探索KSZ8842-16M/-32M：高性能雙端口以太網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)剖析

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，以太網(wǎng)交換機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色。KSZ8842-16M/-32M作為一款具有卓越性能的雙端口以太網(wǎng)交換機(jī)，憑借其豐富的功能和出色的特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競爭力。今天，我們就來深入剖析這款交換機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)。

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產(chǎn)品概述

KSZ8842系列交換機(jī)提供了PCI和非PCI CPU接口，有8/16位和32位總線設(shè)計(jì)可供選擇。本文重點(diǎn)介紹的KSZ8842M是非PCI CPU接口芯片，它是業(yè)界首款完全可管理的雙端口非PCI CPU接口交換機(jī)，基于成熟的第四代集成二層交換機(jī)技術(shù)，完全符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。此外，還有工業(yè)溫度等級版本KSZ8842MVLI可供選擇。

KSZ8842M可以配置為交換機(jī)或低延遲（≤310納秒）中繼器，適用于對延遲要求苛刻的嵌入式或工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中，它還能在半雙工模式下穩(wěn)定運(yùn)行。該芯片具備豐富的功能特性，包括基于標(biāo)簽/端口的VLAN、服務(wù)質(zhì)量（QoS）優(yōu)先級管理、管理信息庫（MIB）計(jì)數(shù)器以及CPU控制/數(shù)據(jù)接口等，能夠有效滿足快速以太網(wǎng)應(yīng)用的需求。

引腳描述與配置

引腳布局

不同封裝形式的KSZ8842M具有不同的引腳配置，如128引腳PQFP、100球LFBGA和128引腳LQFP等。文檔中詳細(xì)給出了KSZ8842-16MQL/MVL（8/16位）、KSZ8842-16MBL（8/16位）以及KSZ8842-32MQL/MVL（32位）的引腳描述。這些引腳涵蓋了測試使能、掃描使能、LED指示燈、電源、地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘等多種功能。

LED指示燈

端口1和端口2的LED指示燈具有多種指示功能，其狀態(tài)由開關(guān)全局控制寄存器5（SGCR5）的相關(guān)位定義。在不同的SGCR5位組合下，LED指示燈可以指示鏈路狀態(tài)、活動(dòng)狀態(tài)、速度、全雙工狀態(tài)等信息。在中繼器模式下，LED指示燈的定義也有所不同，能夠?yàn)橛脩籼峁└敿?xì)的狀態(tài)指示。

功能描述

物理層收發(fā)器

100BASE - TX發(fā)送

100BASE - TX發(fā)送功能包括并行到串行轉(zhuǎn)換、4B/5B編碼、擾碼、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換以及MLT3編碼和傳輸?shù)炔襟E。通過這些處理，將MAC的MII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合ANSI TP - PMD標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，其典型上升/下降時(shí)間為4 ns，在幅度平衡、過沖和時(shí)序抖動(dòng)等方面表現(xiàn)出色。同時(shí)，10BASE - T輸出也被集成到100BASE - TX發(fā)送器中。

100BASE - TX接收

接收端通過自適應(yīng)均衡、DC恢復(fù)、MLT3到NRZI轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)、NRZI到NRZ轉(zhuǎn)換、解擾、4B/5B解碼以及串行到并行轉(zhuǎn)換等操作，對接收信號(hào)進(jìn)行處理。其中，自適應(yīng)均衡器能夠根據(jù)電纜長度和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整其特性，以優(yōu)化接收性能。

擾碼/解擾碼

擾碼的目的是擴(kuò)展信號(hào)的功率譜，減少電磁干擾（EMI）和基線漂移。發(fā)送數(shù)據(jù)通過11位寬的線性反饋移位寄存器（LFSR）進(jìn)行擾碼，接收端使用相同的序列進(jìn)行解擾。

10BASE - T發(fā)送與接收

10BASE - T驅(qū)動(dòng)器與100BASE - TX驅(qū)動(dòng)器集成在一起，輸出信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部波形整形和預(yù)加重處理。接收端采用輸入緩沖器和電平檢測靜噪電路，通過差分輸入接收器電路和鎖相環(huán)（PLL）進(jìn)行解碼。

