Кіріспе
Матрицалық түрде орналастырылған электрондық коммутаторлар жиынтығы. Электроника және телекоммуникация саласында, өрістік коммутатор (қиылыс нүктелік коммутатор, матрицалық коммутатор) – матрицалық конфигурацияда орналастырылған коммутаторлар жиынтығы. Өрістік коммутаторда матрица элементтерінің қиылысында орналасқан коммутаторды жабу арқылы байланыс орнатылатын, бір-бірімен кесілісетін кіріс және шығыс желілерінің жиынтығы бар. Алғашқыда, өрістік коммутатор кіріс және шығыс жолдарын қамтамасыз ететін металл таяқшалардың қиылысуынан тұрды. Кейінірек, осы коммутациялық топологияны қатты күйдегі электроникада қолдану мүмкін болды. Өрістік коммутатор – роторлық коммутатор, жад коммутаторы және қиылыс коммутаторымен қатар, телефон станциясы архитектурасының негізгі түрлерінің бірі болып табылады.
In electronics and telecommunications, a crossbar switch (cross point switch, matrix switch) is a collection of switches arranged in a matrix configuration. A crossbar switch has multiple input and output lines that form a crossed pattern of interconnecting lines between which a connection may be established by closing a switch located at each intersection, the elements of the matrix. Originally, a crossbar switch consisted literally of crossing metal bars that provided the input and output paths. Later implementations achieved the same switching topology in solid state electronics. The crossbar switch is one of the principal telephone exchange architectures, together with a rotary switch, memory switch, and a crossover switch.
Жалпы қасиеттері
Кросбарлы коммутатор – кірістер мен шығыстар жиынтығы арасындағы жеке коммутаторлардың жиынтығы. Коммутаторлар матрица түрінде орналастырылған. Егер кроссбарлы коммутаторда M кіріс және N шығыс болса, онда кроссбардың M × N қиылыс нүктесі немесе қосылыстар жасалатын орындары бар матрицасы болады. Әр қиылыс нүктесінде коммутатор орналасқан; ол жабық болғанда, бір кірісті бір шығысқа қосады. Берілген кроссбар – бір қабатты, бұғаттамайтын коммутатор. Кроссбарлы ауысу жүйесі координаттық ауысу жүйесі деп те аталады. Көп қабатты және бұғаттайтын коммутаторларды іске асыру үшін кроссбарлар жиынтығын пайдалануға болады. Бұғаттайтын коммутатор бірнеше кірістерді қосуға кедергі келтіреді. Бұғаттамайтын коммутатор басқа кірістерден басқа шығыстарға бір мезгілде қосылуға мүмкіндік береді.
Қолданбалар
Кросбарлы коммутаторлар ақпаратты өңдеуде, мысалы, телефон және тізбектік коммутацияда кеңінен қолданылады, бірақ олар механикалық сұрыптау машиналары сияқты қолданыстарда да қолданылады. Кросбарлы коммутатордың матрицалық орналасуы кейбір жартылай өткізгіш жад құрылғыларында деректерді беруді қамтамасыз етеді. Мұндағы таяқшалар өте жұқа металл сымдардан, ал коммутаторлар – балқымалы сілтемелерден жасалған. Балқымалы сілтемелер жоғары кернеумен күйдіріліп немесе ашылып, төмен кернеумен оқылады. Мұндай құрылғылар бағдарламаланатын жад деп аталады. 