什麼是 N-key 與按鍵衝突？原理說明、改善技術、選購注意完全解析

不管是文書處理或遊戲中，我們都經常會使用到組合鍵，也就是多顆按鍵一起按下，執行某些特定的功能。有時候你可能會發現，明明只按下2顆鍵，再按下第3顆鍵時訊號卻沒有輸出。要是打報告到一半遇到這種狀況還好，如果在遊戲中遇到，那可能發生被大屠殺的慘劇。而造成這些情況產生，就是鍵盤的「鍵位衝突」（或稱「按鍵衝突」）所致。

再舉個簡單的例子，當在CS遊戲中拿著小刀要往斜後方行走時（按下S+D鍵或A+S鍵），這時看到敵人要切換武器（壓下數字鍵2或3），有些鍵盤就無法直接拿出武器，一定要放開行走的按鍵才能切換武器。這並不是遊戲的Bug，而是因為鍵盤內部先天性設計所產生的問題。

鍵位衝突不是卡鍵

鍵位衝突與卡鍵事實上是不相同的情況，許多人習慣以後者來形容鍵位衝突，而且在網路以訛傳訛的結果，就把這2種名詞變成同義了。事實上，「卡鍵」代表鍵帽壓下時陷在鍵盤內，彈不回來原有的位置，或者彈回來的時間比正常的時間還長，完全直接是照字面意思來解釋的。

結構、訊號雙管齊下

要認識什麼是鍵位衝突，就必須分2個部分來討論。第1部分得先了解鍵盤內部的構造，訊號是如何判斷與傳遞，以及遇到錯誤該如何避免；第2部分是探討如何將鍵盤訊號傳輸至電腦端，內在架構雖然不會造成鍵位衝突，但不同鍵盤的連接介面可能會造成影響，而無法順利將每個訊號送出。將2個部分整合起來，才能完全認識鍵位衝突原理。

非編碼鍵盤當道

鍵盤依轉換代碼來分類，可以分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤2種。編碼鍵盤是指按下按鍵時，直接由數位電路上產生出ASCII碼，或者特別編碼來輸出。非編碼鍵盤則是將鍵盤按鍵排成矩陣形式（Keyboard Matrix），當按鍵觸發時，由鍵盤控制器（Keyboard Controller）依照行（Clown）與列（Row）的資訊，來查詢鍵盤碼表格，藉此找出使用者壓下的按鍵資訊並輸出。非編碼鍵盤的鍵盤碼表格較容易重新定義，結構技術不難。對於不同國家的鍵盤配置都容易進行鍵位設計，所以已經成為目前鍵盤主要的設計方式。

薄膜式鍵盤的行與列電路，會分散到鍵盤的2層薄膜電路上，而機械式則設計在PCB電路板上。這些行與列至少會由16條線路與8條線路交叉形成，組合出共有128個交叉點。目前鍵盤按鍵數大約為103鍵，就算語系不同按鍵數也不會相差太多，這128個點可以運用到目前所有的鍵盤。不過這種矩陣的設計方式代表壓下就會形成通路，如果一次壓下太多鍵，就有可能造成訊號誤判。

行與列判斷訊號

接下來，我們來看看是鍵盤訊號是如何偵測與送出。鍵盤的按鍵資訊都是設計在鍵盤矩陣中，裡面每個行與列的交錯點都代表著1顆按鍵資訊。當按鍵被觸發時，鍵盤就會進行掃描，查詢是哪顆鍵被壓下。首先會以行為單位會輪流掃描，之後再判斷是哪一列形成通路。

當單一按鍵被壓下時，鍵盤掃描行與列的原理非常簡單，很容易就會找到是哪顆鍵被壓下，立即就會將訊號送出，但如果同時觸發超過1顆按鍵時，則是另一種情況。鍵盤矩陣中最小矩形單位會是由4顆按鍵所組成，4顆鍵壓下任何1顆鍵都能順利輸出訊號。任意2顆鍵按下時，鍵盤控制器也能依行列資訊判斷是哪些鍵被觸發。當同時壓下1顆鍵與2顆鍵時，鍵盤很容易就能判斷訊號並將其送出。

