笔电键盘技术解析：从矩阵扫描到EC管理的二十年演进

现代笔记本电脑的键盘区域设计精致，有的还配备了炫酷的背光和跑马灯效果，加上各种独特的功能键，充满了高科技感。然而，其背后的工作原理和运作逻辑，在过去二三十年间几乎未发生显著变化。与普通桌面键盘从PS/2接口逐渐转变为USB接口不同，现代笔记本电脑的键盘在很大程度上仍保留着二十年前的设计，这主要归功于键盘系统控制器（KSC）的嵌入式控制器（EC）在这方面表现得“太过稳定”。

追溯键盘的发展历史，最早的键盘可追溯到IBM PC及其后续的IBM XT系统上的“XT键盘”，这些键盘如今已显过时，与现代键盘存在显著差异。随后，IBM AT系统及其后续的IBM PS/2系统引入了AT键盘和PS/2键盘，它们与现代键盘的外观已十分相似。PS/2键盘采用了更小的接口，并支持额外功能，同时保持了对AT键盘的向后兼容性，强调兼容性而非额外功能。最终，USB接口取代了PS/2，成为当今键盘的主要连接方式。

尽管键盘技术经历了数十年的演进，但其底层技术原理几乎未变，主要包含两部分：如何获取按键信息以及如何将这些信息汇报给CPU。键盘消息的汇总由键盘本身完成，主要是通过监控按键矩阵来得到扫描码（Scan Code）；而将这些信息报告给CPU的工作，最初由南桥中的键盘控制器（KCS，即8042键盘控制器）完成，后来则由USB HID主机设备来承担。

那么，什么是扫描码呢？可以将键盘视为一个由众多小开关组成的矩阵，每个小开关都可以通过列（column）和行（row）来唯一定位。通过监控行和列电路上的电流变化，可以确定各个开关的状态。桌面电脑键盘中通常带有一个小处理器MCU，它大部分时间都在“扫描”或监控按键矩阵。当发现任何按键被按下、松开或按住时，MCU就会记录下一个称为“扫描码”的信息。扫描码分为通码（make code）和断码（break code）两种，按下或按住按键时产生通码，释放按键时则生成断码。每个按键都有自己独一无二的通码和断码，因此主机只需查看一个扫描码，就能准确确定哪个按键发生了什么。

在最初和之后的很长一段时间里，收集并汇报这些扫描码信息给CPU的工作由8042键盘控制器或其仿真品来完成。然而，随着PS/2接口的淘汰，市面上几乎看不到PS/2接口的键盘了，取而代之的是USB键盘。在PCH南桥中，8042这个IP被移除，取而代之的是由USB协议栈来汇报扫描码。但在笔记本电脑中，8042这个“上古恐龙”仍以某种形式存在着。

笔记本电脑的“管家”——EC，最初就是为了模仿8042而设计的。尽管现在这个功能只是其功能集合中的一小部分，但仿真8042、扫描键盘矩阵、产生扫描码，并处理8042的编程接口（端口0x60和0x64）的功能，仍然顽固地存在于EC的代码中，且几乎未发生改变。

以ChromeBook的EC代码仓库为例，其键盘处理代码相对简单，主要集中在common目录下。其中，keyboard_scan.c文件实现了EC中的键盘扫描模块，负责检测和处理键盘矩阵中的按键事件，这是键盘输入处理的底层实现，为上层键盘协议（如8042或MKBP）提供基础支持。该文件中的keyboard_scan_task()函数被注册在系统任务中，单独开一个线程运行，不断扫描键盘矩阵以查看是否发生了变化。它通过读取行和列的信息来检测按键状态，并通过keyboard_state_changed()函数通知8042仿真模块。

除了通过行列扫描方式读取键盘矩阵状态和检测按键按下、释放事件外，该模块还支持处理按键去抖动、检测并处理键盘幽灵键问题、支持按键模拟功能以及特殊按键组合和特殊功能键。

而keyboard_8042.c文件则实现了8042键盘控制器协议，其辅助函数库为keyboard_8042_sharedlib1.c。在sharedlib中，可以看到行和列对应的扫描码集合。该文件的功能主要分为三部分：处理矩阵扫描的结果、命令端口(0x64)处理以及数据端口(0x60)处理。通过端口0x60和0x64的组合，可以完成键盘和PS/2鼠标（已淘汰）的初始化等复杂操作。

虽然键盘实现原理看似简单，但背后涉及的技术细节却不容忽视。例如，当几个按键同时按下时，程序能否正确处理？这背后涉及到按键冲突检测和防鬼键技术等复杂问题，值得深入探讨。