2008 жылғы NSTI нанотехнологиялар конференциясында есептеу үшін логикалық қақпалардың орнына қолданылатын қосу тізбегінің наноөлшемді кроссбарлы жүзеге асырылуы талқыланған мақала ұсынылды. Матрицалық массивтер қазіргі заманғы жалпақ панельді дисплейлер үшін негізгі болып табылады. Жұқа пленкалық транзисторлы ЖК-дисплейлерде әр қиылыс нүктесінде транзистор болады, сондықтан оларды құрылымының бір бөлігі ретінде кроссбарлы коммутаторды қамтиды деп санауға болады. Үй және кәсіби кинотеатрларда бейне сигналдарын коммутациялау үшін кроссбарлы коммутатор (немесе осы қолданыста көбірек таралған матрицалық коммутатор) бірнеше бейне құрылғыларының шығысын бір мезгілде ғимараттағы барлық мониторларға немесе бөлмелерге тарату үшін қолданылады. Типик жағдайда барлық бейне көздері жабдық тірегінде орналасқан және матрицалық коммутаторға кіріс ретінде қосылған. Матрицаны орталықтан басқару мүмкін болған жағдайда, әдеттегі тіректе орналасқан матрицалық коммутатордың алдыңғы панелінде кірістерді шығыстарға қолмен қосуға мүмкіндік беретін батырмалар болады. Мұндай қолданысқа мысал – спорт бары, онда бірнеше бағдарлама бір уақытта көрсетіледі. Әдетте, спорт бары тәуелсіз басқаруды қажет ететін әрбір дисплей үшін жеке үстел үстіндегі декодер орнатады. Матрицалық коммутатор операторға сигналдарды қалауынша бағыттауға мүмкіндік береді, сондықтан қаралатын бірегей бағдарламалардың барлық санына жеткілікті декодерлер қана қажет болады, сонымен қатар жалпы дыбыс жүйесіндегі кез келген бағдарламаның дыбысын басқаруды жеңілдетеді. Мұндай коммутаторлар жоғары сапалы үй кинотеатрларында қолданылады. Көбінесе ортақ бейне көздері спутниктік ресиверлер немесе DVD алмастырғыштар болып табылады; аудио үшін де осы принцип қолданылады. Шығыстар жеке бөлмелердегі телевизорларға қосылады. Матрицалық коммутаторды Ethernet немесе RS 232 қосылысы арқылы AMX, Crestron немесе Control4 сияқты бүкіл үйді автоматтандыру контроллері басқарады, ол әр бөлмедегі пайдаланушыға қай құрылғыны таңдауға мүмкіндік беретін пайдаланушы интерфейсін ұсынады. Пайдаланушы интерфейсі жүйе маркасына байланысты өзгереді және экрандағы мәзірлер, сенсорлық экрандар және қолмен басқарылатын қашықтан басқару элементтерінің комбинациясын қамтуы мүмкін. Бұл жүйе пайдаланушыға көруге ниетті бағдарламаны сол бөлмеден таңдауға мүмкіндік береді, әйтпесе олар жабдық тірегіне баруы керек болар еді. Спутниктік теледидар сигналдарын таратуда қолданылатын арнайы кроссбарлы коммутаторлар мультикоммутаторлар деп аталады.
Қолданылу
Тарихи тұрғыдан алғанда, арқанды қосқыш әрбір кіріс және шығысқа сәйкес келетін металл таяқшалардан, сондай-ақ әр қиылыс нүктесіндегі қозғалмалы контактілерді басқару құралдарынан тұратын. Алғашқы қосқыштар тік және көлденең таяқшаларды біріктіру үшін металл штифттерді немесе ашаларды пайдаланды. 20 ғасырдың соңында механикалық арқанды қосқыштардың қолданылуы азайды және бұл термин кез келген тікбұрышты қосқыштар массивін сипаттау үшін қолданыла бастады. Қазіргі заманғы арқанды қосқыштар көбінесе жартылай өткізгіш технологиялармен іске асырылады. Оптикалық арқанды қосқыштардың маңызды, дамып келе жатқан класы микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) технологиясымен іске асырылады.
Механикалық
20 ғасырдың ортасындағы телеграф станциясының бір түрі тік және көлденең мыс таяқшалардан құралған тордан тұратын, әр қиылысында тесігі болатын (суретті қараңыз). Оператор бір телеграф сызығын екіншісімен байланыстыру үшін металл штифт енгізетін.
