는 XT와 AT의 양쪽에서 사용할 수 있는 키보드들이 생산되기 시작했다. 처음에는 키보드 밑의 작은 구멍을 통해서 딥 스윗치를 조절하여 XT 용과 AT 용의 여부를 선택하게 만들어졌다. 그리고 자동으로 본체가 XT인지 AT인지 감지해서 스스로를 세팅하는 키보드가 나오더니, 요즘에는 아무도 키보드에 대해서 신경을 쓰지 않게 되었다. XT가 거의 사용되지 않아서이다.
요즘에 우리 주위에서 가장 많이 볼 수 있는 101 개, 혹은 103 개의 글쇠를 가진 키보드에 대해 사람들은 그것이 IBM이 PS/2를 발표하면서 같이 나온 것이라고 잘못 생각하는 경우가 가끔 있다. 하지만 사실 그것은 AT가 IBM의 주력이던 시절에 나온 것이고 단지 우리가 주위에서 101 키를 사용하기 시작한 때가 PS/2의 발표 이후이기 때문에 그런 감을 받은 것 뿐이다.
101/103 키보다가 이전의 키보드에 비해 크게
달라진 점이 2가지 있다. 첫번째로는 10개였던
기능키(Function Key)가 12개로 늘어나면서 키보드
중앙의 위에 세로 방향으로 정렬되었고,
두번째로는 커서키 겸 숫자키 키패드와 독립되어
커서키들이 새로이 추가되어 옆으로 배열되었다.
8.4 키보드 인터페이스
키보드와 컴퓨터 본체를 연결하는 케이블은 전화 수화기에 달려 있는 것과 같이 코일(coil) 모양으로 둥글게 말려있다. 이것은 키보드를 사용하는 거리가 어느 정도 달라지더라도 항상 짧게 유지할 수 있게 해 주기 위해서이다.
보통 키보드 케이블은 키보드와 떼지 못하도록 직접 붙어 있고 컴퓨터와는 커넥터로 접속된다. 처음 PC가 나타났을 때부터 AT가 사용될 때까지 계속 사용된 커넥터는는 흔히들 DIN(딘) 커넥터라고 부르는 것이다. 여기서 전기적 연결을 해 주는 핀의 갯수는 5개이다.
PS/2를 발표하면서 이 커넥터의 모양도 달라졌는데 그곳에 사용된 커넥터는 Mini-DIN(미니 딘) 이라고 하는 6 핀짜리 커넥터이다. 그러나 아직 DIN 커넥터를 더 많이 사용하고 있다. Mini-DIN 커넥터는 핀의 갯수에 있어서 DIN 커넥터보다 하나가 더 많지만 6개 가운데 한개는 사용하지 않고 있으며 실질적으로 거의 동일한 신호체계를 가진다.
우리가 키보드에 있는 키를 누르면 이에 대한
정보는 케이블과 커넥터를 통해서 PC로
전달되는데 그 형식은 직렬 통신으로 이루어진다.
XT와 AT용의 키보드가 서로 호환이 안되는 이유는
이 직렬통신의 방식이 달라서이다. AT의 키보드
정보는 한번에 11 비트씩 전달되고 XT의 키보드
정보는 한번에 9 비트씩 전달되기 때문에 서로
통신을 할 수 없는 것이다.
8.5 키보드의 통신
언제나 키보드에서 본체쪽으로만 정보가 전달되는 것은 아니다. 키보드와 본체 사이에서는 양방향 어느쪽으로나 정보가 전달될 수 있다. 글쇠가 눌렸을 때의 정보는 키보드에서 본체 쪽으로 전달이 되겠지만, 본체에서 키보드 쪽으로 명령을 내려서 키보드의 기능을 제어하기도 한다. 이러한 통신이 이루어 질 수 있는 것은 키보드의 내부에 MCU라는 제어칩이 있고 이 칩이 컴퓨터 본체와 직렬 통신을 하기 때문이다.
컴퓨터의 본체에서 키보드와 직접 통신을 하는 것은 386이나 486과 같은 CPU가 아니다. 이를 위해서 여기서도 MCU 칩을 사용하는데 이때에는 인텔사의 8042를 사용한다. 8042는 특별히 키보드와 같은 입력 장치를 제어하기 쉽게 만들어진 MCU로서 486 등의 마이크로프로세서로부터 명령을 받아 키보드에 전달하기도 하고 키보드로부터 수신된 정보를 마이크로프로세서에 넘겨주기도 한다.
