Interruptor de barra transversal - Crossbar switch

Um interruptor eletromecânico de barra transversal em uma central privada

Em electrónica e das telecomunicações , um interruptor de barra transversal ( comutador de ponto de cruzamento , a matriz de comutação ) é um conjunto de interruptores arranjados em uma matriz de configuração. Um interruptor de barra transversal tem várias linhas de entrada e saída que formam um padrão cruzado de linhas de interconexão entre as quais uma conexão pode ser estabelecida fechando um interruptor localizado em cada interseção, os elementos da matriz. Originalmente, um switch crossbar consistia literalmente em cruzar barras de metal que forneciam os caminhos de entrada e saída. Implementações posteriores alcançaram a mesma topologia de chaveamento na eletrônica de estado sólido . O switch crossbar é uma das principais arquiteturas de central telefônica , junto com um switch rotativo , switch de memória e um switch crossover .

Propriedades gerais

Um switch crossbar é um conjunto de switches individuais entre um conjunto de entradas e um conjunto de saídas. Os interruptores são organizados em uma matriz. Se o comutador de crossbar tiver M entradas e N saídas, então um crossbar tem uma matriz com M × N cross-points ou locais onde as conexões se cruzam. Em cada ponto cruzado há um interruptor; quando fechado, ele conecta uma das entradas a uma das saídas. Uma determinada barra transversal é um switch sem bloqueio de camada única. A chave sem bloqueio significa que outras conexões simultâneas não impedem a conexão de outras entradas a outras saídas. Coleções de barras cruzadas podem ser usadas para implementar várias camadas e opções de bloqueio. Um sistema de comutação de barra transversal também é chamado de sistema de comutação de coordenadas.

Formulários

Os switches crossbar são comumente usados ​​em aplicativos de processamento de informações, como telefonia e comutação de circuitos , mas também são usados ​​em aplicativos como máquinas de classificação mecânica .

O layout de matriz de um switch de barra transversal também é usado em alguns dispositivos de memória semicondutores que permitem a transmissão de dados. Aqui, as barras são fios de metal extremamente finos e os interruptores são elos fusíveis . Os fusíveis estão queimados ou abertos em alta tensão e lidos em baixa tensão. Esses dispositivos são chamados de memória somente leitura programável . Na Conferência de Nanotecnologia NSTI 2008, foi apresentado um artigo que discutiu uma implementação de barra transversal em nanoescala de um circuito de adição usado como uma alternativa para portas lógicas para computação.

Matrix arrays são fundamentais para os modernos monitores de tela plana. LCDs com transistor de filme fino têm um transistor em cada ponto de cruzamento, portanto, pode-se considerar que incluem uma chave de barra transversal como parte de sua estrutura.

Para comutação de vídeo em aplicações de home theater e profissionais, um switch crossbar (ou um switch de matriz, como é mais comumente chamado neste aplicativo) é usado para distribuir a saída de vários aparelhos de vídeo simultaneamente para cada monitor ou cada sala em um edifício. Em uma instalação típica, todas as fontes de vídeo estão localizadas em um rack de equipamento e são conectadas como entradas ao switch matricial.

Onde o controle central da matriz for prático, um switch de matriz de montagem em rack típico oferece botões no painel frontal para permitir a conexão manual de entradas a saídas. Um exemplo de uso pode ser uma barra de esportes , onde vários programas são exibidos simultaneamente. Normalmente, uma barra de esportes instalaria uma caixa de mesa separada para cada monitor para o qual um controle independente é desejado. O switch de matriz permite que o operador roteie os sinais à vontade, de modo que apenas os decodificadores suficientes sejam necessários para cobrir o número total de programas exclusivos a serem visualizados, enquanto torna mais fácil controlar o som de qualquer programa no sistema de som geral.

Esses interruptores são usados ​​em aplicativos de home theater de última geração. As fontes de vídeo normalmente compartilhadas incluem receptores set-top ou trocadores de DVD; o mesmo conceito se aplica ao áudio. As saídas são conectadas a televisores em quartos individuais. O switch de matriz é controlado por meio de uma conexão Ethernet ou RS-232 por um controlador de automação de toda a casa, como aqueles feitos por AMX , Crestron ou Control4 , que fornece a interface de usuário que permite ao usuário em cada sala selecionar qual dispositivo Assistir. A interface do usuário real varia de acordo com a marca do sistema e pode incluir uma combinação de menus na tela, telas sensíveis ao toque e controles remotos portáteis. O sistema é necessário para permitir que o usuário selecione o programa que deseja assistir na mesma sala de onde irá assisti-lo, caso contrário, seria necessário caminhar até o rack do equipamento.

