KSZ8842-PMQL/PMBL雙端口以太網(wǎng)交換機：功能解析與應(yīng)用指南

在以太網(wǎng)交換機的領(lǐng)域中，Microchip推出的KSZ8842 - PMQL/PMBL雙端口以太網(wǎng)交換機以其豐富的功能和卓越的性能備受關(guān)注。今天，我們就來深入探討一下這款產(chǎn)品的特點、功能以及應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

KSZ8842 - PMQL/PMBL是業(yè)界首款具備32位/33MHz PCI處理器接口的全管理型雙端口交換機，它是一款成熟的第四代集成二層交換機，嚴(yán)格遵循IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。其中，KSZ8842 - PMQL采用PQFP封裝，KSZ8842 - PMBL采用LFBGA封裝。此外，還有工業(yè)溫度等級版本KSZ8842 - PMQLI/PMBL AM可供選擇。

這款交換機可配置為交換機或低延遲（<310納秒）的中繼器，適用于對延遲要求極高的嵌入式或工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。同時，它為快速以太網(wǎng)應(yīng)用提供了廣泛的功能，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）計數(shù)器以及CPU控制/數(shù)據(jù)接口等。

二、產(chǎn)品特性

（一）交換管理

• 非阻塞交換結(jié)構(gòu)：利用1K條目的MAC地址查找引擎和存儲轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，確保數(shù)據(jù)包的快速傳遞。
• 標(biāo)準(zhǔn)兼容性：完全符合IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，具備全雙工IEEE 802.3x流量控制（暫停）功能，并支持強制模式選項，半雙工模式下還提供背壓流量控制。

（二）高級交換管理

• VLAN支持：支持最多16組IEEE 802.1Q VLAN（涵蓋全范圍的VLAN ID），每個端口可選擇VLAN ID標(biāo)簽/無標(biāo)簽選項，還能在每個端口進行IEEE 802.1p/Q標(biāo)簽的插入或移除。
• 速率限制：提供可編程的入口和出口端口速率限制功能，有效管理網(wǎng)絡(luò)流量。
• 風(fēng)暴保護：具備廣播風(fēng)暴保護機制，防止過多廣播包占用網(wǎng)絡(luò)資源。
• 協(xié)議支持：支持IEEE 802.1d生成樹協(xié)議、IGMP v1/v2監(jiān)聽以及IPv6多播偵聽器發(fā)現(xiàn)（MLD）監(jiān)聽，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。
• 過濾與轉(zhuǎn)發(fā)：擁有MAC過濾功能，可過濾單播數(shù)據(jù)包；還具備未知MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)功能和直接轉(zhuǎn)發(fā)模式，方便處理器識別入口端口并指定出口端口。

（三）監(jiān)控功能

• 端口鏡像：支持對任何端口的入口和/或出口流量進行鏡像、監(jiān)控和嗅探，方便網(wǎng)絡(luò)管理員進行故障排查和流量分析。
• MIB計數(shù)器：每個端口配備32個MIB計數(shù)器，可實現(xiàn)全面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集，為網(wǎng)絡(luò)管理提供有力的數(shù)據(jù)支持。
• 回環(huán)模式：具備回環(huán)模式，可用于遠程故障診斷，提高故障排查效率。

（四）綜合寄存器訪問

該交換機擁有三種寄存器組，分別為PCI配置寄存器、PCI控制/狀態(tài)寄存器和交換寄存器，可實現(xiàn)對PCI接口的初始化和配置、主機與交換機之間的通信以及收發(fā)器控制和狀態(tài)的管理。

（五）QoS/CoS數(shù)據(jù)包優(yōu)先級支持

支持基于每個端口的802.1p和DiffServ優(yōu)先級設(shè)置，并可對每個端口的802.1p優(yōu)先級字段進行重新映射，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。

（六）電源模式、封裝和電源供應(yīng)

• 電源管理：具備全芯片硬件掉電模式（寄存器配置不保存）和基于每個端口的軟件節(jié)能模式（空閑鏈路檢測，寄存器配置保留），有效降低功耗。
• 電源供應(yīng)：采用單個3.3V電源供電，支持商業(yè)溫度范圍（0°C至+70°C）和工業(yè)溫度范圍（–40°C至+85°C）。
• 封裝形式：提供128引腳PQFP和100球LFBGA兩種封裝形式，滿足不同的應(yīng)用需求。