產生Ghost Key

不過同時3顆鍵壓下時，就會送出2個行資訊與2個列資訊到鍵盤控制器。由於2行與2列共可形成4顆鍵，所以光靠行列資訊無法推算是4顆鍵中的哪3顆，而這時意外被導通電路的第4顆鍵，稱為Phantom Key（幽靈鍵）或Ghost Key（鬼鍵）。

Ghost Key出現時，控制器因無法判斷正確按鍵而產生錯誤的判斷資訊，為了避免錯誤訊號被送出，鍵盤控制器就會忽略第3顆壓下的訊號，只會輸出前2顆鍵一定正確的訊號。這就是目前使用者常會疑惑，明明已經壓下按鍵，為什麼電腦卻沒有送出訊號，其實就是因為產生Ghost Key發生鍵位衝突。

▲此為鍵盤矩陣簡化圖，在3行3列的電路中配有Q、W、E、A、S、D、Z、X、C鍵共9鍵。實際鍵盤矩陣不會如此簡單，會更為複雜。

▲當Q鍵壓下時：從C1開始掃描，R1有被導通電路，R2沒有，所以推論出C1R1被壓下。再從C2開始掃描，R1與R2都沒有形成通路。結論得到C1R1即Q鍵被觸發。

▲當Q、S鍵壓下時：從C1開始掃描，R1有被導通電路，R2沒有，所以推論出C1R1被壓下。再從C2開始掃描，R1沒有形成通路，R2有被導通電路，所以推論出C2R2被壓下。結論得到C1R1與C2R2即Q鍵、S鍵被觸發。

▲當Q、W、A鍵壓下時：從C1開始掃描，R1被導通電路，R2也被導通電路，所以推論出C1R1、C1R2都形成通路。再從C2開始掃描，R1被導通電路，此時R2透過C1也被導通電路，所以推論出C2R1、C2R2都形成通路。結論得到C1R1、C1R2、C2R1、C2R2即Q鍵、W鍵、A鍵、S鍵都被觸發，不過實際並不是如此。S鍵沒有按下卻意外被導通，此鍵就命名為Phantom Key，即Ghost鍵（鬼鍵）。

USB照樣能N-Key

目前鍵盤連接介面以PS/2與USB為主，而這2種介面的傳輸方式與內容都不相同。在前一單元有提到，鍵盤控制器（Keyboard Controller）由行列資訊查出是哪顆鍵被觸發後，就將按鍵資訊傳輸到電腦中。這只能算是簡略的說法，其實在這段過程中，鍵盤還做了許多事情。

隨時監控按鍵狀態

鍵盤控制器（Keyboard Controller）大部分時間都在掃描鍵盤矩陣，以及監控鍵盤是否有更動按鍵狀態。當按鍵被按下或將按鍵放開時，都會送一組掃描碼（Sacn Code）給電腦。這組掃描依不同情況分為2種：Make Code與Break Code。Make Code是在使用者按下按鍵時立即送出，Break Code是使用者放開按鍵時送出。這2種的內容都是獨一無二，方便給電腦主機能夠準確辨識之用。

先找出按鍵位置

送出Mack Code與Break Code訊號，得要先找到使用者是按下哪顆鍵才行。鍵盤無論採用何種鍵位配置，都會針對每一顆按鍵定義一個鍵盤號碼（Key Number）。當使用者壓下按鍵時，鍵盤控制器由行列資訊找出哪顆按鍵被壓下，再從鍵盤表中查出此按鍵位置所代表的是哪一個按鍵訊號。這中間過程無論是在PS/2介面或USB介面下都是相同的，但之後查表送出的訊號就有所不同了。

▲無論是101鍵與102鍵的按鍵配置，每個按鍵都會有1組按鍵號碼。

進行查表

知道按鍵位置之後，便會從Scan Codes Tables（掃描碼表格）中查詢Scan Codes（掃描碼）並送出訊號。其中Scan Codes Tables有分為Set 1、Set 2、Set 3共3組，一般系統預設是查詢Scan Codes Tables Set 2。

