探索KSZ8842-16M/-32M：高性能雙端口以太網交換機的技術剖析

在當今的網絡通信領域，以太網交換機扮演著至關重要的角色。KSZ8842-16M/-32M作為一款具有卓越性能的雙端口以太網交換機，憑借其豐富的功能和出色的特性，在眾多應用場景中展現出強大的競爭力。今天，我們就來深入剖析這款交換機的各項技術細節。

文件下載：KSZ8842.pdf

產品概述

KSZ8842系列交換機提供了PCI和非PCI CPU接口，有8/16位和32位總線設計可供選擇。本文重點介紹的KSZ8842M是非PCI CPU接口芯片，它是業界首款完全可管理的雙端口非PCI CPU接口交換機，基于成熟的第四代集成二層交換機技術，完全符合IEEE 802.3u標準。此外，還有工業溫度等級版本KSZ8842MVLI可供選擇。

KSZ8842M可以配置為交換機或低延遲（≤310納秒）中繼器，適用于對延遲要求苛刻的嵌入式或工業以太網應用。在工業應用中，它還能在半雙工模式下穩定運行。該芯片具備豐富的功能特性，包括基于標簽/端口的VLAN、服務質量（QoS）優先級管理、管理信息庫（MIB）計數器以及CPU控制/數據接口等，能夠有效滿足快速以太網應用的需求。

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、數據、時鐘等多種功能。

LED指示燈

端口1和端口2的LED指示燈具有多種指示功能，其狀態由開關全局控制寄存器5（SGCR5）的相關位定義。在不同的SGCR5位組合下，LED指示燈可以指示鏈路狀態、活動狀態、速度、全雙工狀態等信息。在中繼器模式下，LED指示燈的定義也有所不同，能夠為用戶提供更詳細的狀態指示。

功能描述

物理層收發器

100BASE - TX發送

100BASE - TX發送功能包括并行到串行轉換、4B/5B編碼、擾碼、NRZ到NRZI轉換以及MLT3編碼和傳輸等步驟。通過這些處理，將MAC的MII數據轉換為符合ANSI TP - PMD標準的輸出信號，其典型上升/下降時間為4 ns，在幅度平衡、過沖和時序抖動等方面表現出色。同時，10BASE - T輸出也被集成到100BASE - TX發送器中。

100BASE - TX接收

接收端通過自適應均衡、DC恢復、MLT3到NRZI轉換、數據和時鐘恢復、NRZI到NRZ轉換、解擾、4B/5B解碼以及串行到并行轉換等操作，對接收信號進行處理。其中，自適應均衡器能夠根據電纜長度和環境變化自動調整其特性，以優化接收性能。

擾碼/解擾碼

擾碼的目的是擴展信號的功率譜，減少電磁干擾（EMI）和基線漂移。發送數據通過11位寬的線性反饋移位寄存器（LFSR）進行擾碼，接收端使用相同的序列進行解擾。

10BASE - T發送與接收

10BASE - T驅動器與100BASE - TX驅動器集成在一起，輸出信號經過內部波形整形和預加重處理。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（PLL）進行解碼。

電源管理

KSZ8842M支持每個端口的電源關閉模式，用戶可以通過設置相應寄存器的位來關閉未使用的端口，以節省功耗。此外，還有全交換機電源關閉模式，通過拉低PWRDN引腳實現。

MDI/MDI - X自動交叉

該功能支持HP - Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標準MDI/MDI - X自動交叉，默認使用HP - Auto MDI/MDI - X。自動感應功能能夠檢測遠程發送和接收對，并正確分配交換機的發送和接收對，方便用戶使用，同時可以通過端口控制寄存器禁用該功能。

自動協商

KSZ8842M符合802.3委員會定義的自動協商協議，允許通道在10BASE - T或100BASE - TX模式下運行。自動協商過程中，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?使用時域反射計（TDR）技術分析電纜線路，檢測開路、短路和阻抗不匹配等常見問題。通過向MDI和MDI - X對發送已知幅度和持續時間的脈沖，并分析反射信號的形狀，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

地址查找與學習

內部查找表存儲MAC地址及其相關信息，包括1K條單播地址學習表和交換信息。當接收到的數據包的源地址不在查找表中，且數據包無接收錯誤且長度合法時，查找引擎會將新的源地址添加到表中。同時，查找引擎還會監測站點的移動情況，更新表中的信息。

