Матричный переключатель: принцип работы и применение.

Введение

Сбор электронных переключателей, расположенных в матрице.

В электронике и телекоммуникациях переключатель с перекрестной коммутацией (переключатель с перекрестными точками, матричный переключатель) представляет собой набор переключателей, расположенных в матричной конфигурации. Переключатель с перекрестной коммутацией имеет несколько входных и выходных линий, образующих сетку взаимосвязанных линий, между которыми соединение может быть установлено путем замыкания переключателя, расположенного в каждой точке пересечения элементов матрицы. Изначально переключатель с перекрестной коммутацией буквально состоял из пересекающихся металлических стержней, обеспечивающих входные и выходные пути. Последующие реализации достигли той же топологии коммутации в твердотельной электронике. Переключатель с перекрестной коммутацией является одной из основных архитектур телефонных станций, наряду с ротационным переключателем, переключателем памяти и кроссоверным переключателем.

Общие свойства

Перекрестный коммутатор – это сборка отдельных коммутаторов между набором входов и набором выходов. Коммутаторы расположены в матрице. Если перекрестный коммутатор имеет M входов и N выходов, то матрица содержит M × N кросс-поинтов, или мест, где могут быть установлены соединения. В каждом кросс-поинте находится коммутатор; при замыкании он соединяет один из входов с одним из выходов. Данный перекрестный коммутатор является однослойным, неблокирующим коммутатором. Система коммутации на перекрестных соединениях также называется координатной системой коммутации. Совокупности перекрестных коммутаторов могут использоваться для реализации многослойных и блокирующих коммутаторов. Блокирующий коммутатор препятствует установлению более одного соединения с одного входа. Неблокирующий коммутатор позволяет осуществлять другие одновременные соединения от входов к другим выходам.

Приложения

Перекрестные переключатели широко используются в приложениях обработки информации, таких как телефония и канальная коммутация, но также находят применение в механических сортировочных машинах. Матричная компоновка перекрестного переключателя также используется в некоторых полупроводниковых устройствах памяти, обеспечивая передачу данных. В этих устройствах перемычки выполнены из чрезвычайно тонких металлических проводов, а сами переключатели – из плавких предохранителей. Предохранители перегорают или размыкаются при помощи высокого напряжения, а считывание информации производится при низком напряжении. Такие устройства называются программируемой памятью только для чтения (ПЗУ). На конференции NSTI по нанотехнологиям 2008 года был представлен доклад, посвященный реализации наномасштабной перекрестной схемы для построения сумматора, используемой в качестве альтернативы логическим элементам для вычислений. Матричные массивы являются основой современных плоских дисплеев. В жидкокристаллических дисплеях на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) транзистор располагается в каждой точке пересечения, поэтому их можно рассматривать как содержащие перекрестный переключатель в своей структуре. Для коммутации видеосигнала в домашних и профессиональных кинотеатрах используется перекрестный переключатель (или матричный коммутатор, как его чаще называют в этом контексте) для одновременного распределения выходов нескольких видеоустройств на каждый монитор или в каждую комнату здания. В типичной установке все источники видеосигнала размещаются на стойке оборудования и подключаются к матричному коммутатору в качестве входов. Если централизованное управление матрицей целесообразно, стандартный матричный коммутатор, устанавливаемый в стойку, оснащен кнопками на передней панели для ручного подключения входов к выходам. Примером такого использования может служить спортивный бар, где одновременно отображаются многочисленные программы. Обычно в спортивном баре для каждого дисплея, требующего независимого управления, устанавливается отдельный медиаплеер. Матричный коммутатор позволяет оператору произвольно маршрутизировать сигналы, так что требуется лишь достаточное количество медиаплееров для охвата общего количества уникальных просматриваемых программ, при этом упрощая управление звуком из любой программы в общей звуковой системе. Такие коммутаторы используются в высококлассных домашних кинотеатрах. Обычно совместно используются видеоисточники, такие как спутниковые приставки или DVD-чейнджеры; та же концепция применима и к аудиосигналу. Выходы подключаются к телевизорам в отдельных комнатах. Управление матричным коммутатором осуществляется через Ethernet или RS-232 подключение с помощью контроллера автоматизации всего дома, например, от компаний AMX, Crestron или Control4, который предоставляет пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю в каждой комнате выбирать, какое устройство просматривать. Фактический пользовательский интерфейс может отличаться в зависимости от марки системы и может включать в себя комбинацию экранных меню, сенсорных экранов и портативных пультов дистанционного управления. Система необходима для того, чтобы пользователь мог выбирать программу для просмотра из той же комнаты, в которой он будет ее смотреть, иначе ему пришлось бы идти к стойке оборудования. Специальные перекрестные переключатели, используемые для распределения сигналов спутникового телевидения, называются мультисвитчерами.