Телефониядағы электромеханикалық коммутациялау
Телефондық қималы сым – телефон қоңырауларын коммутациялауға арналған электромеханикалық құрылғы. Қазіргі кездегі қималы сым деп аталатын құрылғының алғашқы дизайны 1915 жылы Bell компаниясының Western Electric координаталық таңдағышы болды. Басқару жүйелеріне жұмсалатын қаржыны үнемдеу үшін бұл жүйе сілтеме принципіне қарағанда қадамдық ауыстырғыш немесе селектор принципі бойынша ұйымдастырылды. Америкада аз қолданылды, бірақ швед үкіметтік агенттігі Телеверкет өзінің дизайнын (Готтильф Бетуландер дизайны 1919 жылдан бастап, Western Electric жүйесінен шабыттандырылды) жасап шығарды және оны Швецияда 1926 жылдан бастап 1980 жылдары цифрландыруға дейін шағын және орта көлемді A204 модельді коммутаторларда пайдаланды. 1938 жылдан бастап пайдалануға енген AT&T корпорациясының 1XB қималы алмасуында қолданылатын жүйелік дизайн, Bell Telephone Labs әзірлеген, швед дизайнынан әсер алды, бірақ қайта ашылған сілтеме принципіне негізделді. 1945 жылы Швецияда A204 модельінің сыйымдылығын арттыруға мүмкіндік берген Швеция Телеверкеті жасаған ұқсас жоба орнатылды. Екінші дүниежүзілік соғыстың салдарынан кейінге қалдырылған, АҚШ-та 1950 жылдардан бастап бірнеше миллион қалалық 1XB желілері орнатылды. 1950 жылы швед компаниясы Ericsson халықаралық нарыққа арналған 1XB және A204 жүйелерінің өз нұсқаларын әзірледі. 1960 жылдардың басында компанияның қималы сымды коммутаторлар сатуы олардың 500 айналмалы коммутаторлар жүйесінен асып түсті, бұл желілер санымен өлшенді. Қималы коммутациялау тез арада әлемнің қалған бөлігінде тарады, АҚШ-тағы үлкен қондырғыларда Strowger (қадамдық) және Panel жүйелері сияқты бұрынғы жобалардың көпшілігін алмастырды. Олар енгізілген кезде толығымен электромеханикалық басқарудан бастап, біртіндеп толық электрондық басқаруға және қысқа кодты және жылдам қоңырау шалуға қоса, түрлі қоңырау мүмкіндіктеріне ие болды. Ұлыбританияда Plessey компаниясы TXK қималы алмасуларын өндірді, бірақ олардың Британдық поштасымен кеңінен таралуы басқа елдерге қарағанда кейінірек басталды, содан кейін TXE қамыс релелері мен электрондық алмасу жүйелерінің қатар дамуы кедергі келтірді, сондықтан олар клиенттермен үлкен байланысқа ешқашан қол жеткізе алмады, бірақ тандем коммутатор алмасулары ретінде сәттілік тапты. Қималы коммутаторлар x–y форматында орналастырылған екі өлшемді контактілер массивінен жасалған коммутациялық матрицаларды пайдаланады. Бұл коммутациялық матрицалар контактілер үстінде орналастырылған көлденең сымдар арқылы жұмыс істейді. Әрбір таңдамалы сым электромагниттермен жоғары немесе төмен сілкіп, матрицаның екі деңгейіне қол жеткізуге болады. Екінші тік ұстағыштарды біріншісіне тік бұрышта орнату керек (осыдан "қималы" деп аталады), сонымен қатар электромагниттермен жұмыс істейді. Таңдамалы сымдарда пружинамен зарядталған сым бармақтары бар, олар ұстағыш сымдарға сымдардың астындағы контактілерді іске қосуға мүмкіндік береді. Электромагниттер бірінен соң бірі жұмыс істеп, сымдарды жылжытқанда, олар пружинаның бір саусағын