7.1 键盘与显示器接口
7.1 键盘与显示器接口
本节摘要：键盘与显示器是人机交互的两端——矩阵扫描用八根线管理六十四个键，动态扫描用一套口线轮流点亮多位数码管；两者共享同一个思想：时间上的复用换取硬件上的精简。
本章主线的正向旅程从这里出发。人的意图如何变成机器能处理的事件，机器的状态如何变回人能看见的光——这两条转化链上的电路与算法，是接口工程最经典的入门题，也是"复用"思想的最佳讲台。
指尖信号的硬件旅程
先看一个反直觉的算术：64 个键若每个独占一根输入线，需要 64 根口线，任何处理器都不肯接待。矩阵键盘的解法是把键安排在行列交叉点上：八根行线加八根列线，64 个键共用这 16 根线。每个键就是一个开关，按下时把对应的行与列接通——识别哪个键按下，变成了一场时间上轮流进行的问询。
扫描的流程四步。第一步，行线全部输出低电平，读列线：有列线为低，说明这一轮有键按下（也可能是抖动，稍后处理）。第二步，定位行列：把低电平逐行移动（其余行输出高电平），每次读列线，哪一行送出低电平时某列变低，行列坐标即告锁定。第三步，组合成键码：行列号拼成一个字节，查表得到字符。第四步，等待释放并去抖——否则一次按键会被重复识别成多次。
图 7-1：四乘四矩阵键盘的扫描定位
去抖动值得单独一提。机械触点闭合的瞬间会弹跳，电平在几毫秒内起伏数次——若按到即算，一次按键会被记成七八次。软件解法是"延时复测"：首次检测到按下后延时十毫秒再读，两次一致才确认，释放同理。硬件解法用电阻电容滤掉高频毛刺，再用施密特触发器整形。量产设备倾向硬件去抖加中断通知，教学实验常用纯软件轮询——两条路线对应 CPU 预算的两种哲学。
扫描代码把流程落到纸面：
; 4 行 4 列矩阵扫描：返回键码 0 至 15，无键返回 FFH SCAN: MOV CL, 0FEH ; 行扫描字：R0 低，其余高 MOV CH, 0 ; 行计数 NEXT_ROW: MOV DX, ROW_PORT MOV AL, CL OUT DX, AL ; 当前行输出低 MOV DX, COL_PORT IN AL, DX ; 读列 AND AL, 0FH CMP AL, 0FH JNZ FOUND ; 有列变低，本行有键 ROL CL, 1 ; 低电平移到下一行 INC CH CMP CH, 4 JB NEXT_ROW MOV AL, 0FFH ; 无键 RET FOUND: ; CH 为行号，AL 低四位含列号，编码查表略 CALL DELAY_10MS ; 去抖 IN AL, DX ; 复测确认 AND AL, 0FH CALL ENCODE_KEY RET
显示端：动态扫描的光学把戏
显示器一侧的功课是反过来的：让有限的口线制造"同时点亮"的错觉。四位数码管若每位独立驱动需要三十二条段线；动态扫描只把各位的段线并联共用一套八根口线，位选线轮流使能——每一时刻只有一位真正点亮，只要轮流的速度超过人眼暂留的临界（每位约一至两毫秒、整轮刷新率过五十赫兹），看起来就是四位同时亮、各自显示各自的字符。段码表加位选轮转，代码结构与键盘扫描惊人地相似——又是同一个复用思想。
动态扫描有一个职业病值得预判：刷新率不足时显示会肉眼可见地闪烁，CPU 负担重时尤甚。扫描靠主循环空隙或定时中断驱动，若主循环某段代码霸占处理器太久，那一轮刷新就会掉拍。把显示扫描放进 8253 定时中断（6.4 的骨架原样适用），是工程上的一劳永逸。
案例展开。背景：学生作品在演示时数码管显示正常，一旦启动串口通信显示就闪烁。操作：测算两侧的时间预算——四位扫描一轮约需六毫秒，串口每字节中断一次、服务约零点三毫秒，通信时每秒近万次中断，累计占用尚不足以击穿刷新率；再查代码发现扫描被安排在主循环空隙执行，而通信期间主循环被长临界区反复打断，扫描节奏断裂。结果：把显示扫描挪进定时器中断，与通信中断按优先级排队，闪烁消失。解读：扫描类接口的命脉是节拍稳定，凡是"靠空隙吃饭"的时序逻辑，在系统繁忙时最先崩盘——节拍型任务必须由定时中断供养。变式：LED 点阵与大屏的扫描原理相同，只是位选换成了行驱动，刷新率预算要按行数重新摊——屏越大，越见这套方法的边界与代价。
连击、长按与显示的亮度账
识别只是开始，体验的细节都在后续状态机里。连击：手指按住不放，扫描程序会反复报同一键——打字机时代连击是缺陷，文本编辑里却是功能，系统的选择权在软件：设一个"重复触发"状态，按住超过五百毫秒后以固定节拍重复上报。长按与组合键：把按键事件交给一个带时间戳的状态机，长按、双击、组合都能定义成不同的状态转移——几十行的状态机换来完整的交互语法，是接口软件里性价比最高的一段代码。
显示端也有一笔亮度账。动态扫描的每位占空比是位数的倒数：八位轮流点亮，每位只有八分之一的时间在发光，平均亮度只有常亮的八分之一——限流电阻要按占空比重新核算，否则显示会莫名偏暗。刷新率与亮度是一对冤家：刷新率高了闪烁消失，但每位点亮时间更短、更暗。显示驱动的参数永远在这条线上找平衡点，加大驱动电流、换高亮器件都是为这个平衡点服务的。
高频追问两则
问：矩阵扫描会不会错过快速按键？ 会——扫描周期的理论下限是按键最短按压时间的几分之一。人手按键最短也在几十毫秒量级，常规扫描周期几毫秒绰绰有余；但机械振动的场景（工业面板）要把按键时间与扫描周期重新对账，必要时上硬件锁存。错过键的排查思路与 5.4 的中断丢失如出一辙：又是"处理延迟对事件间隔"的数学题。
问：为什么不用并行口直接接八个键？ 八个键可以，八十个不行——口线是硬件世界里最贵的资源之一。矩阵的本质是把口线需求从线性降为平方根，这个思想在存储扩展、显示驱动里反复出现，值得当成一条通用设计律记下来。
本节要点回顾
- 矩阵是线数的除法：行列交叉把按键的口线需求开方，代价是时间上的轮流问询。
- 去抖是必答题：弹跳五到十毫秒，软件延时复测或硬件整形，量产倾向前者外包给芯片。
- 动态扫描是光学把戏：轮流点亮快过人眼暂留，口线需求从每位一套压到全体一套。
- 节拍型任务归定时中断：扫描寄人篱下必然闪烁，独立的节拍供给才稳。
正向旅程走完，下一站反着走：物理世界的量如何经过触摸屏、传感器与音频接口，最终抵达人的感官。