Crossbar switches are commonly used in information processing applications such as telephony and circuit switching, but they are also used in applications such as mechanical sorting machines. The matrix layout of a crossbar switch is also used in some semiconductor memory devices which enables the data transmission. Here the bars are extremely thin metal wires, and the switches are fusible links. The fuses are blown or opened using high voltage and read using low voltage. Such devices are called programmable read only memory. At the 2008 NSTI Nanotechnology Conference a paper was presented that discussed a nanoscale crossbar implementation of an adding circuit used as an alternative to logic gates for computation. Matrix arrays are fundamental to modern flat panel displays. Thin film transistor LCDs have a transistor at each crosspoint, so they could be considered to include a crossbar switch as part of their structure. For video switching in home and professional theater applications, a crossbar switch (or a matrix switch, as it is more commonly called in this application) is used to distribute the output of multiple video appliances simultaneously to every monitor or every room throughout a building. In a typical installation, all the video sources are located on an equipment rack, and are connected as inputs to the matrix switch. Where central control of the matrix is practical, a typical rack mount matrix switch offers front panel buttons to allow manual connection of inputs to outputs. An example of such a usage might be a sports bar, where numerous programs are displayed simultaneously. Ordinarily, a sports bar would install a separate desk top box for each display for which independent control is desired. The matrix switch enables the operator to route signals at will, so that only enough set top boxes are needed to cover the total number of unique programs to be viewed, while making it easier to control sound from any program in the overall sound system. Such switches are used in high end home theater applications. Video sources typically shared include set top receivers or DVD changers; the same concept applies to audio. The outputs are wired to televisions in individual rooms. The matrix switch is controlled via an Ethernet or RS 232 connection by a whole house automation controller, such as those made by AMX, Crestron, or Control4, which provides the user interface that enables the user in each room to select which appliance to watch. The actual user interface varies by system brand, and might include a combination of on screen menus, touch screens, and handheld remote controls. The system is necessary to enable the user to select the program they wish to watch from the same room they will watch it from, otherwise it would be necessary for them to walk to the equipment rack. The special crossbar switches used in distributing satellite TV signals are called multiswitches.

Реализация

Исторически, переключатель с перекрестной коммутацией состоял из металлических стержней, связанных с каждым входом и выходом, а также средств управления подвижными контактами в каждой точке пересечения. Первые переключатели использовали металлические штыри или вилки для замыкания вертикального и горизонтального стержня. Во второй половине 20-го века использование механических переключателей с перекрестной коммутацией уменьшилось, и термин стал обозначать любой прямоугольный массив переключателей в целом. Современные переключатели с перекрестной коммутацией обычно реализуются с использованием полупроводниковых технологий. Важный развивающийся класс оптических переключателей с перекрестной коммутацией реализуется с помощью технологии микроэлектромеханических систем (MEMS).

Механические

Тип телеграфного коммутатора середины 20-го века представлял собой решетку из вертикальных и горизонтальных латунных планок с отверстием в каждой точке пересечения (см. верхнее изображение). Оператор вставлял металлический штырь, чтобы соединить одну телеграфную линию с другой.