ұстап, екі сымның қиылысатын жерінің астындағы контактілерді жабады. Бұл коммутатор арқылы байланыс жасайды, ол алмасу арқылы қоңырау жолын құрудың бір бөлігі болып табылады. Қосылғаннан кейін, таңдамалы магнит босатылады, сондықтан ол басқа саусақтарын басқа қосылымдар үшін пайдалана алады, ал ұстап тұру магниті қосылымды сақтау үшін қоңыраудың ұзақтығы бойы энергиялы болып қалады. Қималы коммутациялық интерфейс Ұлыбританияда TXK немесе TXC (телефондық алмасудың қималы) деп аталды. Алайда, 1960 жылдары Bell System Type B қималы коммутаторы ең көп мөлшерде жасалды. Олардың басым бөлігі 200 нүктелі, жиырма тік және үш сымнан тұратын он деңгейлі коммутаторлар болды. Әрбір таңдамалы сымда он саусақ бар, сондықтан он тікке тағайындалған он схеманың кез келгені екі деңгейдің кез-келгеніне қосыла алады. Әрқайсысы жоғары немесе төмен қарай айналатын бес таңдамалы сым келесі ауысу сатысына он сілтемені таңдауды білдіреді. Бұл модельдегі әр қиылысу нүктесі алты сымды байланыстырады. Тұрақты магниттермен қатар орналасқан тік қалыпты контактілер коммутатордың төменгі жағында орналасады. Олар логикалық және жад функцияларын орындайды, ал ұстап тұру сымы оларды қосылым болғанша белсенді күйде ұстайды. Көлденең қалыпты контактілер коммутатордың екі жағында орналасқан және көбелек магниттері айналғанда көлденең сымдар арқылы іске қосылады. Бұл тек байланыс орнатылғанда ғана болады, өйткені көбелектер тек сонда ғана энергияланады. Bell System коммутаторларының көпшілігі үш сымды қосу үшін жасалған, олар тепе-тең жұп тізбегінің ұшы мен сақинасын және басқару үшін жетек сымын қамтиды. Көптегендері екі бөлек тізбек үшін немесе төрт сымды тізбек үшін немесе басқа күрделі қосылым үшін алты сымды қосты. 1970 жылдардағы Bell System Type C миниатюралық қималы сымы ұқсас болды, бірақ саусақтар артқы жағынан алға қарай проекцияланды және таңдамалы сымдар оларды жылжыту үшін педальдарды ұстады. Type C-нің көпшілігі он екі деңгейлі болды; бұл сирек кездесетін он деңгейлілер еді. SP1 коммутаторында қолданылатын Northern Electric Minibar одан да кішкентай болды. ITT Pentaconta Multiswitch сол дәуірде әдетте 22 тік, 26 деңгей және алтыдан он екі сымға дейін болды. Ericsson қималы коммутаторлары кейде бес тік сымға ғана ие болды.
Аспаптар
Құралдарды пайдалану үшін Джеймс Каннингэм, Сон және Компания телефондық қиылыстырмалы қосқыштарға қарағанда жылдам жұмыс істеуге және ұзақ қызмет етуге мүмкіндік беретін, физикалық жағынан кішкентай механикалық бөлшектері бар жоғары жылдамдықты, өте ұзақ өмір сүретін қиылыстырмалы қосқыштар жасады. Олардың көптеген қосқыштарында телефониялық қиылыстырмалы қосқыштардың механикалық "ЖӘНЕ" логикалық функциясы болды, бірақ басқа модельдерде матрицалық тізбекте жеке релелер (әр қиылыс нүктесі үшін бір катушка) болды, релелік контактілерді [x] және [y] шиналарына қосты. Бұл соңғы типтер жеке релелермен тең болды; логикалық "ЖӘНЕ" функциясы құрылмаған. Каннингэмнің қиылыстырмалы қосқыштары милливольт деңгейіндегі сигналдарды өңдей алатын құнды металл контактілерімен жабдықталған.
