深度剖析Microchip KSZ8873MLL/FLL/RLL：集成3端口10/100管理型交換機(jī)

一、引言

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域，對于小型、高效且功能強(qiáng)大的交換機(jī)需求日益增長。Microchip的KSZ8873MLL/FLL/RLL系列集成3端口10/100管理型交換機(jī)便是滿足這一需求的典型代表。該系列產(chǎn)品采用了業(yè)界最小的封裝尺寸，卻集成了豐富的功能，為如IPTV、IP - STB、VoIP、汽車和工業(yè)等應(yīng)用提供了理想的解決方案。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

KSZ8873MLL/FLL/RLL系列產(chǎn)品具有高度集成的特點(diǎn)，包含兩個10/100物理層收發(fā)器和三個MAC單元，集成了二層管理型交換機(jī)。它們支持多種先進(jìn)的交換功能，如IEEE 802.1q VLAN、QoS優(yōu)先級、端口鏡像等，同時具備靈活的配置接口，可作為管理型或非管理型交換機(jī)使用。

2.2 型號差異

該系列產(chǎn)品有不同型號以滿足不同應(yīng)用場景：

• KSZ8873MLL：具備兩個10/100BASE - T/TX收發(fā)器和一個MII接口。
• KSZ8873RLL：擁有兩個10/100BASE - T/TX收發(fā)器和一個RMII接口。
• KSZ8873FLL：配置兩個100BASE - FX收發(fā)器和一個MII接口。

這些型號均采用符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的64引腳LQFP封裝，有工業(yè)級和符合AEC - Q100汽車級版本可選。

三、物理層收發(fā)器功能

3.1 100BASE - TX收發(fā)

• 發(fā)送功能：實(shí)現(xiàn)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。輸出電流由外部1% 11.8 kΩ電阻設(shè)置，輸出信號符合ANSI TP - PMD標(biāo)準(zhǔn)。
• 接收功能：進(jìn)行自適應(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。自適應(yīng)均衡器可根據(jù)電纜長度和環(huán)境變化調(diào)整自身特性，以優(yōu)化性能。

3.2 PLL時鐘合成器

該系列產(chǎn)品可從外部25 MHz或50 MHz晶體或振蕩器生成125 MHz、62.5 MHz和31.25 MHz時鐘，其中KSZ8873RLL還能為RMII接口生成50 MHz參考時鐘。

3.3 擾碼/解擾碼（僅100BASE - TX）

擾碼器用于擴(kuò)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(jìn)行擾碼，接收器使用相同序列解擾。

3.4 100BASE - FX操作

與100BASE - TX操作類似，但在發(fā)送和接收時繞過擾碼/解擾碼和MLT3編碼器/解碼器，同時繞過自動協(xié)商和禁用自動MDI/MDI - X。

3.5 100BASE - FX信號檢測與遠(yuǎn)端故障

通過FXSD輸入引腳檢測光纖信號，可通過寄存器設(shè)置信號閾值。當(dāng)檢測到遠(yuǎn)端故障（FEF）時，KSZ8873FLL會發(fā)送特定信號通知光纖鏈路伙伴，F(xiàn)EF功能可通過寄存器禁用。

3.6 10BASE - T收發(fā)

• 發(fā)送：與100BASE - TX驅(qū)動器集成，使用相同磁體進(jìn)行傳輸，輸出信號經(jīng)過內(nèi)部波形整形和預(yù)加重。
• 接收：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。靜噪電路可防止噪聲誤觸發(fā)解碼器。

3.7 MDI/MDI - X自動交叉

支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)MDI/MDI - X自動交叉，可根據(jù)遠(yuǎn)程設(shè)備的發(fā)送和接收對自動分配收發(fā)對，該功能可通過寄存器禁用。

3.8 自動協(xié)商

符合IEEE 802.3u規(guī)范中的自動協(xié)商協(xié)議，可與鏈路伙伴協(xié)商最佳操作模式。若不支持自動協(xié)商或鏈路伙伴繞過該協(xié)議，設(shè)備可通過并行檢測建立鏈路。

3.9 LinkMD?電纜診斷

支持LinkMD功能，利用時域反射儀（TDR）分析銅纜布線問題。通過訪問特定寄存器進(jìn)行診斷操作，并可根據(jù)診斷結(jié)果判斷電纜故障類型和距離。