Электромеханическое переключение в телефонии

Телефонный кроссовый коммутатор — это электромеханическое устройство для коммутации телефонных вызовов. Первым проектом, который сейчас известен как кроссовый коммутатор, был координатный селектор компании Bell Western Electric 1915 года. Чтобы сэкономить средства на системах управления, эта система была организована по принципу ступенчатого коммутатора или селектора, а не по принципу связи. В Америке он не получил широкого распространения, но шведское государственное агентство Televerket изготовило собственную конструкцию (проект Готтхильфа Бетандера 1919 года, вдохновленный системой Western Electric) и использовало ее в Швеции с 1926 года до цифровизации в 1980-х годах в небольших и средних коммутаторах модели A204. Система, разработанная Bell Telephone Labs для кроссовых станций 1XB корпорации AT&T, которые начали коммерческую эксплуатацию с 1938 года, была вдохновлена шведской конструкцией, но основывалась на вновь открытом принципе связи. В 1945 году аналогичная конструкция шведского Televerket была установлена в Швеции, что позволило увеличить емкость коммутатора модели A204. Несколько миллионов городских линий 1XB были установлены в Соединенных Штатах с 1950-х годов, задержка была вызвана Второй мировой войной. В 1950 году шведская компания Ericsson разработала собственные версии систем 1XB и A204 для международного рынка. В начале 1960-х годов продажи кроссовых коммутаторов компании превысили продажи их ротационной системы коммутации 500, измеренные по количеству линий. Кроссовая коммутация быстро распространилась по всему миру, заменив большинство более ранних конструкций, таких как системы Строуджера (ступенчатая) и панельные системы в крупных установках в США. Изначально полностью электромеханическое управление постепенно усовершенствовалось до полного электронного управления и различных функций вызова, включая короткий номер и ускоренный набор. В Великобритании компания Plessey производила ряд кроссовых станций TXK, но их широкое внедрение британской почтой началось позже, чем в других странах, и затем было заторможено параллельной разработкой реле TXE и электронных систем коммутации, поэтому они так и не достигли большого количества подключений к клиентам, хотя и добились определенного успеха в качестве тандемных коммутационных станций. Кроссовые коммутаторы используют коммутационные матрицы, изготовленные из двухмерного массива контактов, расположенных в формате x–y. Эти коммутационные матрицы управляются серией горизонтальных планок, расположенных над контактами. Каждая такая выбирающая планка может подниматься или опускаться электромагнитами для обеспечения доступа к двум уровням матрицы. Второй набор вертикальных удерживающих планок установлен под прямым углом к первой (отсюда и название «кроссовая планка») и также управляется электромагнитами. На выбирающих планках имеются пружинные проводящие пальцы, которые позволяют удерживающим планкам управлять контактами под планками. Когда электромагниты выбора, а затем и удержания последовательно перемещают планки, они захватывают один из пружинных пальцев, чтобы замкнуть контакты под точкой пересечения двух планок. Это устанавливает соединение через коммутатор как часть настройки пути вызова через станцию. После установления соединения выбирающий магнит освобождается, чтобы он мог использовать другие свои пальцы для других соединений, в то время как удерживающий магнит остается включенным на протяжении всего вызова для поддержания соединения. Интерфейс кроссовой коммутации в Великобритании назывался TXK или TXC (telephone exchange crossbar). Однако кроссовый коммутатор Bell System Type B 1960-х годов был произведен в наибольшем количестве. Большинство из них были 200-точечными коммутаторами с двадцатью вертикалями и десятью уровнями по три провода. Каждая выбирающая планка имеет десять пальцев, так что любая из десяти цепей, назначенных для десяти вертикалей, может соединиться с любым из двух уровней. Пять выбирающих планок, каждая из которых может вращаться вверх или вниз, обеспечивают выбор из десяти линий к следующей ступени коммутации. Каждый перекрестный контакт в этой модели соединяет шесть проводов. Вертикальные отключающие контакты рядом с удерживающими магнитами выровнены вдоль нижней части коммутатора. Они выполняют логические и запоминающие функции, а удерживающая планка удерживает их в активном положении, пока соединение активно. Горизонтальные отключающие контакты по бокам коммутатора активируются горизонтальными планками, когда поворотные магниты вращают их. Это происходит только во время установки соединения, поскольку поворотные магниты активируются только в это время. Большинство коммутаторов Bell System были изготовлены для соединения трех проводов, включая «кончик» и «кольцо» сбалансированной пары и «гильзу» для управления. Многие соединяли шесть проводов, либо для двух отдельных цепей, либо для четырехпроводной цепи или другого сложного соединения. Миниатюрный кроссовый коммутатор Bell System Type C 1970-х годов был похож, но пальцы выступали вперед от задней части, а выбирающие планки удерживали рычаги для их перемещения. Большинство Type C имели двенадцать уровней; менее распространенными были десятиуровневые. Northern Electric Minibar, использовавшийся в коммутаторе SP1, был похож, но еще меньше. ITT Pentaconta Multiswitch той же эпохи обычно имел 22 вертикали, 26 уровней и от шести до двенадцати проводов. Кроссовые коммутаторы Ericsson иногда имели всего пять вертикалей.