Телефондық орталық
Ертедегі қималы алмасулар бастапқы және аяқталу жақтарына бөлінді, ал кейінгі және танымал Канада мен АҚШ SP1 коммутаторы мен 5XB коммутаторы бөлінбеді. Пайдаланушы телефон тіркемесін алғанда, пайдаланушының желілік релесін іске қосатын желілік цикл алмасуды пайдаланушының телефонын бастапқы жіберушіге қосуға мәжбүр етті, ол пайдаланушыға қоңырау шалу тонын қайтарды. Содан кейін жіберуші терілген цифрларды жазып алады және оларды бастапқы маркерге жібереді, ол шығу магистралін таңдап, шақырушыны оған қосу үшін әртүрлі қималы алмастырғыш сатыларын іске қосады. Бастапқы маркер содан кейін магистральды қосылысты аяқтау талаптарын (пульсациялау түрі, магистральдың кедергісі және т.б.) және шақырылған тараптың мәліметтерін жіберушіге жібереді және босатылады. Содан кейін жіберуші осы ақпаратты аяқтау жіберушіге (осы бір немесе басқа алмасуда болуы мүмкін) жеткізеді. Бұл жіберуші содан кейін аяқтау маркерін пайдаланып, шақырушыны таңдалған кіріс магистралі арқылы шақырылған пайдаланушыға қосады, басқару релелік жиынтығын шақырылған пайдаланушының телефонына қоңырау сигналын жіберуге және шақырушыға қоңырау тонын қайтаруға мәжбүр етеді. Қималы алмастырғыштың өзі қарапайым болды: алмасу дизайны барлық логикалық шешімдерді жалпы басқару элементтеріне көшірді, олар релелік жиынтықтар ретінде өте сенімді болды. Құрылыс талаптары қызмет көрсету үшін әр қырық жылда екі сағаттан аспауға белгіленді, бұл бұрынғы электромеханикалық жүйелерге қарағанда үлкен жетістік болды. Алмасу дизайнының тұжырымдамасы инкременттік жаңартуларға ыңғайлы болды, өйткені басқару элементтерін қоңырауды алмастыру элементтерінен бөлек ауыстыруға болады. Қималы алмасудың ең кішкентай көлемі салыстырмалы түрде үлкен болды, бірақ үлкен орнатылған желілік сыйымдылығы бар қалаларда бүкіл алмасу басқа бірдей сыйымдылықтағы алмасу технологияларына қарағанда аз орынды алып тұрды. Осы себепті олар әдетте цифрлық жүйелермен ауыстырылған алғашқы коммутаторлар болды, олар тіпті кішірек және сенімдірек болды. Қималы алмастырудың екі қағидасы болды. Алғашқы әдіс селектор қағидасына негізделген, ол Strowger коммутаторларымен қолданылатын сол алмастыру матаны жүзеге асыру үшін қималы алмастырғыштарды қолданды. Бұл қағида бойынша, әр қималы алмастырғыш бірнеше алмастырғыштар тобының біріне немесе магистральдар тобына сәйкес келетін бір таңбалы цифрды қабылдайды. Содан кейін алмастырғыш таңдалғандардың ішінде бос алмастырғышты немесе магистральді табады және оған қосылады. Әр қималы алмастырғыш бір уақытта бір ғана қоңырауды өңдей алады; осылайша, бес сатыдағы жүз 10×10 алмастырғыштары бар алмасуда жиырмадан аспайтын әңгімелер болуы мүмкін. Таратылған басқару ортақ сәтсіздік нүктесін болдырмайды, бірақ орнату кезеңі шақырушының қажетті нөмірді теруге кеткен он секундқа жуық уақытқа созылатынын білдіреді. Басқарудың жүктемесі тұрғысынан бұл салыстырмалы түрде ұзақ интервал коммутатордың өткізу қабілетін төмендетеді. 