.jpg/1280px-Telephone_switchboard_cross-switching_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_V,_1903).jpg)
В электронике и телекоммуникациях , перекрестный коммутатор ( перекрестный коммутатор , матричный коммутатор ) представляет собой набор коммутаторов , расположенных в матричной конфигурации. Координатный коммутатор имеет несколько входных и выходных линий , которые образуют перекрестный рисунок соединительных линий , между которыми может быть установлено соединение путем замыкания коммутатора , расположенного на каждом пересечении, элементы матрицы. Первоначально, перекрестный коммутатор состоял буквально из пересекающихся металлических стержней , которые обеспечивали входные и выходные пути. Более поздние реализации достигли той же топологии коммутации в твердотельной электронике . Координатный коммутатор является одной из основных архитектур телефонной станции , вместе с поворотным коммутатором , коммутатором памяти, [2] и перекрестным коммутатором .
Координатный коммутатор — это сборка отдельных коммутаторов между набором входов и набором выходов. Коммутаторы организованы в матрицу. Если координатный коммутатор имеет M входов и N выходов, то координатный коммутатор имеет матрицу с M × N точками пересечения или местами, где могут быть выполнены соединения. В каждой точке пересечения находится коммутатор; при замыкании он соединяет один из входов с одним из выходов. Данный координатный коммутатор представляет собой однослойный неблокируемый коммутатор. Система координатной коммутации также называется системой координатной коммутации.
Коллекции кроссбаров могут использоваться для реализации многослойных и блокирующих переключателей. Блокирующий переключатель предотвращает подключение более одного входа. Неблокирующий переключатель допускает другие параллельные соединения от входов к другим выходам.
Матричные коммутаторы обычно используются в приложениях по обработке информации, таких как телефония и коммутация каналов , но они также используются в таких приложениях, как механические сортировочные машины .
Матричная компоновка перекрестного переключателя также используется в некоторых полупроводниковых запоминающих устройствах, что позволяет передавать данные. Здесь полосы представляют собой чрезвычайно тонкие металлические провода, а переключатели — плавкие вставки . Предохранители перегорают или открываются с помощью высокого напряжения и считываются с помощью низкого напряжения. Такие устройства называются программируемой постоянной памятью . [3] На конференции NSTI по нанотехнологиям 2008 года был представлен доклад, в котором обсуждалась реализация перекрестной схемы сложения в наномасштабе, используемой в качестве альтернативы логическим вентилям для вычислений. [4]
Матричные массивы являются основополагающими для современных плоских дисплеев. ЖК-дисплеи на тонкопленочных транзисторах имеют транзистор в каждой точке пересечения, поэтому их можно считать включающими переключатель пересечения как часть их структуры.
Для коммутации видео в домашних и профессиональных театральных приложениях используется коммутатор-переключатель (или матричный коммутатор, как его чаще называют в этом приложении) для распределения выходного сигнала нескольких видеоустройств одновременно на каждый монитор или каждую комнату по всему зданию. В типичной установке все видеоисточники располагаются на стойке оборудования и подключаются в качестве входов к матричному коммутатору.
Если центральное управление матрицей практично, типичный матричный коммутатор, монтируемый в стойку, предлагает кнопки на передней панели, позволяющие вручную подключать входы к выходам. Примером такого использования может быть спортивный бар , где одновременно отображаются многочисленные программы. Обычно в спортивном баре устанавливается отдельная настольная приставка для каждого дисплея, для которого требуется независимое управление. Матричный коммутатор позволяет оператору маршрутизировать сигналы по своему усмотрению, так что для покрытия общего количества уникальных программ, которые будут просматриваться, требуется только достаточное количество приставок, при этом упрощается управление звуком из любой программы в общей звуковой системе.
Такие коммутаторы используются в высококлассных домашних кинотеатрах. Источники видеосигнала, как правило, являются общими и включают в себя телевизионные приставки или DVD-чейнджеры; та же концепция применима к аудио. Выходы подключаются к телевизорам в отдельных комнатах. Матричный коммутатор управляется через соединение Ethernet или RS-232 контроллером автоматизации всего дома, например, AMX , Crestron или Control4 , который предоставляет пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю в каждой комнате выбирать, какое устройство смотреть. Фактический пользовательский интерфейс зависит от марки системы и может включать комбинацию экранных меню, сенсорных экранов и ручных пультов дистанционного управления. Система необходима для того, чтобы пользователь мог выбрать программу, которую он хочет смотреть, из той же комнаты, из которой он будет ее смотреть, в противном случае ему пришлось бы идти к стойке с оборудованием.