四、電源管理

該系列產(chǎn)品支持增強(qiáng)型電源管理功能，具有五種操作模式：

4.1 正常操作模式

芯片上電或硬件復(fù)位后默認(rèn)設(shè)置，所有PLL時鐘運(yùn)行，PHY和MAC開啟，主機(jī)接口可進(jìn)行讀寫操作。

4.2 節(jié)能模式

當(dāng)自動協(xié)商模式啟用且電纜斷開時，通過設(shè)置寄存器進(jìn)入該模式。主要控制PHY收發(fā)器根據(jù)線路狀態(tài)開關(guān)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，活動恢復(fù)時可自動恢復(fù)正常功率狀態(tài)。

4.3 能源檢測模式

當(dāng)設(shè)備未連接活動鏈路伙伴時，可進(jìn)入該模式節(jié)省多達(dá)50%的功率。設(shè)備會不斷監(jiān)測電纜能量，根據(jù)能量情況在正常和低功率狀態(tài)之間切換。

4.4 軟件掉電模式

通過設(shè)置寄存器進(jìn)入該模式，所有PLL時鐘禁用，PHY和MAC關(guān)閉，寄存器值不變，主機(jī)設(shè)置可使其恢復(fù)正常操作模式。

4.5 基于端口的掉電模式

可通過端口控制寄存器關(guān)閉未使用的PHY端口，每個端口可節(jié)省約15 mA。

4.6 硬件掉電

當(dāng)PWRDN引腳置低時，整個芯片掉電。

五、MAC和交換功能

5.1 地址查找與學(xué)習(xí)

內(nèi)部查找表可存儲1K個單播地址及相關(guān)信息，能學(xué)習(xí)新的MAC地址并更新表項(xiàng)，同時監(jiān)測站點(diǎn)移動并相應(yīng)更新，還具備老化機(jī)制，可定期移除長時間未更新的記錄。

5.2 轉(zhuǎn)發(fā)算法

轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，先通過查找VLAN表、靜態(tài)表和動態(tài)表確定“轉(zhuǎn)發(fā)端口1”（PTF1），再經(jīng)過生成樹、IGMP偵聽、端口鏡像和端口VLAN等處理確定“轉(zhuǎn)發(fā)端口2”（PTF2），最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到PTF2。

5.3 交換引擎

采用高性能交換引擎，工作在存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，具有32 kb內(nèi)部幀緩沖區(qū)，可減少整體延遲。

5.4 MAC操作

嚴(yán)格遵守IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持幀間間隔（IPG）、二進(jìn)制指數(shù)退避算法、全雙工流量控制、半雙工背壓等功能，還具備廣播風(fēng)暴保護(hù)和端口獨(dú)立MAC地址及源端口過濾功能。

5.5 MII和RMII接口操作

MII接口提供物理層和MAC層之間的通用接口，支持PHY和MAC模式；RMII接口是低引腳數(shù)的MII接口，KSZ8873RLL的RMII接口可與RMII PHY和RMII MAC設(shè)備接口。

5.6 MII管理（MIIM）和串行管理接口（SMI）

支持IEEE 802.3 MII管理接口，允許上層設(shè)備監(jiān)測和控制設(shè)備狀態(tài)；SMI接口可訪問所有配置寄存器，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的全面監(jiān)控和控制。

六、高級交換功能

6.1 旁路模式

當(dāng)CPU進(jìn)入節(jié)能或睡眠模式時，可通過控制引腳使設(shè)備自動切換到旁路模式，維持端口1和端口2之間的交換功能，丟棄目的端口為端口3的數(shù)據(jù)包，提高緩沖區(qū)使用效率。

6.2 IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個活動VLAN，提供VLAN表將12位VLAN ID（VID）轉(zhuǎn)換為4位過濾ID（FID）進(jìn)行地址查找。支持“入站VLAN過濾”和“丟棄非PVID數(shù)據(jù)包”等高級功能。

6.3 QoS優(yōu)先級支持

為每個端口提供四個優(yōu)先級隊(duì)列，可通過寄存器設(shè)置端口的優(yōu)先級分類和傳輸隊(duì)列拆分，支持基于端口、802.1p和DiffServ的優(yōu)先級分類。

