【揭秘键盘扫描码】：USB键值表背后的10个技术秘密


参考资源链接：[USB HID 键值对照表：全集开发必备](https://wenku.csdn.net/doc/880c7uzkbt?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 键盘扫描码简介

## 1.1 键盘扫描码概述
键盘扫描码是计算机键盘输入设备的基础通信机制，它定义了按键按下和释放时产生的电子信号。这些信号被键盘微控制器转换为特定的二进制代码，用于与计算机系统通信。理解扫描码能够帮助我们更深入地了解键盘工作原理以及如何处理和响应用户的输入。

## 1.2 扫描码的历史背景
扫描码的历史可以追溯到早期计算机时代，当硬件和操作系统还非常原始时。最初的键盘协议如XT（eXtended Technology）和AT（Advanced Technology）扫描码为PC平台奠定了基础。随后，随着USB接口的普及，扫描码的生成和传输方式也发生了相应的变化，以适应现代计算机系统的需求。

## 1.3 扫描码的重要性
扫描码对于确保键盘输入的准确性和实时性至关重要。它不仅限于基本的按键输入，还包括特殊按键（如Ctrl、Alt、Shift）和功能键的处理。对于开发人员而言，了解扫描码机制有助于更好地编写键盘事件驱动的程序，对于安全专家，它也可以作为检测恶意软件和键盘记录器攻击的一个途径。

# 2. USB键盘通信机制

## 2.1 USB协议基础

### 2.1.1 USB架构和通信模式

USB（通用串行总线）技术是一种在个人计算机和电子设备间广泛使用的接口标准。USB架构由USB主机（Host）、USB集线器（Hub）、USB设备（Device）组成。USB通信模式包括了从主机到设备的控制传输、从设备到主机的数据传输、以及主机控制设备的同步传输。

USB通信采用了一个分层的结构，由物理层、数据链路层、会话层和应用层组成。其中，数据链路层通过传输控制协议（USB Transfer Protocols）来管理各种类型的通信，这些协议包括控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。控制传输负责设备初始化和配置，批量传输用于大数据量的可靠传输，中断传输用于低速、低延迟的设备交互，而同步传输则用于需要实时传输的设备。

### 2.1.2 USB数据传输流程

USB的数据传输流程涉及多个步骤，从USB设备的枚举（ Enumeration ）开始，然后是数据的发送和接收。当USB设备连接到主机时，主机首先通过枚举过程来识别设备并获取其描述符，包括设备的类型、速度和所需的通信参数。

数据传输以端点（Endpoint）为单位进行，每个端点都具有特定的传输类型、方向和缓冲大小。端点0通常被保留用于控制传输，而其他端点则用于批量、中断或同步传输。

在数据传输过程中，USB驱动程序会构建相应的请求，并通过USB主机控制器将这些请求转发到目标设备。设备响应请求后，将数据打包到相应的端点，并通过数据包的形式传输给主机。数据包包含必要的同步信息、地址信息和错误检测码，确保数据在传输过程中的完整性和正确性。

## 2.2 键盘扫描码的生成

### 2.2.1 键盘矩阵和扫描过程

键盘扫描码的生成依赖于键盘内部的矩阵排列电路。矩阵键盘中，行线和列线交叉构成键位点，按键的按下和释放将触发特定的行和列，从而产生一个唯一的键码。

在键盘扫描过程中，一个微控制器（MCU）负责扫描矩阵并检测按键状态。通常，微控制器会逐行发送信号，并通过列线读取响应，从而确定哪一个键被按下。当按键被按下时，对应的行和列线会形成闭合回路，微控制器检测到这个闭合回路后，会根据行列坐标生成扫描码。

### 2.2.2 扫描码与键值的对应关系

生成的扫描码与键盘上的实际键位有一个固定的对应关系。例如，在PC键盘上，当按下字母"A"键时，会生成一个特定的扫描码（比如0x1E）。这个扫描码并不直接代表字母"A"，而是一个编码，该编码会通过键盘驱动转换为对应的字符。

