Tìm hiểu về tất cả các kiểu kết nối của bàn phím cơ hiện đại: Phần 1: Có dây

Thế giới hiện đại mờ ra nhiều cánh cửa hơn cho các thiết bị ngoại vi, trong đó nổi bật và được xem là phương tiện giao tiếp chính giữa con người và máy tính chính là bàn phím. Có rất nhiều cách để kết nối bàn phím với máy tính hay chính xác hơn là bộ điều khiển bàn phím như: Kết nối qua cáp gồm kết nối DIN tiêu chuẩn thường thấy trên bo mạch chủ, sau đó thay bằng cáp PS/2 và rồi cáp USB.

Rồi tới thời đại của các bàn phím không dây. Các bàn phím này tích hợp bộ phát và bộ thu được kết nối với cổng trên máy tính. Cách thức hoạt động của bộ thu và phát này dựa trên sóng vô tuyến RF hoặc hồng ngoại IR. Còn một loại wireless khác nữa là dùng Bluetooth, trong trường hợp này bộ thu phát được tích hợp hẳn vào bên trong kết cấu bàn phím và cấu hình máy tính nên không cần dongle để kết nối. Bàn phím không dây sẽ cần có pin để duy trì hoạt động của các kết nối. Hiện nay còn một loại bàn phím đặc biệt nữa được xem là tương lai của nhân loại: dùng năng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời nhỏ để thu và phát năng lượng từ ánh sáng tự nhiên (điển hình là chiếc bàn phím có tên 1984 Apricot Portable).

Trong loạt bài bàn về các kết nối của bàn phím, chúng ta sẽ lần lượt đi qua từng định dạng một cùng ưu và nhược điểm của mỗi loại kết nối nhé.

Kết nối DIN tiêu chuẩn là gì?

Đầu nối DIN là kiểu đầu nối điện, được tiêu chuẩn hóa vào những năm 1970. Nhưng kiểu đầu nối này khá phức tạp và thường gây nhiều rắc rối do có nhiều định dạng khác nhau. Bản thân chỉ mỗi từ “đầu nối DIN” không đủ để xác định được loại đầu nối cụ thể nào nếu không thêm vào phía sau những định dạng mô tả cần thiết. DIN connector tiêu chuẩn bao gồm các kiểu sau:

• DIN 41524 là dạng hình tròn, dùng cho tín hiệu âm thanh hoặc tín hiệu kỹ thuật số.
• DIN 41612 hình chữ nhật, dùng kết nối thẻ cắm với bo mạch chủ máy tính.
• DIN 41652 D-subminiature dùng cho dữ liệu máy tính và video.

Trong đó, cùng là đầu nối 8 chân, nhưng DIN45326 là 8-pin 270°

DIN41524 thì dùng 8-pin 262° thích hợp với các kết nối video hoặc máy tính và thiết bị ngoại vi.

Trong các kiểu đầu nối DIN thì phổ biến nhất là đầu nối DIN dạng tròn, cũng là đầu nối được dùng cho bàn phím IBM tiêu chuẩn đời đầu là IBM AT keyboard (dùng DIN 41524). Một điều thú vị mà có thể bạn chưa biết: kiểu kết nối PS/2 trên các bàn phím và chuột sau này chính là một kiểu kết nối Mini-DIN connectors có nguồn gốc từ DIN tiêu chuẩn ban đầu.

Đầu nối DIN tròn 41524 có cấu tạo như sau. Các phích cắm bao gồm một lớp che chắn hình tròn bảo vệ một số chân tròn thẳng phía trong. Các chân có đường kính 1.45 mm và nằm cách đều nhau trong một vòng tròn đường kính 7mm. Tất cả được bao bọc bởi một phần gọi là skirt nhằm đảm bảo phích cắm được cắm đúng hướng và tránh làm hỏng các chân bên trong. Thiết kế cơ bản cũng đảm bảo tấm chắn được kết nối giữa các ổ cắm và phích cắm trước khi thực hiện bất kỳ kết nối đường dẫn nào. Nhưng vì khóa nhất quán trên tất cả các đầu nối nên nó không thể ngăn cản các đầu nối khác nhau gắn được với nhau. Và khi cố gắng gắn hai đầu nối không giống với nhau sẽ dễ dàng gây hỏng hóc hoặc chập mạch.

Vì một số các nhược điểm trên mà kiểu kết nối DIN tiêu chuẩn đã được tinh chỉnh lại để trở thành Mini-DIN hay còn gọi là PS/2 mà chúng ta vẫn thường nghe.

Kết nối cáp PS/2 là gì?