預設查表Set 2

在Scan Codes Tables Set 2中，鍵盤主要鍵位區Make Code每顆按鍵都是由1組8-bit位元碼（1Byte）組成，Break Code為2Bytes，其中Break Code第1個Byte皆為十六進位的F0，第2個Byte則與Mack Code相同。在主要鍵位區中，只有右側Ctrl鍵與右側Alt鍵不同，分別與左側Ctrl鍵與左側Alt鍵相比較，在Make Code部分多十六進位的E0，Break Code多十六進位的E0F0。

擴展功能鍵（Extended Keys）如鍵盤中間九宮格區（Insert、Delete等）、方向鍵區與右側數字鍵區，與Number Lock關閉時的右側數字鍵區功能重複。換句話說，因為擴展功能鍵常會隨著Shift鍵與Number Lock鍵的開啟與關閉而影響輸出結果，所以獨立定義出一組規則，不會與主要鍵位區相同。在Make Code會增加十六進位的E0，Break Code多出十六進位的E0F0。另外數字鍵區「/」、PrintScreen鍵、Pause鍵，這些也是有獨立的Make Code與Break Code表示。

電腦轉ASCII使用

當電腦接收到鍵盤所送出的掃描碼，會再轉成ASCII。最後這部分是由系統中驅動程式來完成，以便套用多國語系的設定。用PS/2介面的鍵盤運作狀況大致是如此，若用USB介面，就又是下面這種情況。

▲IBM技術參考手冊有將每一個按鍵的Make Code與Break Code一一條列出來。

USB HID限制6+2鍵

PS/2按鍵壓下與放開，是分Make Code與Break Code送出，而USB介面下則完全不同。依據USB HID（Human Interface Devices）規範，它是將正在壓下的按鍵訊號送出，沒有壓下按鍵的訊號就不送出。壓下的訊號按鍵每一次的封包為8 Bytes，其中2 Bytes 為Modifier Keys與Reserved保留鍵。

Modifier Keys為1Byte即8 bit，每一個bit可以記錄Shift、Ctrl、Alt、Windows鍵，左右側各有1顆鍵共8鍵。Reserved保留鍵可以做為Caps Lock、Number Lock、Scroll Lock等等鍵使用。扣除Modifier Keys與Reserved Keys之後，其他按鍵最多只有6鍵可以輸出。

USB鍵盤按鍵定義

▲由USB HID 1.11中可以明確看到USB鍵盤使用8 Bytes。

▲Reserved Keys保留鍵可以讓廠商做為多種用途。

▲Modifier Keys每1個bit各代表著不同按鍵訊號。

▲其他按鍵的訊號送出的定義也與Scan Codes Tables Set 2不同，USB有自己的一套查表，詳細可以查詢USB HID Uasage Tables。

訊號先進先出不打結

在USB HID中，我們真正可以使用的按鍵只有6鍵。如果按下超過6鍵，或者送出Ghost Key時，鍵盤便會送出錯誤訊息而停止。有些廠商在這裡的處理方式為採用FIFO（First In First Out，先進先出），當已經滿6顆訊號時，再讀取使用者新輸入的第7鍵訊號，就捨棄原本的第1鍵訊號，持續保持同時6鍵輸出。

▲USB按鍵送出範例：此範例以4 Bytes封包送出鍵盤訊號，其中1 Byte保留給Modifier Keys使用。如果鍵盤沒有動作時（None），送出的封包訊號與前一次相同。

解開HID封印可行

USB HID只是對USB設備設立的規範，USB裝置也能照著自己的規則走，所以USB鍵盤同時輸出6鍵還是可行，在這分享幾種USB鍵盤突破限制的方法。只是這些方法都需要付出額外的成本，早期鍵盤幾乎都是遵守USB HID規範，所以才會有許多人認為多鍵輸出在USB介面下是不可能的任務。