扫描码到字符的映射是通过键盘驱动程序实现的，驱动程序根据不同的语言和布局映射到相应的字符。这种映射关系存储在键盘布局表中，该表会根据操作系统和用户的配置不同而有所差异。

## 2.3 扫描码在USB设备中的传输

### 2.3.1 HID类设备与键盘事件

键盘作为一种人机交互设备，符合USB的HID（Human Interface Device）类规范。HID类设备包括了鼠标、游戏控制器以及键盘等，它们通过预定义的报告描述符来描述设备可以发送和接收的数据格式。

当一个键盘按键被按下或释放时，会生成一个HID报告，该报告包含了按键的状态和相关的扫描码。这些报告被周期性地发送到USB主机，主机识别这些报告并解析为相应的键盘事件，然后将这些事件传递给操作系统进行处理。

### 2.3.2 扫描码的封装和传输格式

扫描码在USB中的传输遵循特定的数据包格式。USB的数据传输使用称为“事务”的过程，每一个事务包括了数据包的发送和接收。数据包会被封装在事务中，然后通过端点传输。

例如，键盘事件的数据包通常使用中断传输模式，因为这类数据传输要求及时性高，且数据量小。数据包格式包括了同步字段、包标识符、地址字段、端点字段、帧编号和实际数据。在键盘的数据包中，实际数据部分包含了HID报告的内容，即扫描码和其他状态信息。

# 3. 扫描码技术深入解析

在键盘通信机制中，扫描码扮演着至关重要的角色。它不仅是键盘与计算机沟通的基本语言，还涉及到字符编码、硬件配置、操作系统映射以及软件层面的诸多优化。本章将深入分析扫描码的技术细节，并探讨其在硬件和软件层面的处理过程。

## 3.1 扫描码与字符编码

### 3.1.1 ASCII码表和国际字符支持

扫描码与字符编码的关联是键盘输入技术的基础。ASCII（美国标准信息交换码）是计算机最常用的字符编码系统，它为每个字符提供了一个7位的二进制码。例如，按下键"A"时，键盘设备发送的扫描码对应ASCII码表中的65（十进制），这在计算机内部转换为相应的字符"A"。

随着全球化的推进，国际字符的支持成为了必要。Unicode字符集的出现解决了这一问题，它提供了对世界上大多数书写系统中的字符进行编码的方式。扫描码如何映射到Unicode则取决于操作系统和键盘驱动程序的设计。

// 示例代码展示ASCII码转换为Unicode字符的过程（假设环境支持Unicode）
#include <stdio.h>

int main() {
    char ascii_char = 'A'; // ASCII码字符
    int unicode_value = (int)ascii_char; // 将ASCII字符转换为其对应的整数值
    printf("The Unicode value for the ASCII character '%c' is: %d\n", ascii_char, unicode_value);
    return 0;
}

### 3.1.2 多语言输入法与扫描码的关系

多语言输入法的设计对扫描码到字符编码的转换提出了挑战。例如，一个扫描码在英语输入法下可能对应"A"，而在俄语输入法下可能对应"А"。这种转换依赖于键盘驱动程序和操作系统的支持，通常需要复杂的逻辑判断和映射表。

## 3.2 扫描码的硬件依赖性

### 3.2.1 键盘布局对扫描码的影响

不同键盘布局，如美式、英式和中文布局等，会导致相同的物理按键发送不同的扫描码。为了正确处理按键输入，操作系统需要知道当前使用的键盘布局，并根据该布局进行扫描码到字符的映射。

graph TD
A[开始] --> B{检测键盘布局}
B --> |美式| C[应用美式映射表]
B --> |中文| D[应用中文映射表]
B --> |其他| E[应用对应布局映射表]

### 3.2.2 键盘驱动程序的作用

键盘驱动程序是连接硬件扫描码与操作系统之间的桥梁。它负责解