A telephony crossbar switch is an electromechanical device for switching telephone calls. The first design of what is now called a crossbar switch was the Bell company Western Electric's coordinate selector of 1915. To save money on control systems, this system was organized on the stepping switch or selector principle rather than the link principle. It was little used in America, but the Televerket Swedish governmental agency manufactured its own design (the Gotthilf Betulander design from 1919, inspired by the Western Electric system), and used it in Sweden from 1926 until the digitization in the 1980s in small and medium sized A204 model switches. The system design used in AT&T Corporation's 1XB crossbar exchanges, which entered revenue service from 1938, developed by Bell Telephone Labs, was inspired by the Swedish design but was based on the rediscovered link principle. In 1945, a similar design by Swedish Televerket was installed in Sweden, making it possible to increase the capacity of the A204 model switch. Delayed by the Second World War, several millions of urban 1XB lines were installed from the 1950s in the United States. In 1950, the Swedish Ericsson company developed their own versions of the 1XB and A204 systems for the international market. In the early 1960s, the company's sales of crossbar switches exceeded those of their rotating 500 switching system, as measured in the number of lines. Crossbar switching quickly spread to the rest of the world, replacing most earlier designs like the Strowger (step by step) and Panel systems in larger installations in the U. S. Graduating from entirely electromechanical control on introduction, they were gradually elaborated to have full electronic control and a variety of calling features including short code and speed dialing. In the UK the Plessey Company produced a range of TXK crossbar exchanges, but their widespread rollout by the British Post Office began later than in other countries, and then was inhibited by the parallel development of TXE reed relay and electronic exchange systems, so they never achieved a large number of customer connections although they did find some success as tandem switch exchanges. Crossbar switches use switching matrices made from a two dimensional array of contacts arranged in an x–y format. These switching matrices are operated by a series of horizontal bars arranged over the contacts. Each such select bar can be rocked up or down by electromagnets to provide access to two levels of the matrix. A second set of vertical hold bars is set at right angles to the first (hence the name, "crossbar") and also operated by electromagnets. The select bars carry spring loaded wire fingers that enable the hold bars to operate the contacts beneath the bars. When the select and then the hold electromagnets operate in sequence to move the bars, they trap one of the spring fingers to close the contacts beneath the point where two bars cross. This then makes the connection through the switch as part of setting up a calling path through the exchange. Once connected, the select magnet is then released so it can use its other fingers for other connections, while the hold magnet remains energized for the duration of the call to maintain the connection. The crossbar switching interface was referred to as the TXK or TXC (telephone exchange crossbar) switch in the UK. However, the Bell System Type B crossbar switch of the 1960s was made in the largest quantity. The majority were 200 point switches, with twenty verticals and ten levels of three wires. Each select bar carries ten fingers so that any of the ten circuits assigned to the ten verticals can connect to either of two levels. Five select bars, each able to rotate up or down, mean a choice of ten links to the next stage of switching. Each crosspoint in this particular model connected six wires. The vertical off normal contacts next to the hold magnets are lined up along the bottom of the switch. They perform logic and memory functions, and the hold bar keeps them in the active position as long as the connection is up. The horizontal off normals on the sides of the switch are activated by the horizontal bars when the butterfly magnets rotate them. This only happens while the connection is being set up, since the butterflies are only energized then. The majority of Bell System switches were made to connect three wires including the tip and ring of a balanced pair circuit and a sleeve lead for control. Many connected six wires, either for two distinct circuits or for a four wire circuit or other complex connection. The Bell System Type C miniature crossbar of the 1970s was similar, but the fingers projected forward from the back and the select bars held paddles to move them. The majority of type C had twelve levels; these were the less common ten level ones. The Northern Electric Minibar used in SP1 switch was similar but even smaller. The ITT Pentaconta Multiswitch of the same era had usually 22 verticals, 26 levels, and six to twelve wires. Ericsson crossbar switches sometimes had only five verticals.

Инструментовка

Для использования в измерительных приборах, компания James Cunningham, Son and Company производила высокоскоростные переключатели с очень длительным сроком службы, оснащенные физически небольшими механическими компонентами, что обеспечивало более быструю работу по сравнению с телефонными переключателями. Многие из их переключателей обладали механической булевой функцией И, аналогичной телефонным переключателям с перекрестной коммутацией, но другие модели использовали отдельные реле (по одной катушке на точку переключения) в матричных массивах, соединяющих контакты реле с шинами [x] и [y]. Эти типы переключателей эквивалентны отдельным реле и не имели встроенной логической функции И. Переключатели Каннингхема имели контакты из драгоценных металлов, способные обрабатывать сигналы милливольтном диапазоне.