Os interruptores especiais da barra transversal usados ​​na distribuição de sinais de TV via satélite são chamados de multiswitches .

Implementações

Historicamente, um switch de barra transversal consistia em barras de metal associadas a cada entrada e saída, junto com alguns meios de controlar os contatos móveis em cada ponto cruzado. Na última parte do século 20, esses switches de barra transversal literal diminuíram e o termo passou a ser usado figurativamente para switches de matriz retangular em geral. Os interruptores de barra cruzada modernos são geralmente implementados com tecnologia de semicondutor. Uma importante classe emergente de barras transversais ópticas está sendo implementada com a tecnologia MEMS .

Mecânico

Um tipo de troca telegráfica de meados do século 19 consistia em uma grade de barras de latão verticais e horizontais com um orifício em cada interseção. O operador inseriu um pino de latão para conectar uma linha telegráfica a outra.

Comutação eletromecânica em telefonia

Um switch de barra transversal de telefonia é um dispositivo eletromecânico para comutação de chamadas telefônicas . O primeiro projeto do que agora é chamado de interruptor de barra transversal foi o seletor de coordenadas da empresa Bell Western Electric de 1915. Para economizar dinheiro em sistemas de controle, este sistema foi organizado com base no interruptor de passo ou princípio do seletor em vez do princípio de ligação. Era pouco usado na América, mas a agência governamental sueca Televerket fabricou seu próprio design (o design Gotthilf Betulander de 1919, inspirado no sistema elétrico ocidental), e o usou na Suécia de 1926 até a digitalização na década de 1980 em pequenos e médios interruptores de modelo A204 de tamanho reduzido. O projeto do sistema usado na AT & T Corporation 's 1XB trocas trave, que entrou em serviço a partir de 1938, desenvolvido pela Bell Telephone Labs , foi inspirado no design sueco, mas foi baseado no princípio de ligação redescoberto. Em 1945, um projeto semelhante da Swedish Televerket foi instalado na Suécia, tornando possível aumentar a capacidade do switch modelo A204. Atrasado pela Segunda Guerra Mundial, vários milhões de linhas urbanas 1XB foram instaladas a partir da década de 1950 nos Estados Unidos.

Em 1950, a empresa sueca Ericsson desenvolveu suas próprias versões dos sistemas 1XB e A204 para o mercado internacional. No início da década de 1960, as vendas da empresa de interruptores de barra cruzada ultrapassaram as de seu sistema de comutação rotativo 500, conforme medido no número de linhas. A troca de barras cruzadas rapidamente se espalhou para o resto do mundo, substituindo a maioria dos projetos anteriores como o Strowger (passo a passo) e sistemas de painel em instalações maiores nos Estados Unidos. Graduando-se do controle totalmente eletromecânico na introdução, eles foram gradualmente elaborados para ter um sistema totalmente eletrônico controle e uma variedade de recursos de chamada, incluindo código de acesso e discagem rápida. No Reino Unido, a Plessey Company produziu uma série de trocas de barra transversal TXK , mas sua implantação generalizada pelos Correios britânicos começou mais tarde do que em outros países e foi inibida pelo desenvolvimento paralelo de reed relé TXE e sistemas de troca eletrônica, de modo que nunca alcançaram um grande número de conexões com o cliente, embora tenham tido algum sucesso como trocas de switch tandem .

Os switches crossbar usam matrizes de comutação feitas de uma matriz bidimensional de contatos dispostos em um formato xy. Essas matrizes de comutação são operadas por uma série de barras horizontais dispostas sobre os contatos. Cada barra de seleção pode ser movida para cima ou para baixo por eletroímãs para fornecer acesso a dois níveis da matriz. Um segundo conjunto de barras de retenção verticais é definido em ângulos retos com o primeiro (daí o nome, "barra transversal") e também operado por eletroímãs. As barras selecionadas carregam dedos de arame com mola que permitem que as barras de retenção operem os contatos abaixo das barras. Quando os eletroímãs de seleção e retenção operam em sequência para mover as barras, eles prendem um dos dedos da mola para fechar os contatos abaixo do ponto onde duas barras se cruzam. Isso então faz a conexão por meio da central como parte da configuração de um caminho de chamada pela central. Uma vez conectado, o ímã selecionado é então liberado para que possa usar seus outros dedos para outras conexões, enquanto o ímã de retenção permanece energizado durante a chamada para manter a conexão. A interface de comutação de barra transversal era conhecida como switch TXK ou TXC (barra cruzada de central telefônica) no Reino Unido.