6.4 生成樹和快速生成樹支持

端口3指定為處理器端口，端口1和端口2可通過寄存器設(shè)置五種生成樹狀態(tài)。快速生成樹協(xié)議（RSTP）為每個端口分配丟棄、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)三種操作狀態(tài)。

6.5 尾標(biāo)記模式

端口3接口使用尾標(biāo)記，可獲取入站端口信息，用于生成樹協(xié)議、IGMP偵聽等應(yīng)用。通過設(shè)置寄存器啟用該功能。

6.6 IGMP支持

提供IGMP偵聽和IGMP回發(fā)功能，可將IGMP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到處理器，并根據(jù)尾標(biāo)記信息將響應(yīng)數(shù)據(jù)包回發(fā)到訂閱端口。

6.7 端口鏡像支持

全面支持端口鏡像，包括接收鏡像、發(fā)送鏡像和接收發(fā)送鏡像，可通過寄存器選擇多個端口進(jìn)行鏡像操作。

6.8 速率限制支持

提供64 kbps到99 Mbps的精細(xì)分辨率硬件速率限制，可獨(dú)立設(shè)置每個端口的接收和發(fā)送速率，采用漏桶算法對輸出流量進(jìn)行整形。

6.9 單播MAC地址過濾

與靜態(tài)MAC地址表配合使用，可配置對未知單播地址數(shù)據(jù)包的過濾或轉(zhuǎn)發(fā)操作，防止單播數(shù)據(jù)包廣播影響端口質(zhì)量。

6.10 配置接口

可作為管理型或非管理型交換機(jī)使用。非管理型模式下可通過EEPROM或默認(rèn)寄存器設(shè)置進(jìn)行配置；管理型模式下可通過I2C、SPI或SMI接口進(jìn)行全面配置。

七、寄存器描述

該系列產(chǎn)品的寄存器包括MII管理（MIIM）寄存器、全局寄存器、端口寄存器和高級控制寄存器等，通過這些寄存器可對設(shè)備的各種功能進(jìn)行配置和控制。例如，通過設(shè)置不同寄存器的位來控制端口的工作模式、速率、優(yōu)先級、鏈路狀態(tài)等。

八、操作和電氣特性

8.1 絕對最大額定值和操作額定值

明確了設(shè)備的電壓、溫度等參數(shù)的絕對最大額定值和操作額定值范圍，超出這些范圍可能會損壞設(shè)備或?qū)е缕錈o法正常工作。

8.2 電氣特性

給出了不同工作模式下的電流消耗、輸入輸出電壓、信號特性等參數(shù)，為設(shè)計(jì)人員在電路設(shè)計(jì)時提供了重要參考。

九、時序規(guī)格

詳細(xì)介紹了EEPROM、MAC模式MII、PHY模式MII、RMII、I2C、SPI、自動協(xié)商、MDC/MDIO和復(fù)位等操作的時序參數(shù)和波形圖，確保設(shè)備在不同接口和操作下的正常通信和穩(wěn)定運(yùn)行。

十、復(fù)位電路和隔離變壓器選擇

10.1 復(fù)位電路

提供了兩種推薦的復(fù)位電路，分別適用于電源觸發(fā)復(fù)位和其他設(shè)備驅(qū)動復(fù)位的情況，確保設(shè)備在啟動和運(yùn)行過程中的可靠復(fù)位。

10.2 隔離變壓器選擇

指出在線路接口需要使用1:1隔離變壓器，并列出了推薦的變壓器特性和合格的單端口磁性元件，以滿足設(shè)計(jì)要求，如FCC標(biāo)準(zhǔn)。

十一、總結(jié)

Microchip的KSZ8873MLL/FLL/RLL系列集成3端口10/100管理型交換機(jī)憑借其高度集成的設(shè)計(jì)、豐富的功能、靈活的配置和低功耗特性，為多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了強(qiáng)大而可靠的解決方案。對于電子工程師來說，深入了解該產(chǎn)品的功能和特性，合理運(yùn)用其各種功能，能夠設(shè)計(jì)出更高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的寄存器配置、電路設(shè)計(jì)和時序優(yōu)化，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能優(yōu)勢。大家在使用過程中，有沒有遇到過一些特別的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。