Телефонная станция

Ранние кроссбарные (перекрестные) коммутаторы разделялись на исходящую и входящую стороны, в то время как более поздние и известные канадские и американские коммутаторы SP1 и 5XB – нет. Когда пользователь снимал телефонную трубку, образующаяся линия, управляющая линейным реле абонента, заставляла коммутатор соединять телефон пользователя с исходящим отправителем, который возвращал пользователю сигнал набора. Отправитель затем записывал набранные цифры и передавал их исходящему маркеру, который выбирал исходящую линию и управлял различными ступенями кроссбарного коммутатора для соединения вызывающего абонента с ней. Исходящий маркер затем передавал требования к завершению вызова (тип импульсной модуляции, сопротивление линии и т.д.) и данные об вызываемом абоненте отправителю и освобождался. Отправитель затем передавал эту информацию входящему отправителю (который мог находиться на той же или другой станции). Этот отправитель затем использовал входящий маркер для соединения вызывающего абонента через выбранную входящую линию с вызываемым абонентом, и заставлял управляющее реле отправлять сигнал вызова на телефон вызываемого абонента и возвращать сигнал ожидания вызова вызывающему абоненту. Сам кроссбарный коммутатор был прост: конструкция станции перенесла все логические решения на общие управляющие элементы, которые были очень надежными в качестве реле. Критерии проектирования предусматривали всего два часа простоя в течение сорока лет эксплуатации, что было значительным улучшением по сравнению с более ранними электромеханическими системами. Концепция конструкции станции позволяла проводить постепенные модернизации, поскольку управляющие элементы можно было заменять отдельно от элементов коммутации вызовов. Минимальный размер кроссбарной станции был сравнительно большим, но в городских районах с большой установленной емкостью станция занимала меньше места, чем другие технологии станций эквивалентной емкости. По этой причине они также обычно первыми заменялись на цифровые системы, которые были еще меньше и надежнее. Существовали два принципа кроссбарной коммутации. Ранний метод основывался на принципе селектора, который использовал кроссбарные коммутаторы для реализации той же коммутационной матрицы, что и в коммутаторах Строуджера. В этом принципе каждый кроссбарный коммутатор получал одну набранную цифру, соответствующую одной из нескольких групп коммутаторов или линий. Коммутатор затем находил свободный коммутатор или линию среди выбранных и подключался к нему. Каждый кроссбарный коммутатор мог обрабатывать только один вызов одновременно; таким образом, станция со ста коммутаторов 10×10 в пять ступеней могла поддерживать только двадцать одновременных разговоров. Распределенное управление означало отсутствие единой точки отказа, но также означало, что этап установки занимал около десяти секунд, пока вызывающий абонент набирал необходимый номер. С точки зрения загрузки управления этот сравнительно длительный интервал снижает пропускную способность коммутатора. Начиная с коммутатора 1XB, более поздний и распространенный метод основывался на принципе соединения и использовал коммутаторы в качестве кросс-соединений. Каждый подвижный контакт соединялся с другими контактами на одном уровне голыми полосочными проводами, часто называемыми «банджо-проводкой», к соединению на одном из входов коммутатора на следующей ступени. Коммутатор мог обрабатывать свою часть стольких вызовов, сколько у него было уровней или вертикалей. Таким образом, станция с сорока коммутаторами 10×10 в четыре ступени могла поддерживать сто одновременных разговоров. Принцип соединения был более эффективным, но требовал сложной системы управления для поиска свободных соединений в коммутационной матрице. Это означало общее управление, как описано выше: все цифры записывались, затем передавались в общее управление, маркеру, для установления вызова на всех отдельных ступенях коммутации одновременно. Кроссбарная система с управлением маркером имела в маркере центральное управление, которое было крайне уязвимым; оно всегда защищалось наличием дублирующих маркеров. Большим преимуществом было то, что время занятости управления на коммутаторах составляло одну секунду или меньше, что отражало задержки срабатывания и отпускания якорей X, а затем Y. Единственным недостатком общего управления была необходимость обеспечивать достаточное количество записывающих устройств для обработки максимального прогнозируемого уровня входящего трафика на станции. Конструкция Plessey TXK1 или 5005 использовала промежуточную форму, в которой четкий путь отмечался через коммутационную матрицу распределенной логикой, а затем замыкался одновременно на всех этапах. Кроссбарные коммутаторы до сих пор используются в коммерческой эксплуатации лишь в нескольких телефонных сетях. Сохранившиеся установки поддерживаются в музеях, таких как Музей коммуникаций в Сиэтле, штат Вашингтон, и Музей науки в Лондоне.