Специальные коммутаторы-переключатели, используемые для распределения сигналов спутникового телевидения, называются мультисвитчами .
Исторически сложилось так, что перекрестный переключатель состоял из металлических стержней, связанных с каждым входом и выходом, вместе с некоторыми средствами управления подвижными контактами в каждой точке пересечения. Первые переключатели использовали металлические штыри или вилки для соединения вертикальной и горизонтальной планки. В конце 20-го века использование механических перекрестных переключателей пошло на убыль, и этот термин описывал любую прямоугольную решетку переключателей в целом. Современные перекрестные переключатели обычно реализуются с использованием полупроводниковой технологии. Важный новый класс оптических перекрестных переключателей реализуется с использованием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS).
Тип телеграфной станции середины 20-го века состоял из сетки вертикальных и горизонтальных латунных стержней с отверстием на каждом пересечении ( см. верхнюю картинку). Оператор вставлял металлический штифт, чтобы соединить одну телеграфную линию с другой.
Телефонный коммутатор-переключатель — это электромеханическое устройство для переключения телефонных звонков. Первой конструкцией того, что сейчас называется коммутатором-переключателем, был селектор координат компании Bell Western Electric 1915 года. Чтобы сэкономить деньги на системах управления, эта система была организована по принципу шагового переключателя или селектора, а не по принципу связи. Она мало использовалась в Америке, но шведское правительственное агентство Televerket разработало собственную конструкцию (конструкция Gotthilf Betulander 1919 года, вдохновленная системой Western Electric) и использовало ее в Швеции с 1926 года до оцифровки в 1980-х годах в коммутаторах модели A204 малого и среднего размера. Конструкция системы, используемая в коммутаторах-переключателях 1XB корпорации AT&T , которые поступили в коммерческую эксплуатацию с 1938 года, разработанная Bell Telephone Labs , была вдохновлена шведской конструкцией, но основана на заново открытом принципе связи. В 1945 году аналогичная конструкция шведской Televerket была установлена в Швеции, что позволило увеличить пропускную способность коммутатора модели A204. Задержанные Второй мировой войной, несколько миллионов городских линий 1XB были установлены с 1950-х годов в Соединенных Штатах.
В 1950 году шведская компания Ericsson разработала собственные версии систем 1XB и A204 для международного рынка. В начале 1960-х годов продажи компании коммутаторов с крестовой развязкой превысили продажи их вращающейся системы коммутации на 500 единиц, если измерять по количеству линий. Коммутация с крестовой развязкой быстро распространилась по всему миру, заменив большинство более ранних разработок, таких как системы Strowger (пошаговая) и Panel в более крупных установках в США. Переходя от полностью электромеханического управления при внедрении, они постепенно были усовершенствованы, чтобы иметь полное электронное управление и различные функции вызова, включая короткий код и быстрый набор. В Великобритании компания Plessey выпустила ряд коммутаторов с крестовой развязкой TXK , но их широкое внедрение британской почтой началось позже, чем в других странах, и затем было затруднено параллельной разработкой герконовых реле TXE и электронных систем обмена, поэтому они так и не достигли большого количества подключений клиентов, хотя и добились некоторого успеха в качестве коммутаторов с тандемными развязками.
Переключатели Crossbar используют коммутационные матрицы, сделанные из двумерного массива контактов , расположенных в формате x–y. Эти коммутационные матрицы управляются серией горизонтальных планок, расположенных над контактами. Каждая такая планка выбора может быть поднята или опущена электромагнитами для обеспечения доступа к двум уровням матрицы. Второй набор вертикальных удерживающих планок установлен под прямым углом к первой (отсюда и название «перекладина») и также управляется электромагнитами. Выбирающие планки несут подпружиненные проволочные пальцы, которые позволяют удерживающим планкам управлять контактами под планками. Когда электромагниты выбора, а затем удерживания работают последовательно, чтобы переместить планки, они захватывают один из пружинных пальцев, чтобы замкнуть контакты под точкой пересечения двух планок. Затем это делает соединение через переключатель частью настройки пути вызова через АТС. После подключения магнит выбора затем освобождается, чтобы он мог использовать свои другие пальцы для других соединений, в то время как удерживающий магнит остается под напряжением в течение всего времени вызова, чтобы поддерживать соединение. Интерфейс перекрестной коммутации в Великобритании назывался коммутатором TXK или TXC (перекрестная телефонная станция).