Interruptor de barra transversal tipo B de 100 pontos e seis fios da Western Electric

No entanto, o switch de barra transversal Bell System Tipo B da década de 1960 foi feito em grande quantidade. A maioria eram interruptores de 200 pontos, com vinte verticais e dez níveis de três fios. Cada barra de seleção carrega dez dedos para que qualquer um dos dez circuitos atribuídos às dez verticais possa se conectar a qualquer um dos dois níveis. Cinco barras selecionadas, cada uma capaz de girar para cima ou para baixo, significam uma escolha de dez links para o próximo estágio de comutação. Cada ponto cruzado neste modelo específico conectou seis fios. Os contatos verticais fora do normal próximos aos ímãs de retenção são alinhados ao longo da parte inferior da chave. Eles executam funções lógicas e de memória, e a barra de retenção os mantém na posição ativa enquanto a conexão estiver ativa. Os fora do normal horizontais nas laterais da chave são ativados pelas barras horizontais quando os ímãs em forma de borboleta os giram. Isso só acontece enquanto a conexão está sendo feita, já que as borboletas só ficam energizadas nessa hora.

Interruptor de barra transversal Western Electric de último modelo
Verso do Tipo C

A maioria das chaves do sistema Bell foram feitas para conectar três fios, incluindo a ponta e o anel de um circuito de par balanceado e um cabo de manga para controle. Muitos seis fios conectados, para dois circuitos distintos ou para um circuito de quatro fios ou outra conexão complexa. A barra transversal em miniatura do Bell System Type C da década de 1970 era semelhante, mas os dedos projetados para a frente a partir da parte de trás e as barras selecionadas seguravam os remos para movê-los. A maioria do tipo C tinha doze níveis; estes eram os dez níveis menos comuns. O minibar elétrico do norte usado no switch SP1 era semelhante, mas ainda menor. O ITT Pentaconta Multiswitch da mesma época tinha geralmente 22 verticais, 26 níveis e seis a doze fios. Os switches da barra transversal da Ericsson às vezes tinham apenas cinco verticais.

Instrumentação

Para o uso de instrumentação, James Cunningham, Son and Company fez interruptores de barra transversal de alta velocidade e longa vida com partes mecânicas fisicamente pequenas que permitiam uma operação mais rápida do que interruptores de barra transversal do tipo telefone. Muitos de seus interruptores tinham a função mecânica booleana AND de interruptores de barra cruzada de telefonia, mas outros modelos tinham relés individuais (uma bobina por ponto cruzado) em matrizes, conectando os contatos de relé aos barramentos [x] e [y]. Esses últimos tipos eram equivalentes a relés separados; não havia nenhuma função lógica AND embutida. Os interruptores da barra transversal de Cunningham tinham contatos de metal precioso capazes de lidar com sinais em milivolts.

Câmbio de telefone

As primeiras trocas de barras transversais foram divididas em um lado de origem e um lado de terminação, enquanto o posterior e proeminente switch canadense e US SP1 e switch 5XB não foram. Quando um usuário pegou o telefone handset, o laço linha resultante de operação do relé a linha do usuário causou a troca para conectar o telefone do usuário para um remetente de origem, que retornou ao usuário um tom de discagem. O remetente então registrava os dígitos discados e os passava para o marcador de origem, que selecionava um tronco de saída e operava os vários estágios de troca de barra cruzada para conectar o usuário chamador a ele. O marcador de origem então passou os requisitos de conclusão da chamada do tronco (tipo de pulsação, resistência do tronco, etc.) e os detalhes da parte chamada para o remetente e liberados. O remetente então retransmitia essas informações para um remetente de encerramento (que poderia estar na mesma central ou em uma central diferente). Este remetente então usou um marcador de terminação para conectar o usuário chamador, por meio do tronco de entrada selecionado, ao usuário chamado, e fez com que o relé de controle definido enviasse o sinal de toque ao telefone do usuário chamado e retornasse o tom de toque ao chamador.

A chave da barra transversal em si era simples: o projeto da central movia todas as tomadas de decisões lógicas para os elementos de controle comuns , que eram muito confiáveis ​​como conjuntos de relés. Os critérios de projeto especificavam apenas duas horas de inatividade para manutenção a cada quarenta anos, o que era uma grande melhoria em relação aos sistemas eletromecânicos anteriores. O conceito de design de central prestou-se a atualizações incrementais, uma vez que os elementos de controle podiam ser substituídos separadamente dos elementos de comutação de chamadas. O tamanho mínimo de uma troca de barra transversal era comparativamente grande, mas em áreas da cidade com uma grande capacidade de linha instalada, toda a troca ocupava menos espaço do que outras tecnologias de troca de capacidade equivalente. Por esse motivo, eles também foram normalmente os primeiros switches a serem substituídos por sistemas digitais , que eram ainda menores e mais confiáveis.