電源管理

KSZ8842M支持每個(gè)端口的電源關(guān)閉模式，用戶可以通過設(shè)置相應(yīng)寄存器的位來關(guān)閉未使用的端口，以節(jié)省功耗。此外，還有全交換機(jī)電源關(guān)閉模式，通過拉低PWRDN引腳實(shí)現(xiàn)。

MDI/MDI - X自動(dòng)交叉

該功能支持HP - Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)MDI/MDI - X自動(dòng)交叉，默認(rèn)使用HP - Auto MDI/MDI - X。自動(dòng)感應(yīng)功能能夠檢測遠(yuǎn)程發(fā)送和接收對，并正確分配交換機(jī)的發(fā)送和接收對，方便用戶使用，同時(shí)可以通過端口控制寄存器禁用該功能。

自動(dòng)協(xié)商

KSZ8842M符合802.3委員會(huì)定義的自動(dòng)協(xié)商協(xié)議，允許通道在10BASE - T或100BASE - TX模式下運(yùn)行。自動(dòng)協(xié)商過程中，鏈路伙伴相互通告其能力，以選擇最佳的共同操作模式。

LinkMD?電纜診斷

LinkMD?使用時(shí)域反射計(jì)（TDR）技術(shù)分析電纜線路，檢測開路、短路和阻抗不匹配等常見問題。通過向MDI和MDI - X對發(fā)送已知幅度和持續(xù)時(shí)間的脈沖，并分析反射信號(hào)的形狀，確定電纜故障的距離，最大檢測距離為200m，精度為±2m。

MAC和交換機(jī)

地址查找與學(xué)習(xí)

內(nèi)部查找表存儲(chǔ)MAC地址及其相關(guān)信息，包括1K條單播地址學(xué)習(xí)表和交換信息。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包的源地址不在查找表中，且數(shù)據(jù)包無接收錯(cuò)誤且長度合法時(shí)，查找引擎會(huì)將新的源地址添加到表中。同時(shí)，查找引擎還會(huì)監(jiān)測站點(diǎn)的移動(dòng)情況，更新表中的信息。

老化與轉(zhuǎn)發(fā)

老化過程會(huì)定期移除長時(shí)間未更新的記錄，老化周期約為200秒，可通過全局寄存器SGCR1[10]啟用或禁用。轉(zhuǎn)發(fā)過程根據(jù)目標(biāo)地址在VLAN表、靜態(tài)表和動(dòng)態(tài)表中進(jìn)行查找，經(jīng)過一系列處理后確定轉(zhuǎn)發(fā)端口。

交換引擎與MAC操作

交換引擎采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，具有32 KB的內(nèi)部幀緩沖區(qū)，共有256個(gè)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)大小為128B，有效減少了整體延遲。MAC操作嚴(yán)格遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，并增加了MAC過濾功能，可過濾單播數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

其他功能

包括幀間隔（IPG）控制、退避算法、后期沖突處理、合法數(shù)據(jù)包大小限制、流量控制、半雙工背壓、廣播風(fēng)暴保護(hù)和中繼器模式等功能，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

總線接口單元（BIU）

BIU提供了與嵌入式處理器通信的通用總線接口，支持異步和同步傳輸。通過三組信號(hào)（通用信號(hào)、同步傳輸信號(hào)和異步傳輸信號(hào)）實(shí)現(xiàn)不同的傳輸方式，并且同步和異步傳輸可以混合或交錯(cuò)進(jìn)行，但不能同時(shí)激活。

隊(duì)列管理單元（QMU）

QMU管理MAC/PHY接口與系統(tǒng)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)包流量，具有發(fā)送隊(duì)列（TXQ）和接收隊(duì)列（RXQ），每個(gè)隊(duì)列包含4 KB的內(nèi)存，用于實(shí)現(xiàn)背對背、無阻塞的幀傳輸。

高級交換功能

生成樹支持

主機(jī)端口為指定端口，其他端口可以通過寄存器設(shè)置配置為生成樹的五種狀態(tài)之一，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和學(xué)習(xí)控制。

IGMP支持

KSZ8842M通過IGMP窺探功能捕獲IGMP數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)到處理器，同時(shí)在靜態(tài)MAC表中插入組播地址，實(shí)現(xiàn)組播會(huì)話的修剪。

