Number One Electronic Switching System

O Number One Electronic Switching System (1ESS) foi o primeiro grande sistema de comutação telefônica por controle de programa armazenado (SPC) ou sistema de comutação eletrônica em larga escala da Bell System. Foi fabricado pela Western Electric e colocado em serviço pela primeira vez em Succasunna, Nova Jérsei, em maio de 1965.^[1] A rede de comutação era composta por uma matriz de relé de lâmina controlada por relé de mola de arame que, por sua vez, era controlada por uma unidade central de processamento (CPU).

A central telefônica 1AESS foi uma atualização de maior capacidade e compatível com plugues do 1ESS, com um processador 1A mais rápido que incorporava o conjunto de instruções existente para compatibilidade de programação, e usava comutadores remreed menores, menos relés e apresentava armazenamento em disco.^[2] Esteve em serviço de 1976 a 2017.

O plano da rede de comutação de voz era semelhante ao do anterior comutador 5XB por ser bidirecional e usar o princípio de retorno de chamada. No entanto, as maiores matrizes de comutação de acesso total (as redes de linha 12A tinham acesso parcial) no sistema eram 8x8 em vez de 10x10 ou 20x16. Assim, eram necessários oito estágios em vez de quatro para alcançar grupos de juntor grandes o suficiente em uma grande central. Como os pontos de cruzamento eram mais caros no novo sistema, mas os comutadores mais baratos, o custo do sistema foi minimizado com menos pontos de cruzamento organizados em mais comutadores. A rede era dividida em Redes de Linha (Line Networks) e Redes de Tronco (Trunk Networks) de quatro estágios, e parcialmente dobrada para permitir a conexão linha-linha ou tronco-tronco sem exceder oito estágios de comutação.^[3]

A implementação tradicional de um comutador não bloqueante de abrangência mínima capaz de conectar ${\displaystyle n}$ clientes de entrada a ${\displaystyle n}$ clientes de saída simultaneamente—com as conexões iniciadas em qualquer ordem—a matriz de conexão escalava em ${\displaystyle n^{2}}$. Sendo isso impraticável, a teoria estatística é usada para projetar hardware que possa conectar a maioria das chamadas e bloquear outras quando o tráfego excede a capacidade de projeto. Esses comutadores bloqueantes são os mais comuns nas centrais telefônicas modernas. Eles geralmente são implementados como redes de comutação menores em cascata. Em muitos, um gerador de números aleatórios é usado para selecionar o início de um caminho através da rede de múltiplos estágios para que as propriedades estatísticas previstas pela teoria possam ser obtidas. Além disso, se o sistema de controle for capaz de reorganizar o roteamento das conexões existentes na chegada de uma nova conexão, uma matriz totalmente não bloqueante requer menos pontos de comutação.^[3]

Cada Rede de Linha (LN) ou Rede de Tronco (TN) de quatro estágios era dividida em Quadros de Comutação de Juntor (JSF) e em Quadros de Comutação de Linha (LSF) no caso de uma Rede de Linha, ou Quadros de Comutação de Tronco (TSF) no caso de uma Rede de Tronco. Os links eram designados A, B, C e J para Juntor. Os Links A eram internos ao LSF ou TSF; os Links B conectavam LSF ou TSF ao JSF, os C eram internos ao JSF, e os links J ou Juntores conectavam-se a outra rede na central.^[3]

Todos os JSFs tinham uma taxa de concentração unitária, ou seja, o número de links B dentro da rede igualava o número de juntores para outras redes. A maioria dos LSFs tinha uma Taxa de Concentração de Linha (LCR) de 4:1; ou seja, as linhas eram quatro vezes mais numerosas que os links B. Em algumas áreas urbanas, eram usados LSF de 2:1. Os links B eram frequentemente multiplicados para fazer um LCR maior, como 3:1 ou (especialmente no 1ESS suburbano) 5:1. As Redes de Linha sempre tinham 1024 Juntores, organizados em 16 grades, cada uma comutando 64 juntores para 64 links B. Quatro grades eram agrupadas para fins de controle em cada um dos quatro LJFs.^[3]

O TSF tinha uma concentração unitária, mas uma TN podia ter mais TSFs do que JSFs. Assim, seus links B eram geralmente multiplicados para fazer uma Taxa de Concentração de Tronco (TCR) de 1,25:1 ou 1,5:1, sendo esta última especialmente comum em centrais 1A. Os TSFs e JSFs eram idênticos, exceto por sua posição na rede e pela presença de um nono nível de acesso de teste ou nível de não-teste no JSF. Cada JSF ou TSF era dividido em 4 grades de dois estágios.^[3]

As primeiras TNs tinham quatro JSF, totalizando 16 grades, 1024 links J e o mesmo número de links B, com quatro links B de cada grade de Juntor de Tronco para cada grade de Comutação de Tronco. A partir de meados da década de 1970, grandes centrais tinham seus links B conectados de forma diferente, com apenas dois links B de cada Grade de Juntor de Tronco para cada Grade de Comutação de Tronco. Isso permitia uma TN maior, com 8 JSF contendo 32 grades, conectando 2048 juntores e 2048 links B. Assim, os grupos de juntor poderiam ser maiores e mais eficientes. Essas TN tinham oito TSF, dando à TN uma taxa de concentração de tronco unitária.^[3]

Dentro de cada LN ou TN, os links A, B, C e J eram contados da terminação externa para a interna. Ou seja, para um tronco, o comutador Estágio 0 do tronco poderia conectar cada tronco a qualquer um dos oito links A, que por sua vez eram conectados a comutadores do Estágio 1 para conectá-los aos links B. As grades de Juntor de Tronco também tinham comutadores do Estágio 0 e Estágio 1, o primeiro para conectar links B a links C, e o último para conectar links C a links J, também chamados de Juntores. Os Juntores eram agrupados em cabos, 16 pares trançados por cabo constituindo um Subgrupo de Juntor, indo para o Quadro de Agrupamento de Juntor onde eram conectados a cabos para outras redes. Cada rede tinha 64 ou 128 subgrupos e era conectada a cada outra rede por um ou (geralmente) vários subgrupos.^[3]

A rede de comutação Ferreed original do 1ESS era empacotada como comutadores 8x8 separados ou de outros tamanhos, conectados ao resto da rede de voz e circuitos de controle por conexões de wrap de fio (wire wrap).^[4][5][3] O caminho de transmissão/recepção do sinal de voz analógico era através de uma série de comutadores de lâmina de travamento magnético (muito semelhantes a relés de travamento).^[6]

Os pontos de cruzamento Remreed muito menores, introduzidos aproximadamente na mesma época que o 1AESS, eram empacotados como caixas de grade de quatro tipos principais. As Grades de Juntor Tipo 10A e as Grades de Tronco 11A eram uma caixa de cerca de 16x16x5 polegadas (40x40x12 cm) com dezesseis comutadores 8x8 dentro. As Grades de Linha Tipo 12A com LCR 2:1 tinham apenas cerca de 5 polegadas (12 cm) de largura, com oito comutadores de linha Estágio 0 4x4 com ferrods e contatos de corte para 32 linhas, conectados internamente a quatro comutadores Estágio 1 4x8 conectando-se aos links B. As Grades de Linha Tipo 14A com LCR 4:1 tinham cerca de 16x12x5 polegadas (40x30x12 cm) com 64 linhas, 32 links A e 16 links B. As caixas eram conectadas ao resto da rede e circuitos de controle por conectores deslizantes. Assim, o trabalhador tinha que manusear um equipamento muito maior e pesado, mas não precisava desembrulhar e reembrulhar dezenas de fios.^[6]

Os dois controladores em cada Quadro de Juntor tinham acesso de não-teste aos seus Juntores via seu F-switch, um nono nível nos comutadores do Estágio 1 que podia ser aberto ou fechado independentemente dos pontos de cruzamento na grade. Ao configurar cada chamada através da rede, mas antes de conectar a rede à linha e/ou tronco, o controlador podia conectar um ponto de varredura de teste aos fios de conversação para detectar potenciais. A corrente fluindo através do ponto de varredura seria relatada ao software de manutenção, resultando em uma mensagem de teleimpressor "Falso Cruzamento e Terra" (FCG) listando o caminho. Então, o software de manutenção dizia ao software de conclusão de chamada para tentar novamente com um juntor diferente.^[7]

Com um teste FCG limpo, o software de conclusão de chamada dizia ao relé "A" no circuito do tronco para operar, conectando seu hardware de transmissão e teste à rede de comutação e, assim, à linha. Então, para uma chamada de saída, o ponto de varredura do tronco verificava a presença de uma linha fora do gancho. Se o curto não fosse detectado, o software comandava a impressão de uma "Falha de Supervisão" (SUPF) e tentava novamente com um juntor diferente. Uma verificação de supervisão semelhante era realizada quando uma chamada de entrada era atendida. Qualquer um desses testes poderia alertar para a presença de um ponto de cruzamento defeituoso.^[7]

A equipe podia estudar uma massa de impressões para descobrir quais links e pontos de cruzamento (de, em algumas centrais, um milhão de pontos de cruzamento) estavam causando falhas nas primeiras tentativas de chamada. No final da década de 1970, os canais de teleimpressor foram reunidos em Centros de Controle de Comutação (SCC), posteriormente Sistema de Centro de Controle de Comutação (SCCS), cada um servindo uma dúzia ou mais de centrais 1ESS e usando seus próprios computadores para analisar esses e outros tipos de relatórios de falha. Eles geravam um chamado histograma (na verdade um gráfico de dispersão) de partes da rede onde as falhas eram particularmente numerosas, geralmente apontando para um ponto de cruzamento ruim específico, mesmo que falhasse esporadicamente e não consistentemente. Os trabalhadores locais podiam então colocar em estado ocupado (busy out) o comutador ou grade apropriado e substituí-lo.^[7]

Quando um ponto de cruzamento de acesso de teste em si estava travado fechado, causava falhas FCG esporádicas por todas as duas grades testadas por aquele controlador. Como os links J eram conectados externamente, a equipe da sala de comutação descobriu que tais falhas poderiam ser encontradas ocupando ambas as grades, aterrando os condutores de teste do controlador e, em seguida, testando todos os 128 links J, 256 fios, para verificar um aterramento.^[7]

Dadas as restrições do hardware da década de 1960, falhas inevitáveis ocorriam. Embora detectadas, o sistema foi projetado para conectar a pessoa que liga à pessoa errada, em vez de uma desconexão, interceptação, etc.^[7]

O computador recebia entrada de periféricos via varredores magnéticos, compostos por sensores ferrod, semelhantes em princípio à memória de núcleo magnético, exceto que a saída era controlada por enrolamentos de controle análogos aos enrolamentos de um relé. Especificamente, o ferrod era um transformador com quatro enrolamentos. Dois pequenos enrolamentos passavam por orifícios no centro de uma haste de ferrite. Um pulso no enrolamento de Interrogação era induzido no enrolamento de Leitura, se a ferrite não estivesse saturada magneticamente. Os enrolamentos de controle maiores, se a corrente estivesse fluindo através deles, saturavam o material magnético, desacoplando assim o enrolamento de Interrogação do enrolamento de Leitura, que retornaria um sinal Zero. Os enrolamentos de Interrogação de 16 ferrods de uma linha eram conectados em série a um driver, e os enrolamentos de Leitura de 64 ferrods de uma coluna eram conectados a um amplificador de sensação. Circuitos de verificação garantiam que uma corrente de Interrogação estava de fato fluindo.^[1]

Os varredores eram Varredores de Linha (LSC), Varredores de Tronco Universal (USC), Varredores de Juntor (JSC) e Varredores Mestres (MS). Os três primeiros apenas varriam para supervisão, enquanto os Varredores Mestres faziam todos os outros trabalhos de varredura. Por exemplo, um Receptor DTMF, montado em um quadro de Tronco Diverso, tinha oito pontos de varredura de demanda, um para cada frequência, e dois pontos de varredura de supervisão, um para sinalizar a presença de uma combinação DTMF válida para que o software soubesse quando olhar para os pontos de varredura de frequência, e o outro para supervisionar o loop. O ponto de varredura de supervisão também detectava Pulsos de Discagem, com o software contando os pulsos conforme chegavam. Cada dígito, quando se tornava válido, era armazenado em um funil de software para ser dado ao Registro de Originação.^[1]

Os ferrods eram montados em pares, geralmente com enrolamentos de controle diferentes, para que um pudesse supervisionar o lado da central de um tronco e o outro a central distante. Componentes dentro do pacote do tronco, incluindo diodos, determinavam, por exemplo, se ele realizava sinalização de bateria reversa como um tronco de entrada, ou detectava bateria reversa de um tronco distante; ou seja, era um tronco de saída.^[1]

Os ferrods de linha também eram fornecidos em pares, sendo que o de número par tinha contatos trazidos para a frente do pacote em terminais adequados para wrap de fio para que os enrolamentos pudessem ser strapados para sinalização de início em loop ou início em terra. A embalagem original do 1ESS tinha todos os ferrods de um LSF juntos e separados dos comutadores de linha, enquanto o posterior 1AESS tinha cada ferrod na frente da caixa de aço contendo seu comutador de linha. Equipamentos de linha de número ímpar não podiam ser configurados para início em terra, seus ferrods sendo inacessíveis.^[1]

O computador controlava os relés de travamento magnético por Distribuidores de Sinal (SD) empacotados nos quadros de Tronco Universal, quadros de Juntor ou em quadros de Tronco Diverso, conforme eram numerados como USD, JSD ou MSD. Os SD eram originalmente árvores de contato de relé de mola de arame de 30 contatos, cada um acionado por um flipflop. Cada relé de travamento magnético tinha um contato de transferência dedicado para enviar um pulso de volta ao SD, em cada operação e liberação. O pulsador no SD detectava esse pulso para determinar que a ação havia ocorrido, ou então alertava o software de manutenção para imprimir um relatório FSCAN. Em versões posteriores do 1AESS, os SD eram de estado sólido, com vários pontos SD por placa de circuito, geralmente na mesma prateleira ou prateleira adjacente à placa do tronco.^[1]

Alguns periféricos que precisavam de tempo de resposta mais rápido, como Transmissores de Pulsos de Discagem, eram controlados via Distribuidores de Pulso Central, que, caso contrário, eram usados principalmente para habilitar (alertar) um controlador de circuito periférico para aceitar ordens do Barramento de Endereço da Unidade Periférica.^[1]

A arquitetura Harvard dupla do processador central ou CC (Central Control) para o 1ESS operava em aproximadamente 200 kHz. Consistia em cinco baías, cada uma com dois metros de altura e totalizando cerca de quatro metros de comprimento por CC. A embalagem era em placas de aproximadamente 4x10 polegadas (10x25 centímetros) com um conector de borda na parte traseira. A fiação do backplane era feita com fios de wrap de fio cobertos de algodão, não fitas ou outros cabos. A lógica da CPU era implementada usando lógica diodo-transistor discreta. Uma placa de plástico rígida normalmente continha os componentes necessários para implementar, por exemplo, duas portas ou um flipflop.^[8]

Muita lógica era dedicada à circuitaria de diagnóstico. Podiam ser executados diagnósticos da CPU que tentariam identificar a(s) placa(s) com defeito. Em falhas de placa única, taxas de sucesso de reparo na primeira tentativa de 90% ou mais eram comuns. Falhas de múltiplas placas não eram incomuns e a taxa de sucesso para o reparo na primeira vez caía rapidamente.^[8]

O design da CPU era bastante complexo - usando intercalação tripla da execução de instruções (posteriormente chamada de pipeline de instruções) para melhorar o throughput. Cada instrução passava por uma fase de indexação, uma fase de execução de instrução real e uma fase de saída. Enquanto uma instrução estava na fase de indexação, a instrução anterior estava em sua fase de execução e a instrução anterior a essa estava em sua fase de saída.^[8]

Em muitas instruções do conjunto de instruções, os dados poderiam ser opcionalmente mascarados e/ou rotacionados. Existiam instruções únicas para funções tão esotéricas quanto "encontrar o primeiro bit setado (o bit mais à direita que está setado) em uma palavra de dados, opcionalmente resetar o bit e me dizer a posição do bit". Ter essa função como uma instrução atômica (em vez de implementar como uma sub-rotina) acelerava dramaticamente a varredura para solicitações de serviço ou circuitos ociosos. O processador central foi implementado como uma máquina de estados hierárquica.^[8]

A memória tinha um comprimento de palavra de 44 bits para armazenamento de programa, dos quais seis bits eram para correção de erro Hamming e um era usado para uma verificação de paridade adicional. Isso deixava 37 bits para a instrução, dos quais geralmente 22 bits eram usados para o endereço. Esta era uma palavra de instrução incomumente larga para a época.^[8]

Os armazenamentos de programa também continham dados permanentes e não podiam ser escritos online. Em vez disso, as placas de memória de alumínio, também chamadas de planos twistor,^[3] tinham que ser removidas em grupos de 128 para que seus ímãs permanentes pudessem ser escritos offline por um escritor motorizado, uma melhoria em relação ao escritor de placa única não motorizado usado no Project Nike. Todos os quadros de memória, todos os barramentos e todos os softwares e dados eram totalmente redundantes de módulo duplo. Os CCs duplos operavam em lockstep e a detecção de uma incompatibilidade acionava um sequenciador automático para alterar a combinação de CCs, barramentos e módulos de memória até que uma configuração fosse alcançada que pudesse passar em um teste de integridade (sanity check). Os barramentos eram pares trançados, um par para cada bit de endereço, dado ou controle, conectados no CC e em cada quadro de armazenamento por transformadores de acoplamento, e terminando em resistores de terminação no último quadro.^[8]

Os Armazenamentos de Chamada (Call Stores) eram a memória de leitura/gravação do sistema, contendo os dados para chamadas em progresso e outros dados temporários. Eles tinham uma palavra de 24 bits, da qual um bit era para verificação de paridade. Eles operavam de forma semelhante à memória de núcleo magnético, exceto que a ferrite estava em folhas com um orifício para cada bit, e os fios de endereço e leitura de corrente coincidente passavam por esse orifício. Os primeiros Armazenamentos de Chamada continham 8 quilopalavras, em um quadro com aproximadamente um metro de largura e dois metros de altura.^[8]

As memórias de programa e dados separadas operavam em antifase, com a fase de endereçamento do Armazenamento de Programa coincidindo com a fase de busca de dados do Armazenamento de Chamada e vice-versa. Isso resultava em uma sobreposição adicional, thus maior velocidade de execução do programa do que se poderia esperar da lenta taxa de clock.^[8]

Os programas eram mostly escritos em código de máquina. Bugs que antes passavam despercebidos tornaram-se proeminentes quando o 1ESS foi levado a grandes cidades com heavy tráfego telefônico, e atrasaram a adoção total do sistema por alguns anos. Correções temporárias incluíam a Rede de Link de Serviço (SLN), que fazia aproximadamente o trabalho do Link de Registro de Entrada e Comutador de Seleção de Campainha do comutador 5XB, thus diminuindo a carga da CPU e diminuindo os tempos de resposta para chamadas de entrada, e um Processador de Sinal (SP) ou computador periférico de apenas uma baía, para lidar com tarefas simples mas demoradas, como o timing e a contagem de Pulsos de Discagem. O 1AESS eliminou a necessidade de SLN e SP.^[8]

A unidade de fita de meia polegada era somente gravação, sendo usada apenas para Contabilidade de Mensagem Automática (AMA). As atualizações de programa eram executadas enviando uma carga de placas de Armazenamento de Programa com o novo código escrito nelas.^[8]

O programa Genérico Básico incluía "auditorias" constantes para corrigir erros nos registros de chamadas e outros dados. Quando ocorria uma falha crítica de hardware no processador ou unidades periféricas, como a falha de ambos os controladores de um quadro de comutação de linha, incapazes de receber ordens, a máquina parava de conectar chamadas e entrava em uma "fase de regeneração de memória", "fase de reinicialização" ou simplesmente "Fase". As Fases eram conhecidas como Fase 1, 2, 4 ou 5. Fases menores apenas limpavam os registros de chamadas de chamadas que estavam em um estado instável, ainda não conectadas, e levavam menos tempo.^[8]

Durante uma Fase, o sistema, normalmente rugindo com o som de relés operando e liberando, ficava quieto, pois nenhum relé estava recebendo ordens. O Teletype Modelo 35 tocava sua campainha e imprimia uma série de P's enquanto a fase durava. Para a equipe da central, isso podia ser um momento assustador, pois segundos e então talvez minutos passavam enquanto eles sabiam que os assinantes que pegavam seus telefones receberiam silêncio até que a fase terminasse e o processador recuperasse a "sanidade" e retomasse a conexão de chamadas. Fases maiores levavam mais tempo, limpando todos os registros de chamadas, thus desconectando todas as chamadas e tratando qualquer linha fora do gancho como um pedido de tom de discagem. Se as fases automatizadas falhassem em restaurar a sanidade do sistema, havia procedimentos manuais para identificar e isolar hardware ou barramentos defeituosos.^[8]

A maioria das milhares de centrais 1ESS e 1AESS nos EUA foram substituídas na década de 1990 por DMS-100, 5ESS Switch e outros comutadores digitais, e desde 2010 também por comutadores de pacote. No final de 2014, pouco mais de 20 instalações 1AESS permaneciam na rede norte-americana, localizadas mostly nos estados do legado da BellSouth da AT&T e do legado da Southwestern Bell da AT&T, especialmente na área metropolitana de Atlanta, GA, na área metropolitana de Saint Louis, MO, e na área metropolitana de Dallas/Fort Worth, TX. Em 2015, a AT&T não renovou um contrato de suporte com a Alcatel-Lucent (agora Nokia) para os sistemas 1AESS ainda em operação e notificou a Alcatel-Lucent de sua intenção de removê-los todos de serviço até 2017. Como resultado, a Alcatel-Lucent desmontou o último laboratório 1AESS na localidade de Naperville do Bell Labs em 2015 e anunciou a descontinuação do suporte para o 1AESS. Em 2017, a AT&T concluiu a remoção dos sistemas 1AESS restantes, transferindo os clientes para outras centrais de tecnologia mais nova, typically com comutadores Genband com troncos TDM apenas.^[9][10]

O último comutador 1AESS conhecido estava em Odessa, TX (central telefônica Odessa Lincoln Federal ODSSTXLI). Foi desconectado do serviço por volta de 3 de junho de 2017 e migrado para um comutador de pacote Genband G5/G6.^[9][10]

O No. 1 Electronic Switching System Arranged with Data Features (No. 1 ESS ADF) foi uma adaptação do Number One Electronic Switching System para criar um sistema de comutação de mensagens do tipo armazenamento e repasse. Ele usava linhas de estação única e múltipla para transmitir mensagens de teletipo e dados. Foi criado para responder a uma crescente necessidade de entrega rápida e econômica de dados e cópias impressas.^[11]

O No. 1 ESS ADF tinha um grande número de características, incluindo:^[12]

• Endereços mnemônicos: Códigos alfanuméricos usados para endereçar estações
• Endereços de código de grupo: Códigos mnemônicos usados para endereçar uma combinação específica de estações
• Precedência: Entrega de mensagens de acordo com quatro níveis de precedência
• Serviços de data e hora: Data e hora opcionais de origem e entrega da mensagem
• Grupos de caça multilinha: Distribuição de mensagens para a próxima estação disponível em um grupo
• Entrega alternativa: Roteamento opcional de todas as mensagens endereçadas a uma estação para outra estação

• Comutador não bloqueante de abrangência mínima
• Comutador SP1
• TXE
• 4ESS switch
• 5ESS switch

• Processos de Fabricação do AT&T Bell Labs 1 ESS (Electronic Switching System) (video). 1965