Однако, переключатель Bell System Type B crossbar switch 1960-х годов был изготовлен в наибольшем количестве. Большинство из них были 200-точечными переключателями с двадцатью вертикалями и десятью уровнями по три провода. Каждая панель выбора несет десять пальцев, так что любая из десяти цепей, назначенных десяти вертикалям, может подключаться к любому из двух уровней. Пять панелей выбора, каждая из которых может вращаться вверх или вниз, означают выбор из десяти связей для следующего этапа переключения. Каждая точка пересечения в этой конкретной модели соединяла шесть проводов. Вертикальные ненормальные контакты рядом с удерживающими магнитами выстроены вдоль нижней части переключателя. Они выполняют логические и запоминающие функции, а удерживающая панель удерживает их в активном положении, пока соединение находится вверху. Горизонтальные ненормальные контакты по бокам переключателя активируются горизонтальными полосами, когда магниты-бабочки вращают их. Это происходит только во время установки соединения, поскольку бабочки только тогда получают питание.
Большинство переключателей Bell System были сделаны для соединения трех проводов, включая наконечник и кольцо сбалансированной парной схемы и вывод рукава для управления. Многие соединяли шесть проводов, либо для двух отдельных схем, либо для четырехпроводной схемы или другого сложного соединения. Миниатюрная перекладина Bell System Type C 1970-х годов была похожа, но пальцы выступали вперед из задней части, а планки выбора удерживали лопатки для их перемещения. Большинство переключателей типа C имели двенадцать уровней; это были менее распространенные десятиуровневые. Мини -бар Northern Electric, используемый в переключателе SP1, был похож, но еще меньше. Мультипереключатель ITT Pentaconta той же эпохи обычно имел 22 вертикали, 26 уровней и от шести до двенадцати проводов. Перекладины Ericsson иногда имели только пять вертикалей.
Для использования в измерительных приборах компания James Cunningham, Son and Company [5] изготовила высокоскоростные, очень долговечные коммутаторы с поперечными стержнями [6] с физически малыми механическими деталями, которые обеспечивали более быструю работу, чем коммутаторы с поперечными стержнями телефонного типа. Многие из их коммутаторов имели механическую функцию логического И телефонных коммутаторов с поперечными стержнями, но другие модели имели отдельные реле (одна катушка на точку пересечения) в матричных массивах, соединяя контакты реле с шинами [x] и [y]. Эти последние типы были эквивалентны отдельным реле; не было встроенной логической функции И. Коммутаторы с поперечными стержнями Cunningham имели контакты из драгоценных металлов, способные обрабатывать милливольтные сигналы.
Ранние коммутаторы с перекрестной связью были разделены на исходящую и конечную стороны, в то время как более поздние и известные коммутаторы Канады и США SP1 и 5XB не были разделены. Когда пользователь поднимал телефонную трубку, образовавшаяся петля линии, управляющая линейным реле пользователя, заставляла коммутатор подключать телефон пользователя к исходному отправителю, который возвращал пользователю тональный сигнал готовности. Затем отправитель записывал набранные цифры и передавал их исходному маркеру, который выбирал исходящую линию и управлял различными этапами коммутатора с перекрестной связью, чтобы подключить к ней вызывающего пользователя. Затем исходный маркер передавал требования к завершению вызова по линии (тип импульсов, сопротивление линии и т. д.) и данные вызываемой стороны отправителю и отключался. Затем отправитель передавал эту информацию конечному отправителю (который мог находиться как на той же, так и на другой станции). Затем этот отправитель использовал конечный маркер для соединения вызывающего пользователя через выбранный входящий канал с вызываемым пользователем и заставил управляющее реле отправить сигнал вызова на телефон вызываемого пользователя и вернуть тон вызова вызывающему абоненту.
Сам коммутатор с перекрестной шиной был прост: конструкция коммутатора перенесла все логические решения на общие элементы управления , которые были очень надежны как наборы реле. Критерии проектирования указывали только два часа простоя для обслуживания каждые сорок лет, что было большим улучшением по сравнению с более ранними электромеханическими системами. Концепция конструкции коммутатора допускала постепенные обновления, поскольку элементы управления можно было заменять отдельно от элементов переключения вызовов. Минимальный размер коммутатора с перекрестной шиной был сравнительно большим, но в городских районах с большой установленной пропускной способностью линии весь коммутатор занимал меньше места, чем другие технологии коммутаторов эквивалентной пропускной способности. По этой причине они также были первыми коммутаторами, которые были заменены цифровыми системами, которые были еще меньше и надежнее.