老化與轉發

老化過程會定期移除長時間未更新的記錄，老化周期約為200秒，可通過全局寄存器SGCR1[10]啟用或禁用。轉發過程根據目標地址在VLAN表、靜態表和動態表中進行查找，經過一系列處理后確定轉發端口。

交換引擎與MAC操作

交換引擎采用存儲轉發模式，具有32 KB的內部幀緩沖區，共有256個緩沖區，每個緩沖區大小為128B，有效減少了整體延遲。MAC操作嚴格遵循IEEE 802.3標準，并增加了MAC過濾功能，可過濾單播數據包，提高網絡性能。

其他功能

包括幀間隔（IPG）控制、退避算法、后期沖突處理、合法數據包大小限制、流量控制、半雙工背壓、廣播風暴保護和中繼器模式等功能，確保網絡的穩定運行。

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（通用信號、同步傳輸信號和異步傳輸信號）實現不同的傳輸方式，并且同步和異步傳輸可以混合或交錯進行，但不能同時激活。

隊列管理單元（QMU）

QMU管理MAC/PHY接口與系統主機之間的數據包流量，具有發送隊列（TXQ）和接收隊列（RXQ），每個隊列包含4 KB的內存，用于實現背對背、無阻塞的幀傳輸。

高級交換功能

生成樹支持

主機端口為指定端口，其他端口可以通過寄存器設置配置為生成樹的五種狀態之一，以實現數據包的轉發和學習控制。

IGMP支持

KSZ8842M通過IGMP窺探功能捕獲IGMP數據包并轉發到處理器，同時在靜態MAC表中插入組播地址，實現組播會話的修剪。

IPv6 MLD窺探

捕獲IPv6組播監聽器發現（MLD）數據包并轉發到處理器，由SGCR2 [13]和SGCR2 [12]控制。

端口鏡像支持

支持接收、發送或接收和發送的端口鏡像功能，可將指定端口的數據包鏡像到嗅探端口，方便網絡監測和故障排查。

IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個活動VLAN，通過VLAN表將12位VLAN ID（VID）轉換為4位過濾ID（FID），用于地址查找。在VLAN模式下，根據VID的有效性和FID進行數據包的轉發和地址學習。

QoS優先級支持

提供基于端口、802.1p和DiffServ的QoS優先級支持，每個端口有四個優先級隊列。同時，支持優先級字段重映射、標簽插入和移除等功能，確保不同類型數據包的優先級處理。

速率限制支持

支持硬件速率限制，范圍從64 Kbps到99 Mbps，可獨立設置接收和發送端的速率。通過設置 ingress 和 egress 速率控制寄存器，對不同優先級的數據包進行速率限制。

環回支持

提供近端（遠程）環回和遠端環回兩種模式，用于遠程故障診斷。在環回模式下，PHY端口的速度將設置為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訪問內部I/O寄存器。I/O寄存器分為不同的存儲體，每個存儲體包含不同的寄存器，用于配置操作設置、讀取或寫入控制和狀態信息以及傳輸數據包。

寄存器映射：MAC和PHY

詳細描述了各個寄存器的功能和位定義，包括銀行選擇寄存器、MAC和PHY相關寄存器等。用戶在操作時需要注意不要對保留位進行非法操作，以免導致不可預測的結果。

管理信息庫（MIB）計數器

每個端口提供34個MIB計數器，用于監控端口活動，通過間接內存訪問讀取計數器值。

靜態MAC地址表和動態MAC地址表

靜態MAC地址表和動態MAC地址表用于數據包的轉發決策，靜態表的查找結果優先于動態表。

VLAN表

用于VLAN查找，根據VID和FID確定數據包的轉發端口和VLAN成員關系。

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、存儲溫度等參數。超出這些范圍可能會損壞設備，因此在使用時需要嚴格遵守。

電氣特性

詳細給出了不同工作模式下的電源電流、輸入輸出電壓、信號特性等電氣參數，為電路設計提供了重要參考。

時序規格

文檔中提供了異步和同步傳輸的時序規格，包括不同情況下的時序參數和波形圖，確保數據傳輸的準確性和穩定性。

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，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設計提供了指導。

KSZ8842-16M/-32M以其豐富的功能、出色的性能和完善的設計，為網絡通信應用提供了強大的支持。在實際設計中，我們需要根據具體的應用場景和需求，合理配置和使用該交換機，以充分發揮其優勢。希望本文對大家在理解和應用KSZ8842-16M/-32M方面有所幫助。你在使用這款交換機的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。