Cổng PS/2 thực chất là đầu nối mini-DIN, được tinh chỉnh từ đầu nối DIN tròn trước đây, và dùng kết nối bàn phím hoặc chuột với mày tính PC dùng chung. Người ta không gọi mini-DIN vì dễ gây nhầm lẫn do có rất nhiều kiểu kết nối DIN khác ngoài kiểu hình tròn. Thêm nữa, kiểu kết nối này được IBM thiết kế ra dựa trên các DIN truyền thống, điều chỉnh lại để dùng trên máy tính PC IBM Personal System/2 của IBM (1987). Nên từ đó kiểu kết nối này được gọi tắt là PS/2. Cụ thể:

• PS/2 được IBM dùng để thay thế cho kiểu kết nối chuột qua DE-9 RS-232 “serial mouse” cổ điển.
• PS/2 được dùng thay cho 5-pin/180° DIN connector để kết nối bàn phím (vốn được dùng với máy tính IBM PC/AT).

Về nguyên tắc, cổng PS/2 giống với cổng bàn phím AT của IBM nhất là về thông số điện năng và cách hoạt động. Và loại PS/2 cho chuột không thể dùng chung với PS/2 của bàn phím.

Giao diện của kết nối PS/2

Giao diện kết nối PS/2 có hai đường tín hiệu chính là Data và Clock. Đây là các tín hiệu một đầu được điều khiển bởi các open-collector drivers ở mỗi đầu. Đường đi của tín hiệu là từ thiết bị đến máy tính, sau đó thiết bị sẽ tạo ra tín hiệu Clock. Để truyền một byte, thiết bị sẽ cần xuất một khung dữ liệu nối tiếp (serial frame of data), gồm 8 bit dữ liệu và 1 bit chẵn lẻ. PC có thể ngắt thiết bị bằng cách kéo Clock xuống thấp khi thiết bị đang truyền và ngăn thiết bị truyền data khi máy tính chưa sẵn sàng nhận.

Đọc tới đây mọi người có thấy quen quen từa tựa tính năng gì ở bàn phím cơ không? Vầng, đó chính là tính năng KRO mà chúng ta vẫn thường hay nói với nhau. Trong tất cả các kiểu kết nối thì PS/2 tuy không hiện đại và tiện lợi hay có thẩm mỹ cao bằng các kết nối còn lại, nhưng là kết nối duy nhất cho khả năng KRO cực kỳ cao và chính xác nơi các bàn phím cơ. Cụ thể ví dụ như với bàn phím Filco một số loại dùng kết nối PS/2 với adaptor đi kèm thì tính năng NKRO ở cáp USB có độ chính xác thấp hơn so với kết nối PS/2 (full NKRO). Đó chính là nhờ khả năng nhận diện và tự động hạ Clock của PC khi nhận ra bàn phím đang dùng kết nối PS/2.

Kết nối kế thừa và cổng USB, đồng thời với tồn tại song song của PS/2

Đến năm 2000 với sự ra đời các thế hệ PC mới từ Intel, các đầu nối thiết bị ngoại vi kiểu PS/2 này dần bị lỗi thời và không còn dùng nhiều như trước đây nữa, mà thay vào đó là các kết nối qua cổng USB.

Tuy nhiên cổng PS/2 vẫn được dùng trong các bo mạch chủ máy tính và vẫn có đối tượng khách hàng riêng của mình nhờ vào một số lý do sau:

• Cổng PS/2 cho độ bảo mật cao hơn vì kết nối này làm cho các kiểu USB bị vô hiệu hóa hoàn toàn, quá trình chép dữ liệu từ trong máy ra ngoài hầu như không thể nào diễn ra tới đĩa hoặc ổ cứng rời.
• Cách thức hoạt động và truyền dữ liệu của PS/2 giúp bàn phím phát huy tốt nhất tính năng KRO. Hiện nay một số bàn phím dùng kết nối USB tháo rời cũng đã làm rất tốt tính năng này.
• Dùng kết nối PS/2 sẽ giúp chừa trống cổng USB vốn có hơi ít ở các PC cho các thiết bị ngoại vi khác như loa, tai nghe…
• Một số bàn phím kết nối USB có thể không chạy được BIOS trên một số bo mạch chủ nhất định do sự cố trình điều khiển hoặc thiếu hỗ trợ. Trong khi PS/2 lại có thể tương thích với tất cả các kiểu BIOS.

Nhược điểm lớn của kết nối PS/2 với các thiết bị ngoại vi là cần phải cắm PS/2 vào máy tính trước khi khởi động máy thì mới nhận diện được thiết bị.

Hầu hết những lợi thế của kết nối PS/2 thể hiện rất rõ trên các bàn phím cơ hiện nay. Nhưng còn với chuột, kết nối PS/2 lại bị hạn chế: Chuột dùng kết nối USB cho tốc độ chuyển data nhanh hơn chuột kết nối PS/2 (125 hertz vs 1000 Hz).