（七）附加功能

• 中繼器模式：具備中繼器模式功能，適用于對延遲要求極高的工業(yè)以太網(wǎng)或嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用。
• 動態(tài)緩沖內(nèi)存方案：采用動態(tài)緩沖內(nèi)存方案，適用于對圖像抖動要求嚴(yán)格的IP視頻等應(yīng)用。
• 接口與診斷：擁有雙端口交換機和32位/33MHz PCI處理器接口，還集成了Microchip LinkMD?電纜診斷功能，可檢測電纜長度、診斷故障電纜并確定故障距離；支持Hewlett Packard (HP) Auto MDI - X交叉功能，并可選擇啟用或禁用該功能。
• 隊列處理：配備四個優(yōu)先級隊列，可分別處理語音、視頻、數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)包，確保不同類型數(shù)據(jù)的有序傳輸。
• 巨型幀支持：能夠發(fā)送和接收最大長度達1916字節(jié)的巨型幀，滿足一些特殊應(yīng)用的需求。

三、功能詳細解析

（一）PCI總線接口單元

該單元實現(xiàn)了PCI v2.2總線協(xié)議和配置空間，支持總線主設(shè)備對CPU內(nèi)存的讀寫操作以及CPU對片上寄存器空間的訪問。同時，它還負責(zé)管理DMA接口和主機處理器的訪問，并處理主機處理器的中斷生成。

（二）物理層收發(fā)器（PHY）

• 100BASE - TX收發(fā)：在傳輸方面，實現(xiàn)了并行到串行轉(zhuǎn)換、4B/5B編碼、擾碼、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換以及MLT3編碼和傳輸；接收時，進行自適應(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解碼和串行到并行轉(zhuǎn)換。
• PLL時鐘合成器：內(nèi)部PLL時鐘合成器可通過設(shè)置片上總線速度控制寄存器OBCR生成125 MHz、62.5 MHz、41.66 MHz和25 MHz時鐘，為系統(tǒng)提供精確的時鐘信號。
• 擾碼/解擾碼器：擾碼器用于擴展信號的功率頻譜，減少電磁干擾（EMI）和基線漂移，接收端使用相同序列進行解擾。
• 10BASE - T收發(fā)：發(fā)送時與100BASE - TX驅(qū)動集成，接收時采用輸入緩沖區(qū)和電平檢測靜噪電路，配合差分輸入接收器電路和鎖相環(huán)（PLL）進行解碼。

（三）電源管理

支持每個端口的電源掉電模式和全芯片電源掉電模式，用戶可根據(jù)實際需求靈活控制電源，降低功耗。

（四）MDI/MDI - X自動交叉

支持HP - Auto MDI/MDIX和IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)MDI/MDI - X自動交叉功能，默認采用HP - Auto MDI/MDI - X模式，可自動檢測遠程收發(fā)對并正確分配本設(shè)備的收發(fā)對，還可通過端口控制寄存器禁用該功能。

（五）自動協(xié)商

符合802.3委員會規(guī)定的自動協(xié)商協(xié)議，允許端口在10BASE - T或100BASE - TX模式下工作，鏈路伙伴可通過自動協(xié)商選擇最佳的共同操作模式。

（六）LinkMD?電纜診斷

采用時域反射計（TDR）技術(shù)，可分析電纜布線中的常見問題，如開路、短路和阻抗不匹配等。通過發(fā)送脈沖并分析反射信號，可確定故障距離，最大檢測距離為200m，精度為±2m，內(nèi)部電路會以用戶可讀的數(shù)字格式顯示TDR信息。

（七）媒體訪問控制（MAC）和交換

• 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，可學(xué)習(xí)1K個地址，當(dāng)接收到符合條件的數(shù)據(jù)包時，會更新查找表。
• 轉(zhuǎn)發(fā)算法：通過復(fù)雜的轉(zhuǎn)發(fā)算法確定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)端口，不會轉(zhuǎn)發(fā)錯誤數(shù)據(jù)包、802.3x暫停幀和本地數(shù)據(jù)包。
• 交換引擎：采用高性能交換引擎，工作于存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，有效降低整體延遲，內(nèi)部擁有32KB的幀緩沖區(qū)，可在所有端口之間共享。
• MAC操作：嚴(yán)格遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，具備MAC過濾功能，可過濾單播數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

（八）高級交換功能

• 生成樹支持：支持生成樹協(xié)議，主機端口為指定端口，其他端口可配置為五種生成樹狀態(tài)之一。
• IGMP支持：提供IGMP監(jiān)聽和靜態(tài)MAC表中多播地址插入功能，以及IPv6 MLD監(jiān)聽支持，可有效管理多播流量。
• 端口鏡像支持：支持對端口的接收、發(fā)送或收發(fā)流量進行鏡像，方便網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