IPv6 MLD窺探

捕獲IPv6組播監(jiān)聽器發(fā)現(xiàn)（MLD）數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)到處理器，由SGCR2 [13]和SGCR2 [12]控制。

端口鏡像支持

支持接收、發(fā)送或接收和發(fā)送的端口鏡像功能，可將指定端口的數(shù)據(jù)包鏡像到嗅探端口，方便網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和故障排查。

IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個(gè)活動(dòng)VLAN，通過VLAN表將12位VLAN ID（VID）轉(zhuǎn)換為4位過濾ID（FID），用于地址查找。在VLAN模式下，根據(jù)VID的有效性和FID進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和地址學(xué)習(xí)。

QoS優(yōu)先級支持

提供基于端口、802.1p和DiffServ的QoS優(yōu)先級支持，每個(gè)端口有四個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列。同時(shí)，支持優(yōu)先級字段重映射、標(biāo)簽插入和移除等功能，確保不同類型數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級處理。

速率限制支持

支持硬件速率限制，范圍從64 Kbps到99 Mbps，可獨(dú)立設(shè)置接收和發(fā)送端的速率。通過設(shè)置 ingress 和 egress 速率控制寄存器，對不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包進(jìn)行速率限制。

環(huán)回支持

提供近端（遠(yuǎn)程）環(huán)回和遠(yuǎn)端環(huán)回兩種模式，用于遠(yuǎn)程故障診斷。在環(huán)回模式下，PHY端口的速度將設(shè)置為100BASE - TX全雙工模式。

寄存器描述

CPU接口I/O寄存器

提供EISA、ISA或VLBUS類似的總線接口，用于CPU訪問內(nèi)部I/O寄存器。I/O寄存器分為不同的存儲(chǔ)體，每個(gè)存儲(chǔ)體包含不同的寄存器，用于配置操作設(shè)置、讀取或?qū)懭肟刂坪蜖顟B(tài)信息以及傳輸數(shù)據(jù)包。

寄存器映射：MAC和PHY

詳細(xì)描述了各個(gè)寄存器的功能和位定義，包括銀行選擇寄存器、MAC和PHY相關(guān)寄存器等。用戶在操作時(shí)需要注意不要對保留位進(jìn)行非法操作，以免導(dǎo)致不可預(yù)測的結(jié)果。

管理信息庫（MIB）計(jì)數(shù)器

每個(gè)端口提供34個(gè)MIB計(jì)數(shù)器，用于監(jiān)控端口活動(dòng)，通過間接內(nèi)存訪問讀取計(jì)數(shù)器值。

靜態(tài)MAC地址表和動(dòng)態(tài)MAC地址表

靜態(tài)MAC地址表和動(dòng)態(tài)MAC地址表用于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)決策，靜態(tài)表的查找結(jié)果優(yōu)先于動(dòng)態(tài)表。

VLAN表

用于VLAN查找，根據(jù)VID和FID確定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)端口和VLAN成員關(guān)系。

操作和電氣特性

絕對最大額定值和工作額定值

明確了設(shè)備的絕對最大額定值和工作額定值，包括電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、存儲(chǔ)溫度等參數(shù)。超出這些范圍可能會(huì)損壞設(shè)備，因此在使用時(shí)需要嚴(yán)格遵守。

電氣特性

詳細(xì)給出了不同工作模式下的電源電流、輸入輸出電壓、信號(hào)特性等電氣參數(shù)，為電路設(shè)計(jì)提供了重要參考。

時(shí)序規(guī)格

文檔中提供了異步和同步傳輸?shù)臅r(shí)序規(guī)格，包括不同情況下的時(shí)序參數(shù)和波形圖，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

隔離變壓器選擇

建議在線路接口使用1:1隔離變壓器，并推薦了具有集成共模扼流圈的變壓器，以滿足FCC要求。同時(shí)，列出了推薦的變壓器特性和合格的單端口磁性元件。

封裝信息

介紹了不同封裝形式的尺寸和推薦的焊盤圖案，為PCB設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

KSZ8842-16M/-32M以其豐富的功能、出色的性能和完善的設(shè)計(jì)，為網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理配置和使用該交換機(jī)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。希望本文對大家在理解和應(yīng)用KSZ8842-16M/-32M方面有所幫助。你在使用這款交換機(jī)的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。