Существовало два принципа коммутации с перекрёстной связью. Ранний метод основывался на принципе селектора, который использовал коммутаторы с перекрёстной связью для реализации той же коммутационной структуры, что и коммутаторы Строуджера . В этом принципе каждый коммутатор с перекрёстной связью получал одну набранную цифру, соответствующую одной из нескольких групп коммутаторов или каналов. Затем коммутатор находил свободный коммутатор или канал среди выбранных и подключался к нему. Каждый коммутатор с перекрёстной связью мог обрабатывать только один вызов за раз; таким образом, обмен с сотней коммутаторов 10×10 на пяти этапах мог иметь только двадцать текущих разговоров. Распределённое управление означало, что не было общей точки отказа, но также означало, что этап настройки длился около десяти секунд, которые требовались вызывающему абоненту для набора нужного номера. С точки зрения занятости управления этот сравнительно длительный интервал ухудшает пропускную способность коммутатора. [ необходима цитата ]
Начиная с коммутатора 1XB , более поздний и более распространенный метод был основан на принципе связи и использовал коммутаторы в качестве точек пересечения. Каждый подвижный контакт был умножен на другие контакты на том же уровне с помощью неизолированной проводки, часто называемой проводкой банджо . [7] к связи на одном из входов коммутатора на следующем этапе. Коммутатор мог обрабатывать свою часть из стольких вызовов, сколько у него было уровней или вертикалей. Таким образом, обмен с сорока коммутаторами 10×10 на четырех этапах мог иметь сто текущих разговоров. Принцип связи был более эффективным, но требовал сложной системы управления для поиска свободных ссылок через коммутационную матрицу .
Это означало общее управление , как описано выше: все цифры записывались, затем передавались на общее контрольное оборудование, маркер , для установления вызова на всех отдельных этапах переключения одновременно. Маркер-управляемая система перекрестной связи имела в маркере крайне уязвимый центральный контроль; он был неизменно защищен дублирующими маркерами. Большим преимуществом было то, что контрольное занятие на переключателях составляло порядка одной секунды или меньше, представляя задержку срабатывания и отпускания арматуры X-then-Y переключателей. Единственным недостатком общего управления была необходимость предоставления достаточного количества цифровых регистраторов для работы с наибольшим прогнозируемым уровнем трафика на коммутаторе.
В конструкции Plessey TXK 1 или 5005 использовалась промежуточная форма, в которой чистый путь был обозначен через коммутационную структуру с помощью распределенной логики, а затем замкнулся на всем протяжении одновременно.
Координатные коммутаторы остаются в коммерческом обслуживании только в нескольких телефонных сетях. Сохранившиеся установки поддерживаются в музеях , таких как Музей связи в Сиэтле, штат Вашингтон, и Музей науки в Лондоне .
Реализации коммутаторов на основе полупроводников обычно состоят из набора входных усилителей или ретаймеров, подключенных к серии межсоединений внутри полупроводникового устройства. Аналогичный набор межсоединений подключен к выходным усилителям или ретаймерам. В каждой точке пересечения полос реализован проходной транзистор, который соединяет полосы. Когда проходной транзистор включен, вход подключен к выходу.
По мере совершенствования компьютерных технологий перекрестные коммутаторы нашли применение в таких системах, как многоступенчатые сети взаимосвязей , которые соединяют различные процессорные блоки в едином параллельном процессоре с доступом к памяти и массивом элементов памяти.
Стандартной проблемой при использовании коммутаторов-переключателей является настройка точек пересечения. [ требуется ссылка ] В классическом телефонном приложении коммутаторов-переключателей точки пересечения закрываются и открываются по мере поступления и прекращения телефонных звонков. В асинхронном режиме передачи или приложениях пакетной коммутации точки пересечения должны создаваться и разрываться в каждом интервале принятия решения. В высокоскоростных коммутаторах настройки всех точек пересечения должны определяться и затем устанавливаться миллионы или миллиарды раз в секунду. Одним из подходов для быстрого принятия этих решений является использование арбитра волнового фронта .
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)