探索KSZ8842-16M/-32M：高性能雙端口以太網(wǎng)交換機的技術(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，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(shù)細節(jié)。

文件下載：KSZ8842.pdf

產(chǎn)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(shè)計可供選擇。本文重點介紹的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，基于成熟的第四代集成二層交換機技術(shù)，完全符合IEEE 802.3u標準。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(wù)質(zhì)量（QoS）優(yōu)先級管理、管理信息庫（MIB）計數(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，能夠為用戶提供更詳細的狀態(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(xiàn)出色。同時，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，對接收信號進行處理。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

擾碼的目的是擴展信號的功率譜，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）進行擾碼，接收端使用相同的序列進行解擾。

10BASE - T發(fā)送與接收

10BASE - T驅(qū)動器與100BASE - TX驅(qū)動器集成在一起，輸出信號經(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）進行解碼。

電源管理

KSZ8842M支持每個端口的電源關(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，還有全交換機電源關(guān)閉模式，通過拉低PWRDN引腳實現(xiàn)。

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(yīng)功能能夠檢測遠程發(fā)送和接收對，并正確分配交換機的發(fā)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(xié)商

KSZ8842M符合802.3委員會定義的自動協(xié)商協(xié)議，允許通道在10BASE - T或100BASE - TX模式下運行。自動協(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?使用時域反射計（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(xué)習(xí)

內(nèi)部查找表存儲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(jiān)測站點的移動情況，更新表中的信息。

老化與轉(zhuǎn)發(fā)

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(zhuǎn)發(fā)過程根據(jù)目標地址在VLAN表、靜態(tài)表和動態(tài)表中進行查找，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

交換引擎采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，具有32 KB的內(nèi)部幀緩沖區(qū)，共有256個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)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(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)暴保護和中繼器模式等功能，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)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(xiàn)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(tǒng)主機之間的數(shù)據(jù)包流量，具有發(fā)送隊列（TXQ）和接收隊列（RXQ），每個隊列包含4 KB的內(nèi)存，用于實現(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，同時在靜態(tài)MAC表中插入組播地址，實現(xiàn)組播會話的修剪。

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個活動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，每個端口有四個優(yōu)先級隊列。同時，支持優(yōu)先級字段重映射、標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)包進行速率限制。

環(huán)回支持

提供近端（遠程）環(huán)回和遠端環(huán)回兩種模式，用于遠程故障診斷。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體，每個存儲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(guān)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(dǎo)致不可預(yù)測的結(jié)果。

管理信息庫（MIB）計數(shù)器

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

靜態(tài)MAC地址表和動態(tài)MAC地址表

靜態(tài)MAC地址表和動態(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、存儲溫度等參數(shù)。超出這些范圍可能會損壞設(shè)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(shù)，為電路設(shè)計提供了重要參考。

時序規(guī)格

文檔中提供了異步和同步傳輸?shù)臅r序規(guī)格，包括不同情況下的時序參數(shù)和波形圖，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_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，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，為網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用提供了強大的支持。在實際設(shè)計中，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，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的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。