Lưu ý: với những PC kết nối cùng lúc PS/2 với chuột và bàn phím (cho tiết kiệm chi phí sản xuất và giá thành) thì có khi sẽ xảy ra trường hợp bộ điều khiển bị nhầm lẫn trong lúc cùng hoạt động, dẫn tới một số sai lệch không mong muốn, ví dụ lỗi từ bàn phím nhưng lại hiển thị thành lỗi của chuột và ngược lại.

Chuyển đổi kết nối giữa USB & PS/2

Nhiếu bàn phím và chuột được thiết kế đặc biệt để dùng được với cả hai loại kết nối USB và PS/2. Nghĩa là chúng thường có cổng cắm USB, đi kèm với bộ chuyển đổi bằng dây thụ động để kết nối PS/2. Các passive adapters kiểu này thường không có chuẩn hóa cho nên có thể xảy ra trường hợp mỗi hãng sẽ có một kiểu thiết kế khác nhau. Vì lý do này nên hiện tại không còn quá nhiều loại kết hợp kết nối kiểu này, mà sẽ chỉ dùng một trong hai loại PS/2 hoàn toàn hoặc cáp USB có thể tháo rời.

Độ bền và tính tiện lợi của  kiểu kết nối PS/2 vs USB

Đầu nối PS/2 bản chất vốn không được thiết kế để tháo ra cắm vào thường xuyên vì đầu tròn dễ bị biến dạng và chân kim loại phía trong cũng dễ bị cong. Thêm nữa là PS/2 chỉ được chèn theo một hướng và tốt nhất cấn được xoay chính xác trước khi kết nối.

Trong khi đó kết nối cáp USB lại bền chắc hơn, và các chi tiết phía trong USB không bị biến dạng nên có tuổi thọ bền và tiện lợi cho việc di chuyển tháo cáp ra vào hơn nhiều.

Tìm hiểu về kết nối có dây hiện đại qua cổng USB

Đây là một câu chuyện khá dài cho những ai muốn tìm hiểu sâu về kiểu kết nối có dây USB hiện đại này.

Năm 1994, các hãng lớn gồm Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, và Nortel đã hợp tác cùng nhau để phát triển ra một loại cáp đặc biệt có tên: Universal Serial Bus (USB).

Đây là loại cáp được thiết kế để chuẩn hóa kết nối giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, máy in, loa, tai nghe, máy ảnh… USB đã được tạo ra trên cơ sở chuẩn hóa cấu hình, đơn giản hóa cơ cấu hoạt động và phần mềm, đảm bảo tốc độ dữ liệu và độ bền cần thiết của các cổng khi cắm và ghép vào thường xuyên, là điều mà kết nối PS/2 đã chưa thể làm tốt trước đây.

Thông số kỹ thuật ban đầu của kết nối USB được công bố vào những năm 90s cho thấy các cổng USB ban đầu này đã có một số tiến bộ đáng kể thậm chí là vượt bậc so với các kết nối DIN hay PS/2 trước đây, cụ thể là tốc độ truyền dữ liệu 1.5 megabits/ giây căn bản, riêng các cáp USB fulll speed thì đạt tới 12 Mbps.

Hiện nay có 3 loại đầu nối USB chính là: USB Type A, USB Type B, và USB Type C, mỗi loại sẽ có một số biến thể và tùy chỉnh tùy theo thiết bị và loại băng thông.

1/ USB Type A

Đây là đầu nối tiêu chuẩn nhất trong các kiểu USB. USB-A thường được dùng cho PC và trên hầu hết các đầu ra của cáp sạc thiết bị. USB-A có giao diện phẳng, hình chữ nhật, kết nối trực tiếp với các thiết bị chủ và giữ cố định thông qua ma sát. Cách cấu tạo này vừa đủ bền để giữ cho kết nối ổn định vừa đủ dễ dàng để người dùng ngắt kết nối nhanh chóng

2/ USB Type B

USB-B vốn được dùng trong các máy in nhưng giờ đây khi hầu như các máy in đều chuyển qua dùng không dây thì USB-B được tận dụng trong điện thoại di động, cụ thể là trong Micro-USB B adapters, kết nối máy in di động và ổ cứng gắn ngoài. Các cổng USB-B này có giao diện hình vuông với các biến thể là Micro-USB B, USB Mini-b (5-pin), và USB Mini-b (4-pin).

3/ USB Type C

Đây là loại đầu nối hiện đại và phổ biến nhất hiện nay trên thị trường. Được xem là giải pháp chu toàn cho mọi kích thước. USB-C có giao diện đối xứng, có thể đảo ngược, thiết kế dẹp gọn gàng và thanh lịch hơn các USB cũ trước đó.