키보드와 컴퓨터 사이의 통신은 키보드 커넥터의 5개 신호 가운데 CLK와 DATA 신호에 의해서 이루어진다. RS-232C와 같은 일반적인 직렬 통신에 대해서 알고 있는 독자라면 이 두개의 신호만 가지고 어떻게 양방향으로 어떻게 데이타가 오고 갈 수 있을까라고 생각할 것이다. 하지만 키보드에서 사용되는 것은 그런 일반적인 의미의 통신이 아니기 때문에 이 두개의 신호만으로 가능하다.
우선 키보드에서 본체로 데이타를 보내는 과정을 알아보자. 정상적인 상태에는 CLK와 DATA 핀은 둘 다 HIGH(+5 Volt)상태로 있게 된다. 이때에만 키보드가 본체로 눌려진 키의 정보를 보낼 수 있다. 만약 본체에서 CLK 핀을 LOW(0 Volt) 상태로 만들어 버리면 키보드는 그것이 본체에서 무슨 일을 하려한다고 판단하고 그때부터는 데이타를 보내지 않는다. 그리고 방금 눌려진 키의 정보는 버퍼에 임시로 저장해 놓는다. 8049 칩은 이후에 계속 CLK 핀과 DATA 핀을 검사해서 두 핀 모두가 HIGH가 되는 시점에서야 본체로 데이타 전송을 할 수 있게 된다. 즉 CLK 핀을 이용한 핸드셰이킹을 하는 셈이다.
데이타는 DATA 핀에 한비트씩 직렬로 실려서 차례로 전송되고 그 각각의 데이타 비트를 구분하기 위해서 CLK 핀에는 데이타의 전송 속도에 맞춰 주기적인 펄스가 인가된다. 한번 CLK 핀에 클럭이 뜰 때에 한 비트씩 키보드 데이타를 전송하는 것이다. 만약 한 바이트 데이타의 전송이 모두 끝나기도 전에 CLK 신호가 본체에 의해서 LOW로 떨어져 버리면 전송되던 데이타는 중단된다. 키보드에서 본체로 보내는 데이타들은 어떤 키가 눌렸는지에 대한 정보가 대부분이지만 키보드의 기능과 관련된 명령이나 메시지들도 있다.
본체에서 키보드로 데이타를 보내는 것은 키보드의 제어를 위한 명령어들이다. 처음에 컴퓨터에 전원이 인가되면 즉시 자체적으로 리셋이 되면서 키보드 케이블의 CLK 핀을 LOW로 만든다. 이것은 키보드에서 데이타가 전송되어 오지 않게 하기 위해서이다. 얼마 후에 CLK 신호는 HIGH로 올라가서 정상적인 데이타 전송이 가능한 상태로 되지만 그 이후에도 본체에서 키보드의 데이타를 받아들이지 않으려고 할 때에는 CLK 신호를 낮추게 된다.
본체에서는 키보드로 데이타를 보내기 전에
우선 CLK와 DATA 핀을 검사해본다. 이때 두 핀 모두
HIGH 상태라면 데이타를 전송한다. 만약
키보드에서 시스템으로 데이타를 전송하는
중이라면 현재 한 바이트 단위의 데이타가 어느
정도까지 전송되었는지를 조사한다. 그 시점에서
총 11비트의 전송데이타 단위에서 10비트 이하를
전송한 상태라면 본체는 즉각 CLK 핀을 LOW로
떨어뜨린 다음에 전송을 한다. 그러나 그 이상
전송되고 있는 상태라면 시승템은 마지막
비트까지 모두 전송되기를 기다린다. 본체가
키보드에 명령을 준 이후에는 반드시 키보드가
그 명령에 대해 응답을 하게 되는데 응답을 받기
전에는 다시 다른 명령을 내리지 않게 된다.
8.6 키보드 데이타
키보드 커넥터의 신호
기능 |
DIN(5핀) |
Mini-DIN(6핀) |
| 키보드 클럭 키보드 데이타 (사용안함) GND(접지) VCC(+5V 전원) 프레임 GND |
1 2 3 4 5 실드 |
5 1 (없음) 3 4 실드 |
키보드 커넥터의 신호
+--------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
| 스타트 | 비트0 | 비트1 | 비트2 | 비트3 | 비트4 | 비트5 | 비트6 | 비트7 |
+--------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
< XT의 키보드 데이타 형식 >
+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+--------+----------+
| 스타트 |비트0|비트1|비트2|비트3|비트4|비트5|비트6|비트7| 패리티 | 스톱비트 |
+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+--------+----------+
< AT의 키보드 데이타 형식 >