模擬多把鍵盤

但其實仍有辦法遵守USB HID規範，又能突破限制。最簡單的方法，就是利用鍵盤晶片，讓電腦在使用1把鍵盤情形下，誤認為同時連接多把鍵盤。就能將鍵盤按鍵，透過模擬的鍵盤分送訊號。原本限制的6顆鍵就能串聯起來，而重複的Modifier Keys與Reserved Keys位置，也能重新定義新按鍵送出，達成多顆鍵同時輸出。

此種方法穩定性較高，造成系統誤判的機率較低，許多鍵盤都採用這種方式。不過每多模擬1把鍵盤，至少就需要多1顆晶片，還要將晶片互接連接並將訊號分配控制，成本也隨之增加。通常採用此方法時會猜測玩家的按鍵需求，而非無上限地模擬鍵盤。

▲由作業系統的裝置管理員中，可以觀察到微軟SideWinder X4鍵盤模擬出2把鍵盤。

更改按鍵定義宣告

USB鍵盤變數宣告中，原本每Byte是代表著不同按鍵，但是可依需要重新宣告變數。每一個Byte分開成8 bits來計算，每1個bit各代表著1個按鍵，所以總共可以代表8個按鍵訊號。延伸至USB鍵盤原本8 Byte的訊號資料中，就可以代表著64顆鍵。搭配模擬多把鍵盤方式，只要模擬出第2把鍵盤就能有128個訊號，可滿足鍵盤全鍵輸出的需求。此種方法可以很容易在USB介面下達到全鍵輸出，打破介面的限制。

穩定性最重要

鍵盤相關的技術每年都會進步，要達到一樣的目標會有許多種技術，使用時通常也不會採用單一種方法，而是混合搭配。筆者無法針對每一種方法都加以詳細介紹，只能將比較常見的方法提出來討論研究。

雖然有些方法可以達到超過6鍵以上輸出，但是無法保證在每台電腦都能正常輸出。透過USB HUB等連接器時，鍵盤通常發生問題的機會較高。最後在市場鋪貨的鍵盤，多數都是將問題發生率降到最低，或者已有其他的配套方式可使用。無論如何，能夠讓玩家順利輸出鍵盤訊號才會是最重要的。

土砲自己的NKRO鍵盤

當然如果要靠自己力量，土砲出一把N-Key Rollover鍵盤不是難事。內部電路比較好去掌握，介面部分則較為複雜不易更動。國外有玩家自行購買二極體，然後再焊接於PCB電路板上，將鍵盤矩陣的電路加上跳線再加以改造，使得每個按鍵都能獨立送出訊號。這位玩家使用型號為1N4148的二極體，有興趣你也可以試試。

國外玩家做法

圖片來源網頁：http://geekhack.org/

▲圓圈代表按鍵，此圖為製作的重點。將按鍵獨立出來，並且焊上二極體。部分按鍵電路可依需要另外連接線路。

▲真正電路板上的按鍵訊號很複雜，判斷上不容易。首先要將按鍵獨立出來，所以部分電路板上需要先截斷電路。

▲然後再焊上二極體，與連接跳線。

▲全部完成後就製作出一把N-Key Rollover鍵盤。

看清產品真相

從市面上的產品規格不難觀察到，部分電競廠商會加入Anti-Ghosting標示，表示鍵盤能夠避免Ghost Key產生。但了解原理後，就能知道不是N-Key Rollover結構鍵盤，就會產生Ghost Key。

避免Ghost Key的方式都是將鍵盤矩陣進行最佳化處理，將常使用的遊戲按鍵畫出區隔，避免出現在同一個矩型內，減少鍵位衝突的機率。不過並非每家廠商都會註明鍵盤針對哪些按鍵有最佳化處理，加上每種遊戲會使用到的組合按鍵都不同，所以玩家可能還是會遇到鍵位衝突。

詳列按鍵最負責

認為光是註明Anti-Ghosting是不夠，應該將不會造成鍵位衝突的所有按鍵列出才是最負責的做法，也能讓玩家能清楚了解廠商所謂「最佳化鍵盤矩陣」的成果。目前有提出按鍵列表的是i-rocks的KR-6220G，這把薄膜式鍵盤針對Q、W、E、A、S、D、空白鍵與方向鍵共11顆鍵特別進行鍵位處理，將這些鍵避免設計在同一個鍵盤矩形中，能同時輸出11顆按鍵訊號並不衝突。因為是最多11顆鍵不衝突，所以i-rocks行銷宣傳時就是強調最多11顆鍵不衝突，而不是11-Key Rollover。