Early crossbar exchanges were divided into an originating side and a terminating side, while the later and prominent Canadian and US SP1 switch and 5XB switch were not. When a user picked up the telephone handset, the resulting line loop operating the user's line relay caused the exchange to connect the user's telephone to an originating sender, which returned the user a dial tone. The sender then recorded the dialed digits and passed them to the originating marker, which selected an outgoing trunk and operated the various crossbar switch stages to connect the calling user to it. The originating marker then passed the trunk call completion requirements (type of pulsing, resistance of the trunk, etc.) and the called party's details to the sender and released. The sender then relayed this information to a terminating sender (which could be on either the same or a different exchange). This sender then used a terminating marker to connect the calling user, via the selected incoming trunk, to the called user, and caused the controlling relay set to send the ring signal to the called user's phone, and return ringing tone to the caller. The crossbar switch itself was simple: exchange design moved all the logical decision making to the common control elements, which were very reliable as relay sets. The design criteria specified only two hours of downtime for service every forty years, which was a large improvement over earlier electromechanical systems. The exchange design concept lent itself to incremental upgrades, as the control elements could be replaced separately from the call switching elements. The minimum size of a crossbar exchange was comparatively large, but in city areas with a large installed line capacity the whole exchange occupied less space than other exchange technologies of equivalent capacity. For this reason they were also typically the first switches to be replaced with digital systems, which were even smaller and more reliable. Two principles of crossbar switching existed. An early method was based on the selector principle, which used crossbar switches to implement the same switching fabric used with Strowger switches. In this principle, each crossbar switch would receive one dialed digit, corresponding to one of several groups of switches or trunks. The switch would then find an idle switch or trunk among those selected and connect to it. Each crossbar switch could only handle one call at a time; thus, an exchange with a hundred 10×10 switches in five stages could only have twenty conversations in progress. Distributed control meant there was no common point of failure, but also meant that the setup stage lasted for the ten seconds or so the caller took to dial the required number. In control occupancy terms this comparatively long interval degrades the traffic capacity of a switch. Starting with the 1XB switch, the later and more common method was based on the link principle, and used the switches as crosspoints. Each moving contact was to the other contacts on the same level by bare strip wiring, often nicknamed banjo wiring. to a link on one of the inputs of a switch in the next stage. The switch could handle its portion of as many calls as it had levels or verticals. Thus an exchange with forty 10×10 switches in four stages could have one hundred conversations in progress. The link principle was more efficient, but required a complex control system to find idle links through the switching fabric. This meant common control, as described above: all the digits were recorded, then passed to the common control equipment, the marker, to establish the call at all the separate switch stages simultaneously. A marker controlled crossbar system had in the marker a highly vulnerable central control; this was invariably protected by having duplicate markers. The great advantage was that the control occupancy on the switches was of the order of one second or less, representing the operate and release lags of the X then Y armatures of the switches. The only downside of common control was the need to provide digit recorders enough to deal with the greatest forecast originating traffic level on the exchange. The Plessey TXK1 or 5005 design used an intermediate form, in which a clear path was marked through the switching fabric by distributed logic, and then closed through all at once. Crossbar exchanges remain in revenue service only in a few telephone networks. Preserved installations are maintained in museums, such as the Museum of Communications in Seattle, Washington, and the Science Museum in London.

Полупроводники

Полупроводниковые реализации перекрестных коммутаторов обычно состоят из набора входных усилителей или повторителей, соединенных с серией межсоединений внутри полупроводникового устройства. Аналогичный набор межсоединений подключен к выходным усилителям или повторителям. В каждой точке пересечения, где пересекаются шины, реализован проходной транзистор, который соединяет эти шины. Когда проходной транзистор активирован, вход соединяется с выходом. С развитием компьютерных технологий перекрестные коммутаторы нашли применение в системах, таких как многоступенчатые сети соединений, которые связывают различные вычислительные узлы в параллельном процессоре с общим доступом к памяти с массивом элементов памяти.

Арбитражный процесс

Стандартной проблемой при использовании матричных переключателей является установка перекрестных соединений. В классическом применении матричных переключателей в телефонной связи перекрестные соединения замыкаются и размыкаются по мере установления и завершения телефонных вызовов. В приложениях асинхронного режима передачи или коммутации пакетов перекрестные соединения должны устанавливаться и размыкаться на каждом интервале принятия решения. В высокоскоростных переключателях необходимо определять и устанавливать состояние всех перекрестных соединений миллионы или миллиарды раз в секунду. Один из способов быстрого принятия этих решений – использование арбитра волнового фронта.