Cận cảnh 3 loại kết nối USB phổ biến đã qua tinh chỉnh hiện nay

Ngoài cách phân chia trên thì các kết nối USB còn được phân cấp sâu hơn tùy theo thông số kỹ thuật nguồn. Ở mỗi phiên bản số lượng băng thông sẽ tăng lên cũng đồng nghĩa với tương thích nhiều thiết bị hơn và cho tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn.

USB 1.1
Mặc dù đã lỗi thời, chuẩn kết nối USB 1.1 hay còn gọi là Full-Bandwidth USB trong lịch sử từng là cổng USB được dùng rộng rãi nhất trên khắp thế giới. Nó cho phép băng thông tối đa 12 Mbps trên các thiết bị căn bản như chuột, bàn phím và máy tính.

USB 2.0
Còn được gọi là High-Speed USB (USB siêu tốc). Cải tiến chính của kết nối 2.0 chính là nâng cấp băng thông lên thành 480 Mbps, cho phép dùng với các thiết bị băng thông cao hơn như adapters, cáp chuyển và thiết bị lưu trữ dữ liệu lớn. Kết nối USB 2.0 cũng mang lại khả năng tương thích ngược nên có thể hỗ trợ hoàn toàn cho các thiết bị USB 1.1.

USB 3.0 và USB 3.1 Gen 1
Được mệnh danh là SuperSpeed USB, phiên bản USB 3.0 lại nâng cấp băng thông của 2.0 lên một bậc, thành mức 4.8 Gbps và cũng có khả năng tương thích ngược hoàn toàn.

USB 3.1 và USB 3.1 Gen 2
Có thể phân biệt USB 3.1 thông qua các đầu nối màu xanh Blue. Kiểu kết nối này được dùng trong các sản phẩm mới thuộc dòng Apple MacBook. Kết nối USB 3.1 Gen 2 cho tốc độ truyền dữ liệu lên tới 5 Gbps

Bản đồ phân chia theo hàng ngang và hàng dọc của các loại cổng USB hiện nay

Có thể thấy rõ tất cả những cải tiến qua các dòng kết nối USB được thể hiện rõ nhất qua các tiêu chuẩn phân phối điện năng ngày càng nâng cao và khả năng giao tiếp giữa các thiết bị (tốc độ truyền dữ liệu)

OK cáp USB rõ là hiện đại hơn nên ta cùng tìm hiểu sâu hơn về loại phổ biến nhất là USB-C nhé

Kết nối USB-C được xem là kiểu kết nối hiện đại, thông minh nhất, khi có thể phù hợp với hầu như mọi kích thước đầu nối thiết bị và có khả năng cung cấp năng lượng cho mọi thiết bị, với tốc độ truyền dữ liệu ấn tượng nhanh chóng. Và với thiết kế đầu nối nhỏ hơn. USB-C có khả năng trở thành một cổng đa năng để sạc và truyền dữ liệu đồng thời với các thiết bị. USB-C cũng có thể tương thích ngược hỗ trợ tốt cho các chuẩn kết nối trước (2.0, 3.0, and 3.1).

Đặc điểm chủ yếu và cũng là ưu điểm của kết nối USB-C:

• Có kích thước rộng hơn cổng Micro-USB.
• Khâu hàn các chi tiết khi lắp ráp với cổng USB-C sẽ khó và phức tạp hơn nhiều vì
  • Mini/Micro-USB chỉ có 5 chân
  • Type-C có 24 chân.
• Không thể hàn đầu nối USB-C hoàn toàn bằng phương pháp thủ công
  • Type-C connectors có hai hàng chân, một trong hai hàng nằm ở phía dưới connector.
  • Nếu hàn thủ công nên chọn đầu nối lai có chân xuyên lỗ để lộ ra hàng chân phía dưới.
• Các đầu nối USB-Type C không có phần cạnh PCB mở rộng như kết nối MicroUSB
• Và thường các đầu nối Type-C có các lỗ đầu ra cực kỳ ngắn (nhỏ hơn 1mm) nên gặp các PCB dày có thể sẽ không vào được hoặc khó lắp ráp.

Đây là sơ đồ kết nối vô cùng phức tạp của USB-C

Nếu trong tương lai, USB-C có thể làm tốt hơn vai trò KRO của PS/2 thì có lẽ không có gì để bàn nữa về kiểu kết nối toàn diện này.

Trong phần tiếp theo của bài viết này chúng ta sẽ bàn về các kiểu kết nối không dây, một chuẩn mực mới của thế giới hiện đại.