1種N-Key各自解讀

並不是每家廠商或店家都了解鍵位衝突的定義，除了常會解釋錯誤外，更有可能看到2-Key Rollover與N-Key Rollover表達以外的規格出現。如常見的會是6鍵、8鍵或10鍵，許多廠商對於這些鍵數定義都是以「最多」而不是「任意」，這應該直接以敘述方式表示而不是使用Rollover用詞。筆者更有遇過標示6 N-Key Rollover、Full N-Key Rollover，這種使用法錯得更是明顯。

注意鍵盤使用介面

由N-Key Rollover的定義可以知道，N代表著「任意同時可以處理的鍵數」，這句話與「同時可以處理最多的鍵數」是完全不一樣的。在早期PS/2時代時，稱為N-Key Rollover的鍵盤代表能全鍵輸出。而使用USB介面，就算內在使用N-Key Rollover架構設計，廠商如果沒有特別處理，便會受到USB HID規範影響而無法全鍵輸出。這時筆者認為能以6-Key Rollover來表示，事實上鍵盤的任意6鍵確實不會衝突，通常鍵盤在標示擁有N-Key Rollover功能時，都會標示使用介面以減少誤會。

各家計算按鍵數定義不同

廠商計算最多幾個按鍵送出，可能與我們的認知會有差距。如Modifier Keys保留雖然為1 Byte，不過可以送出8個按鍵訊號，所以要計算最大值是可以考慮進來。USB鍵盤的按鍵最多鍵輸出數量，會依廠商對於Modifier Keys採計數量標準不同，造成最後數據有所差異。例如微軟SideWinder X4可以同時最多輸出26鍵，分別為17個主要鍵位、7個Modifier Keys、1個多媒體鍵、1個巨集鍵。

測試按鍵衝突方法很多

目前有許多方法可以測試鍵盤是否有鍵位衝突問題，國外有付費軟體KeyboardTest，提供30天免費試用，之後如要再使用則要付24美元（約新台幣768元）；國內則有玩家Ivan Lin開發出的hKBTEST免費軟體可供測試。

除了軟體測試外，最簡單的方法是開網頁就能測試。微軟在開發SideWinder X4時，提供了網頁平台，可以讓玩家利用網頁測試按鍵訊號。測試鍵位衝突時，建議針對遊戲常用的鍵先測試，如QWEASD或加入方向鍵等，小範圍比較容易注意到每個按鍵是否有順利送出，也可以注意是否送出玩家沒有壓下的按鍵。最後才是大範圍測試，計算鍵盤最多可以輸出幾個鍵。

▲微軟提供線上測試鍵位衝突問題，直接在網頁上就能即時測試出來。（測試網頁：http://www.microsoft.com/appliedsciences/KeyboardGhostingDemo.mspx）

N-Key Rollover功能運用

這是許多玩家心中的疑問：「1個人只有10隻手指頭，怎麼可能需要鍵盤訊號全部輸出呢？」把N-Key Rollover分成2種需求走向來討論。以「按鍵數量」來看，確實1個人使用時不大可能同時超過10鍵；但如果是2個人使用同一把鍵盤玩遊戲，全部訊號輸出就有可能派上用場。

近年來遊戲人口逐漸增加，漸漸會注意到鍵位衝突。即使最佳化處理過的鍵盤矩陣，還是有可能會有特定的按鍵會出問題。N-Key Rollover的鍵盤，代表著無論玩家按下任何組合鍵都不會造成鍵位衝突，可以適用在任何遊戲上，不需要擔心鍵盤是否會造成遊戲特定鍵無法發揮功能。筆者認為使用支援N-Key Rollover的鍵盤，就可以不用擔心會產生鍵位衝突問題。

▲i-rocks 6820E由於有註明特別優化的鍵位圖，在國外頗受好評。