1XB коммутаторынан бастап, кейінгі және кең таралған әдіс сілтеме қағидасына негізделген, және алмастырғыштарды қиылыс нүктелері ретінде қолданды. Әр қозғалатын контакт басқа контактілермен бір деңгейде, көбінесе "банджо сымдары" деп аталатын жалаңаш сымдар арқылы байланыстырылды. келесі сатыдағы алмастырғыштың кірістерінің біріне сілтеме жасаңыз. Алмастырғыш өзінің үлесіне қанша деңгейі немесе тік деңгейі болса, сонша қоңырауды өңдей алады. Осылайша, төрт сатыдағы 10×10 алмастырғыштары бар қырық алмасуда жүзден астам әңгімелер болуы мүмкін. Сілтеме қағидасы тиімдірек болды, бірақ алмастыру матасы арқылы бос сілтемелерді табу үшін күрделі басқару жүйесі қажет болды. Бұл жоғарыда сипатталғандай ортақ басқаруды білдірді: барлық цифрлар жазылды, содан кейін ортақ басқару жабдығына, маркерге, барлық жеке алмастырғыш сатыларында қоңырауды бір мезгілде орнату үшін жіберілді. Маркерлік басқару жүйесінде маркерде өте осал орталық басқару болды; бұл әрқашан екі маркердің болуымен қорғалды. Басты артықшылығы - алмастырғыштардағы басқару жүктемесі бір секундқа немесе одан да аз уақытқа созылды, бұл алмастырғыштардың X және Y якорьларының жұмыс істеу және босату кідірістерін білдіреді. Ортақ басқарудың жалғыз кемшілігі - алмасудағы ең жоғары болжамды трафик деңгейін өңдеу үшін жеткілікті сандық жазуларды қамтамасыз ету қажеттілігі болды. Plessey TXK1 немесе 5005 дизайны аралық форманы қолданды, онда алмастыру матасы арқылы нақты жол бөлінген логикамен белгіленді, содан кейін бірден жабылды. Қималы алмасулар қазіргі таңдағы телефон желілерінде тек бірнеше жерде қолданыста. Сақталған орналымдар мұражайларда, мысалы, Вашингтон штатындағы Сиэтл қаласындағы Коммуникациялар мұражайында және Лондон қаласындағы Ғылым мұражайында сақталады.
Жартылай өткізгіш
Көшірме штрихты коммутаторлардың жартылай өткізгіштік іске асырылуы әдетте жартылай өткізгіштік құрылғыдағы бірнеше өзара байланыстарға қосылған кіріс күшейткіштерінен немесе қайта синхрондаушылардан (ретаймерлерден) тұрады. Ұқсас өзара байланыстар шығыс күшейткіштеріне немесе қайта синхрондаушыларға қосылады. Штрихтардың қиылысатын әр нүктесінде штрихтарды қосатын өту транзисторы орнатылады. Өту транзисторы қосылғанда кіріс шығысқа жалғанады. Компьютерлік технологиялардың жетілуімен қатар, көшірме штрихты коммутаторлар көп сатылы өзара байланыс желілері сияқты жүйелерде қолданыс тапты, бұл желілер бірыңғай жадты қол жеткізуге параллель процессордағы өңдеу бірліктерін жад элементтері массивімен байланыстырады.
Төрелік
Кросстальды түрлендіргіштерді пайдаланудағы стандартты мәселе – қиылысу нүктелерін орнату болып табылады. Классикалық телефон байланысы саласында кросстальдардағы қиылысу нүктелері телефон қоңыраулары келіп-кеткенде жабылып, ашылады. Асинхронды беріліс режимінде немесе пакеттік коммутациялау қолданбаларында қиылысу нүктелері әр шешім сәтінде жасалып, үзілуі керек. Жоғары жылдамдықты қосқыштарда қиылысу нүктелерінің барлық параметрлері анықталып, секундына миллиондаған немесе миллиардтаған рет орнатылуы тиіс. Мұндай шешімдерді жылдам қабылдаудың бір жолы – толқындық арбитрді пайдалану.