Dois princípios de comutação de barra transversal existiam. Um método antigo baseava-se no princípio do seletor e usava os interruptores como substitutos funcionais para Strowger ou interruptores de passo . O controle foi distribuído para os próprios interruptores. O estabelecimento da chamada progrediu na troca etapa por etapa, conforme os dígitos sucessivos foram discados. Com o princípio do seletor, cada switch só poderia lidar com sua parte de uma chamada por vez. Cada contato móvel da matriz foi multiplicado para pontos de cruzamento correspondentes em outros interruptores para um seletor no próximo banco de interruptores. Assim, uma troca com cem switches 10 × 10 em cinco estágios poderia ter apenas vinte conversas em andamento. O controle distribuído significava que não havia ponto comum de falha, mas também significava que o estágio de configuração durava cerca de dez segundos que o chamador levava para discar o número necessário. Em termos de ocupação de controle, esse intervalo comparativamente longo degrada a capacidade de tráfego de um switch.

Fiação banjo de um interruptor de sistema de campainha Tipo B de seis fios de 100 pontos

Começando com o switch 1XB , o método posterior e mais comum era baseado no princípio do link e usava os switches como pontos de cruzamento. Cada contato móvel foi multiplicado para os outros contatos no mesmo nível por fios de banjo mais simples, para um link em uma das entradas de um interruptor no próximo estágio. O switch podia lidar com sua porção de tantas chamadas quantos níveis ou verticais. Assim, uma troca com quarenta switches 10 × 10 em quatro estágios pode ter cem conversas em andamento. O princípio do link era mais eficiente, mas exigia um sistema de controle mais complexo para localizar links ociosos por meio da estrutura de comutação .

Isso significava controle comum , conforme descrito acima: todos os dígitos eram gravados e, em seguida, passados ​​para o equipamento de controle comum, o marcador , para estabelecer a chamada em todos os estágios de comutação separados simultaneamente. Um sistema de barra transversal controlado por marcador tinha no marcador um controle central altamente vulnerável; isso era invariavelmente protegido por marcadores duplicados. A grande vantagem era que a ocupação de controle nos interruptores era da ordem de um segundo ou menos, representando as defasagens de operação e liberação das armaduras X-então-Y dos interruptores. A única desvantagem do controle comum era a necessidade de fornecer gravadores de dígitos o suficiente para lidar com o maior nível de tráfego de origem da previsão na central.

O projeto Plessey TXK 1 ou 5005 usava uma forma intermediária, na qual um caminho claro era marcado através da malha de comutação por lógica distribuída e, em seguida, fechado de uma vez.

As trocas crossbar permanecem em serviço de receita apenas em algumas redes telefônicas. As instalações preservadas são mantidas em museus , como o Museum of Communications em Seattle, Washington, e o Science Museum em Londres .

Semicondutor

Implementações de semicondutores de comutadores de barra cruzada normalmente consistem em um conjunto de amplificadores ou retímeros de entrada conectados a uma série de metalizações ou barras dentro de um dispositivo semicondutor. Um conjunto semelhante de metalizações ou barras é conectado a amplificadores ou retimers de saída. Em cada ponto cruzado onde as barras se cruzam, um transistor de passagem é implementado e conecta as barras. Quando o transistor de passagem é habilitado, a entrada é conectada à saída.

À medida que as tecnologias de computador melhoraram, os switches crossbar encontraram usos em sistemas como as redes de interconexão de vários estágios que conectam as várias unidades de processamento em um processador paralelo de acesso à memória uniforme ao conjunto de elementos de memória.

Arbitragem

Um problema padrão no uso de interruptores de barra transversal é definir os pontos de cruzamento. Na aplicação clássica de crossbars de telefonia, os crosspoints são fechados e abertos à medida que as chamadas telefônicas vão e vêm. No modo de transferência assíncrona ou em aplicativos de comutação de pacotes, os pontos de cruzamento devem ser feitos e interrompidos a cada intervalo de decisão. Em switches de alta velocidade, as configurações de todos os pontos de cruzamento devem ser determinadas e, em seguida, definidas milhões ou bilhões de vezes por segundo. Uma abordagem para tomar essas decisões rapidamente é por meio do uso de um árbitro de frente de onda .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos