ナンバーワン電子交換システム

ナンバーワン電子交換システム（1ESS ）は、ベルシステムにおける最初の大規模なプログラム蓄積制御（SPC）電話交換機または電子交換システムでした。ウェスタンエレクトリック社によって製造され 、 1965年5月にニュージャージー州サッカサナで初めて運用されました。 ^[1]交換ファブリックは、ワイヤスプリングリレーによって制御されるリードリレーマトリックスで構成され、ワイヤスプリングリレーは中央処理装置（CPU）によって制御されていました。

1AESS中央局交換機は、1ESSからプラグ互換で容量がアップしたものであり、プログラミング互換性のために既存の命令セットを組み込んだより高速な1Aプロセッサを搭載し、より小型のリレースイッチ、より少ないリレー、および特徴的なディスクストレージを使用していた。^[2] 1976年から2017年まで運用されていた。

音声スイッチングファブリックプランは、双方向であり、コールバック原理を使用している点で、以前の5XB スイッチのプランに似ていました。 ^{[要説明] [要出典]}ただし、システム内の最大のフルアクセスマトリックススイッチ(12A ライングリッドは部分的なアクセスが可能) は、10x10 や 20x16 ではなく 8x8 でした。そのため、大規模なオフィスで十分に大きなジャンクタグループを実現するには、4 ステージではなく 8 ステージが必要でした。新しいシステムではクロスポイントは高価でしたが、スイッチは安価だったため、クロスポイントを少なくしてスイッチの数を増やすことで、システムコストを最小限に抑えることができました。ファブリックは、 4 ステージのラインネットワークとトランクネットワークに分割され、部分的に折りたたまれて、スイッチングのステージが 8 ステージを超えずにライン間またはトランク間を接続できるようにしました。

入力顧客を出力顧客に同時に接続できる、ノンブロッキングの最小スパニング スイッチの従来の実装(接続は任意の順序で開始されます) では、接続マトリックスは でスケールされます。これは非現実的であるため、統計理論を使用して、ほとんどの通話を接続し、トラフィックが設計容量を超えた場合に他の通話をブロックできるハードウェアを設計します。これらのブロッキング スイッチは、現代の電話交換機で最も一般的です。これらは通常、カスケード接続されたより小さなスイッチ ファブリックとして実装されます。多くの場合、理論によって予測される統計特性が得られるように、ランダマイザーを使用してマルチステージ ファブリックを通るパスの開始を選択します。さらに、制御システムが新しい接続の到着時に既存の接続のルーティングを再配置できる場合は、完全なノンブロッキング マトリックスに必要なスイッチ ポイントが少なくなります。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle n}$${\displaystyle n^{2}}$

各 4 段階のライン ネットワーク (LN) またはトランク ネットワーク (TN) は、ジャンクタ スイッチ フレーム (JSF) と、ライン ネットワークの場合はライン スイッチ フレーム (LSF)、トランク ネットワークの場合はトランク スイッチ フレーム (TSF) に分割されました。リンクは、ジャンクタを表す A、B、C、J で指定されました。AリンクはLSFまたは TSF の内部リンクで、Bリンクは LSF または TSF を JSF に接続し、CリンクはJSF の内部リンクで、Jリンクまたはジャンクタは交換機内の別のネットに接続されました。

すべての JSF は、集中率が 1 で、ネットワーク内の B リンクの数は、他のネットワークへのジャンクタの数と等しかった。ほとんどの LSF は、ライン集中率 (LCR) が 4:1 で、つまり、ラインの数がBリンクの 4 倍だった。一部の都市部では、2:1 LSF が使用されていた。Bリンクは、3:1 や (特に郊外の 1ESS では) 5:1 などのより高い LCR を実現するために、しばしば倍増された。ラインネットワークには常に 1024 のジャンクタがあり、16 のグリッドに配置され、それぞれが 64 のジャンクタを 64 の B リンクに切り替えていた。4 つのグリッドは、4 つの LJF のそれぞれで、制御目的でグループ化されていた。

TSF の集中度は 1 ですが、TN には JSF よりも多くの TSF が存在する可能性があります。そのため、B リンクは通常、トランク集中度比 (TCR) が 1.25:1 または 1.5:1 になるように多重化されます。後者は 1A オフィスで特に一般的です。TSF と JSF は、ファブリック内の位置と、JSF に 9 番目のテスト アクセス レベルまたは非テスト レベルがある点を除いて同一です。各 JSF または TSF は、4 つの 2 段階グリッドに分割されます。

初期の TN には 4 つの JSF があり、合計 16 グリッド、1024 の J リンク、および各トランク ジャンクタ グリッドから各トランク スイッチ グリッドへの 4 つの B リンクを含む同数の B リンクがありました。1970 年代半ばから、より大きなオフィスでは B リンクの配線が異なり、各トランク ジャンクタ グリッドから各トランク スイッチ グリッドへの B リンクは 2 つだけでした。これにより、8 つの JSF に 32 グリッドが含まれ、2048 のジャンクタと 2048 の B リンクが接続される、より大きな TN が可能になりました。したがって、ジャンクタ グループはより大きく、より効率的になりました。これらの TN には 8 つの TSF があり、TN のトランク集中率は 1 になりました。

各 LN または TN 内では、A、B、C、および J リンクは、外部終端から内部に向かってカウントされました。つまり、トランクの場合、トランクのステージ 0 スイッチは各トランクを 8 つの A リンクのいずれかに接続でき、これらのリンクはステージ 1 スイッチに配線されて B リンクに接続されます。トランク ジャンクタ グリッドにもステージ 0 スイッチとステージ 1 スイッチがあり、前者は B リンクを C リンクに接続し、後者は C リンクを J リンクに接続します。これらはジャンクタとも呼ばれます。ジャンクタはケーブルにまとめられ、ケーブルあたり 16 本のツイスト ペアがジャンクタ サブグループを構成し、ジャンクタ グループ化フレームまで実行され、そこで他のネットワークへのケーブルに接続されます。各ネットワークには 64 または 128 のサブグループがあり、1 つまたは複数の (通常は) サブグループによって他のネットワークに接続されていました。

オリジナルの1ESSフェリードスイッチングファブリックは、個別の8x8スイッチまたはその他のサイズとしてパッケージ化され、ワイヤラップ接続によって音声ファブリックおよび制御回路の残りの部分に接続されていました。^{[3] [4] [5]アナログ音声信号の送受信パスは、一連の磁気ラッチリードスイッチ（}ラッチリレーに非常に似ています）を経由します。 ^[6]

1AESS とほぼ同時期に導入された、はるかに小型の Remreed クロスポイントは、4 つの主要なタイプのグリッド ボックスとしてパッケージ化されていました。タイプ 10A ジャンクタ グリッドと 11A トランク グリッドは、約 16 x 16 x 5 インチ (40 x 40 x 12 cm) のボックスで、内部に 8 x 8 スイッチが 16 個ありました。2:1 LCR のタイプ 12A ライン グリッドは、幅約 5 インチ (12 cm) で、32 ライン用のフェロッドとカットオフ コンタクトを備えた 8 つの 4x4 ステージ 0 ライン スイッチが、B リンクに接続する 4 つの 4x8 ステージ 1 スイッチに内部接続されていました。4:1 LCR のタイプ 14A ライン グリッドは、約 16 x 12 x 5 インチ (40 x 30 x 12 cm) で、64 ライン、32 A リンク、16 B リンクがありました。ボックスはスライドインコネクタによってファブリックと制御回路の残りの部分に接続されていました。そのため、作業員ははるかに大きく重い機器を扱わなければなりませんでしたが、何十本もの配線を解いて巻き直す必要はありませんでした。

各ジャンクタ フレームの 2 つのコントローラは、F スイッチを介してジャンクタにテストなしでアクセスできました。F スイッチはステージ 1 スイッチの 9 番目のレベルで、グリッドのクロスポイントとは独立して開閉できます。ファブリックを介して各コールを設定するとき、ファブリックを回線やトランクに接続する前に、コントローラはテスト スキャン ポイントをトーク ワイヤに接続して電位を検出できます。スキャン ポイントを流れる電流は保守ソフトウェアに報告され、パスをリストする「False Cross and Ground」(FCG) テレプリンタ メッセージが生成されます。次に、保守ソフトウェアはコール完了ソフトウェアに、別のジャンクタで再試行するように指示します。

クリーンな FCG テストでは、通話完了ソフトウェアはトランク回路の「A」リレーに動作を指示し、その伝送およびテスト ハードウェアをスイッチング ファブリックに接続し、回線に接続します。次に、発信通話の場合、トランクのスキャン ポイントはオフフック回線の存在をスキャンします。ショートが検出されなかった場合、ソフトウェアは「監視障害」(SUPF) の印刷を指示し、別のジャンクタで再試行します。着信通話に応答したときにも同様の監視チェックが実行されます。これらのテストのいずれも、不良クロスポイントの存在を警告する可能性があります。

スタッフは大量のプリントアウトを調べて、どのリンクとクロスポイント（一部のオフィスでは 100 万のクロスポイントのうち）が最初の試行で通話に失敗する原因になっているかを調べることができました。1970 年代後半には、テレプリンター チャネルは交換制御センター（SCC）（後に交換制御センター システム）に集められ、それぞれが 12 以上の 1ESS 交換機にサービスを提供して、独自のコンピューターを使用してこれらのレポートやその他の種類の障害レポートを分析しました。彼らは、ファブリックの障害が特に多い部分のいわゆるヒストグラム（実際には散布図）を生成し、通常は特定の不良クロスポイント（連続的ではなく散発的に障害が発生した場合でも）を示しました。その後、ローカル ワーカーが適切なスイッチまたはグリッドを使用可能にし、交換できました。

テスト アクセス クロスポイント自体が閉じたままになると、そのコントローラによってテストされた両方のグリッド全体で散発的な FCG 障害が発生します。J リンクは外部に接続されているため、スイッチルームのスタッフは、両方のグリッドをビジー状態にし、コントローラのテスト リード線を接地し、128 個の J リンク (256 本のワイヤ) すべてを接地テストすることで、このような障害を検出できることを発見しました。

1960年代のハードウェアの制限により、避けられない障害が発生しました。システムは、切断や傍受などではなく、発信者を間違った相手に接続するように設計されていました。^[7]

コンピュータは、磁気スキャナを介して周辺機器から入力を受け取りました。磁気スキャナはフェロッド センサーで構成されており、原理的には磁気コア メモリに似ていますが、出力がリレーの巻線に類似した制御巻線によって制御される点が異なります。具体的には、フェロッドは 4 つの巻線を持つ変圧器です。2 つの小さな巻線がフェライト ロッドの中央の穴を通ります。フェライトが磁気的に飽和していなければ、調査巻線のパルスが読み出し巻線に誘導されます。大きな制御巻線に電流が流れている場合は、磁性体が飽和し、調査巻線と読み出し巻線が切り離されてゼロ信号が返されます。1 行の 16 個のフェロッドの調査巻線はドライバに直列に接続され、1 列の 64 個のフェロッドの読み出し巻線はセンス アンプに接続されました。チェック回路によって、調査電流が実際に流れているかどうかが確認されました。

スキャナーには、ライン スキャナー (LSC)、ユニバーサル トランク スキャナー (USC)、ジャンクター スキャナー (JSC)、マスター スキャナー (MS) がありました。最初の 3 つは監視用のスキャンのみを行い、マスター スキャナーは他のすべてのスキャン ジョブを実行しました。たとえば、その他のトランク フレームにマウントされたDTMFレシーバーには、各周波数に 1 つずつ、合計 8 つのデマンド スキャン ポイントと、2 つの監視スキャン ポイントがありました。1 つは有効な DTMF の組み合わせの存在を知らせる信号で、ソフトウェアは周波数スキャン ポイントを確認するタイミングを認識し、もう 1 つはループを監視します。監視スキャン ポイントはダイヤル パルスも検出し、ソフトウェアは到着したパルスをカウントします。有効になった各桁はソフトウェア ホッパーに格納され、発信元レジスターに渡されます。

フェロッドは、通常、異なる制御巻線とともにペアで取り付けられ、1 つでトランクのスイッチ側を監視し、もう 1 つで遠方のオフィスを監視することができます。ダイオードを含むトランク パック内のコンポーネントは、たとえば、着信トランクとして逆バッテリ信号を実行するか、遠方のトランクから逆バッテリを検出するか (つまり、発信トランクであるか) を決定します。

ライン フェロッドもペアで提供され、そのうち偶数番号のフェロッドには、ワイヤ ラップに適したラグでパッケージの前面に引き出された接点があり、ループ スタートまたはグランド スタート信号用に巻線を固定できます。元の 1ESS パッケージには、LSF のすべてのフェロッドがまとめてライン スイッチとは別にありましたが、後の 1AESS では、各フェロッドがライン スイッチを含むスチール ボックスの前面にありました。奇数番号のライン機器は、フェロッドにアクセスできないため、グランド スタートにすることはできませんでした。

コンピュータは、ユニバーサル トランク フレーム、ジャンクタ フレーム、またはその他のトランク フレームにパッケージ化された信号ディストリビュータ (SD) によって磁気ラッチ リレーを制御し、それらには USD、JSD、または MSD という番号が付けられていました。SD は元々、それぞれがフリップフロップで駆動される 30 接点ワイヤ スプリング リレーの接点ツリーでした。各磁気ラッチ リレーには、動作時とリリース時に SD にパルスを送り返す専用の転送接点が 1 つありました。SD のパルサーはこのパルスを検出してアクションが発生したことを判別するか、保守ソフトウェアにFSCANレポートを印刷するよう警告しました。後の 1AESS バージョンでは、SD はソリッド ステートになり、回路パックごとに複数の SD ポイントが通常トランク パックと同じ棚または隣接する棚に配置されました。

ダイヤル パルス トランスミッタなどのより速い応答時間を必要とするいくつかの周辺機器は、中央パルス ディストリビュータを介して制御されました。中央パルス ディストリビュータは、主に周辺回路コントローラが周辺ユニット アドレス バスからの命令を受け入れるように (警告して) 使用されていました。

1ESS 用の複製ハーバード アーキテクチャ中央プロセッサ、またはCC (中央制御) は、約 200 kHzで動作しました。これは 5 つのベイで構成され、各ベイの高さは 2 メートルで、CC あたりの長さは約 4 メートルです。パッケージングは​​、背面にエッジ コネクタが付いた約 4 x 10 インチ (10 x 25 センチメートル) のカードでした。バックプレーンの配線は、リボンやその他のケーブルではなく、綿で覆われたワイヤラップワイヤでした。CPU ロジックは、個別のダイオード トランジスタ ロジックを使用して実装されました。1 枚のハード プラスチック カードには通常、2 つのゲートまたはフリップフロップなどの実装に必要なコンポーネントが含まれていました。

診断回路には大量のロジックが割り当てられました。CPU 診断を実行して、故障したカードを特定することができます。カードが 1 枚故障した場合、初回の修復試行の成功率は 90% 以上が一般的です。カードが複数故障することは珍しくなく、初回修復の成功率は急速に低下しました。

CPU の設計は非常に複雑で、スループットを向上させるために命令実行の 3 方向インターリーブ (後に命令パイプラインと呼ばれる) が使用されていました。各命令は、インデックス フェーズ、実際の命令実行フェーズ、および出力フェーズを経ます。命令がインデックス フェーズを経る間、前の命令は実行フェーズにあり、その前の命令は出力フェーズにありました。

命令セットの多くの命令では、データはオプションでマスクおよび/または回転できます。「データ ワード内の最初のセットビット (セットされている一番右のビット) を見つけ、オプションでビットをリセットし、ビットの位置を知らせる」などの難解な機能には、単一の命令がありました。この機能をアトミック命令 (サブルーチンとして実装するのではなく) として持つことで、サービス要求またはアイドル回路のスキャンが劇的に高速化されました。中央プロセッサは、階層型ステート マシンとして実装されました。

メモリはプログラム ストア用に 44 ビットのワード長を持ち、そのうち 6 ビットはハミング エラー訂正に、1 ビットは追加のパリティ チェックに使用されました。これにより、命令用に 37 ビットが残り、そのうち通常 22 ビットがアドレスに使用されました。これは当時としては異例の幅の命令ワードでした。

プログラム ストアにも永久データが含まれており、オンラインでは書き込むことができなかった。代わりに、ツイスター プレーンとも呼ばれるアルミニウム メモリ カード^[5]を128 枚ずつ取り外す必要があり、その永久磁石をモーター付きのライターでオフラインで書き込むことができた。これは、プロジェクト Nikeで使用されたモーターなしのシングル カード ライターの改良版である。すべてのメモリ フレーム、すべてのバス、およびすべてのソフトウェアとデータは、完全にデュアル モジュラー冗長化されていた。デュアル CC は同期して動作し、不一致が検出されると自動シーケンサーがトリガーされ、CC、バス、およびメモリ モジュールの組み合わせが変更され、構成が正常性チェックに合格するまで変更された。バスはツイスト ペアで、アドレス、データ、または制御ビットごとに 1 組ずつあり、CC と各ストア フレームで結合トランスフォーマーによって接続され、最後のフレームで終端抵抗器で終了していた。

コール ストアはシステムの読み取り/書き込みメモリで、進行中の通話のデータやその他の一時データが格納されていました。24ビットのワードがあり、そのうち 1 ビットはパリティ チェック用でした。磁気コア メモリと同様に動作しますが、フェライトがシート状になっており、各ビットに穴が 1 つあり、一致する現在のアドレスと読み出しワイヤがその穴を通過します。最初のコール ストアは、幅約 1 メートル、高さ約 2 メートルのフレームに 8キロワードを格納しました。

独立したプログラム メモリとデータ メモリは逆位相で動作し、プログラム ストアのアドレス指定フェーズはコール ストアのデータ フェッチ フェーズと一致し、その逆も同様でした。これにより、さらに重複が生じ、低速クロック レートから予想されるよりもプログラム実行速度が速くなりました。

プログラムはほとんどがマシン コードで書かれていました。1ESS が電話トラフィックの多い大都市に導入されると、それまで気づかれなかったバグが目立つようになり、システムの完全な導入が数年遅れました。一時的な解決策として、サービス リンク ネットワーク (SLN) が挙げられました。これは、5XB スイッチの着信レジスタ リンクと呼び出し選択スイッチとほぼ同じ機能を果たし、CPU 負荷を軽減して着信コールの応答時間を短縮しました。また、信号プロセッサ (SP) または 1 ベイだけの周辺コンピュータが、ダイヤル パルスのタイミングとカウントなどの単純だが時間のかかるタスクを処理しました。1AESS により、SLN と SP は不要になりました。

1/2 インチ テープ ドライブは書き込み専用で、自動メッセージ アカウンティングにのみ使用されました。プログラムの更新は、新しいコードが書き込まれたプログラム ストア カードを大量に出荷することによって実行されました。

Basic Generic プログラムには、コール レジスタやその他のデータのエラーを修正するための継続的な「監査」が含まれていました。プロセッサまたは周辺装置で重大なハードウェア障害が発生した場合 (ライン スイッチ フレームの両方のコントローラが故障して命令を受信できないなど)、マシンはコールの接続を停止し、「メモリ再生フェーズ」、「再初期化フェーズ」、または略して「フェーズ」に移行します。フェーズはフェーズ 1、2、4、または 5 と呼ばれていました。より低いフェーズでは、まだ接続されていない不安定な状態にあるコールのコール レジスタのみがクリアされ、時間がかかりませんでした。

フェーズ中は、通常はリレーの動作と解放の音で騒がしいシステムが、リレーが命令を受け取っていないため静かになります。フェーズが続く間、テレタイプ モデル 35 はベルを鳴らし、一連の P を印刷します。電話を取った加入者がフェーズが終了し、プロセッサが「正常」を取り戻して通話の接続を再開するまで、数秒、場合によっては数分が経過するため、中央局のスタッフにとっては恐ろしい時間になる可能性があります。フェーズが長くなると、すべての通話レジスタがクリアされ、すべての通話が切断され、オフフック回線はダイヤル トーンの要求として扱われるため、時間がかかります。自動化されたフェーズでシステムの正常性が回復しない場合は、ハードウェアまたはバスの不良を識別して隔離するための手動手順がありました。^[8]

米国の何千もの 1ESS および 1AESS オフィスのほとんどは、1990 年代にDMS-100、5ESS スイッチ、およびその他のデジタル スイッチに置き換えられ、2010 年以降はパケット スイッチにも置き換えられました。2014 年末現在、北米ネットワークには 20 を超える 1AESS インストールが残っており、そのほとんどは AT&T の旧BellSouthおよび AT&T の旧 Southwestern Bell 州にあり、特にジョージア州アトランタ都市圏、ミズーリ州セントルイス都市圏、およびテキサス州ダラス/フォートワース都市圏にありました。 2015年、AT&Tは、まだ運用中の1AESSシステムについてアルカテル・ルーセント（現ノキア）とのサポート契約を更新せず、2017年までにすべてのシステムをサービスから削除する意向をアルカテル・ルーセントに通知しました。その結果、アルカテル・ルーセントは2015年にネイパービルベル研究所の最後の1AESSラボを解体し、1AESSのサポート中止を発表しました。^{[9] [10]} 2017年、AT&Tは、顧客を他の新しいテクノロジースイッチ（通常はTDMトランキングのみの Genbandスイッチ）に移行することで、残りの1AESSシステムの削除を完了しました。

最後に確認された 1AESS スイッチは、テキサス州オデッサ (オデッサ リンカーン連邦有線センター ODSSTXLI) にありました。2017 年 6 月 3 日頃にサービスが切断され、 Genband G5/G6 パケット スイッチ に切り替わりました。

データ機能を備えた第1電子交換システム（No. 1 ESS ADF）は、第1電子交換システムを改造して、蓄積転送 メッセージ交換システムを作成しました。テレタイプライターとデータメッセージを送信するために、単一ステーション回線と複数ステーション回線の両方を使用しました。データと印刷コピーを迅速かつ経済的に配信するという高まるニーズに応えるために作成されました。^[11]

No.1 ESS ADFには、次のような多数の機能がありました。^[12]

• ニーモニックアドレス: ステーションのアドレス指定に使用される英数字コード
• グループコードアドレス: 特定のステーションの組み合わせを指定するために使用されるニーモニックコード
• 優先順位: 4つの優先順位に従ってメッセージを配信します
• 日付と時刻のサービス: メッセージの発信と配信の日付と時刻 (オプション)
• マルチラインハンティンググループ: グループ内の次の利用可能なステーションへのメッセージの配信
• 代替配信: あるステーション宛てのすべてのメッセージを別のステーションにルーティングするオプション

• ノンブロッキング最小スパニングスイッチ
• SP1スイッチ
• TXE
• 4ESSスイッチ
• 5ESSスイッチ

• AT&T ベル研究所 1 ESS (電子交換システム) 製造プロセス (ビデオ)。1965 年。