（九）IEEE 802.1Q VLAN支持

支持從4096個可能的VLAN中選擇16個活動VLAN，提供16條目VLAN表，可將12位VLAN ID轉(zhuǎn)換為4位過濾ID進行地址查找，根據(jù)VLAN信息確定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和學(xué)習(xí)。

（十）QoS優(yōu)先級支持

每個端口提供四個優(yōu)先級隊列，支持基于端口、802.1p和DiffServ的優(yōu)先級分類，并可對802.1p優(yōu)先級字段進行重新映射，還可在出口端口插入或移除優(yōu)先級標(biāo)簽幀的頭部。

（十一）速率限制支持

支持從64 Kbps到88 Mbps的硬件速率限制，可分別對每個端口的接收和發(fā)送端進行獨立設(shè)置，通過選擇不同類型的幀進行計數(shù)，控制數(shù)據(jù)速率，采用“漏桶”算法對輸出流量進行整形。

四、寄存器描述

（一）主機通信

通過描述符列表和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理數(shù)據(jù)的收發(fā)，包括接收描述符和發(fā)送描述符，每個描述符包含幀緩沖區(qū)、字節(jié)計數(shù)字段以及控制和狀態(tài)位。

（二）PCI配置寄存器

共實現(xiàn)12個配置寄存器，支持全軟件驅(qū)動的初始化和配置，軟件重置對配置寄存器無影響，硬件重置會將其設(shè)置為默認值。

（三）PCI控制 & 狀態(tài)寄存器

采用32位小端格式，對PCI寄存器的讀寫操作有特定的規(guī)則，包含多個控制和狀態(tài)寄存器，用于控制端口的收發(fā)操作、設(shè)置DMA突發(fā)大小、啟用校驗和生成與檢查等。

（四）MAC/PHY和控制寄存器

涵蓋多個寄存器，用于控制MAC地址、片上總線速度、EEPROM訪問、全局復(fù)位、交換機功能以及端口控制等。

（五）管理信息基（MIB）計數(shù)器

每個端口提供32個MIB計數(shù)器，用于監(jiān)控端口的網(wǎng)絡(luò)活動，采用間接內(nèi)存訪問方式讀取計數(shù)器值，“每端口”MIB計數(shù)器為“讀取清除”型，“所有端口丟棄數(shù)據(jù)包”MIB計數(shù)器訪問后不清除。

（六）靜態(tài)MAC地址表

支持靜態(tài)和動態(tài)MAC地址表，靜態(tài)DA查找結(jié)果優(yōu)先于動態(tài)DA查找結(jié)果，靜態(tài)表中的條目不會被老化。

（七）動態(tài)MAC地址表

為只讀表，包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)、有效條目數(shù)量、時間戳、源端口、過濾ID和MAC地址等信息。

（八）VLAN表

用于進行VLAN查找，當(dāng)802.1Q VLAN模式啟用時，根據(jù)該表獲取VLAN信息，包括FID、VID和VLAN成員信息，決定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和學(xué)習(xí)。

五、操作與電氣特性

（一）絕對最大額定值

包括電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、引腳溫度和存儲溫度等參數(shù)，超過這些值可能會損壞設(shè)備。

（二）工作額定值

規(guī)定了電源電壓、環(huán)境工作溫度、最大結(jié)溫以及封裝熱阻等參數(shù)，確保設(shè)備在正常工作范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

（三）電氣特性

詳細列出了不同工作模式下的電源電流、CMOS輸入輸出參數(shù)以及100BASE - TX和10BASE - T收發(fā)的電氣特性。

六、時序規(guī)格

（一）EEPROM時序

包括時鐘周期、建立時間和保持時間等參數(shù)，確保EEPROM讀寫操作的正確時序。

（二）自動協(xié)商時序

規(guī)定了自動協(xié)商過程中的各種時序參數(shù)，如FLP突發(fā)間隔、寬度以及時鐘/數(shù)據(jù)脈沖的相關(guān)時間。

（三）復(fù)位時序

只要滿足穩(wěn)定電源電壓到復(fù)位高電平的最小時間（10 ms），對電源排序無要求，確保設(shè)備可靠復(fù)位。

七、隔離變壓器選擇

在線路接口處需要使用1:1隔離變壓器，推薦使用集成共模扼流圈的變壓器以滿足FCC要求，并列出了推薦的變壓器特性和合格的單端口磁性元件。

八、封裝信息

提供128引腳PQFP和100球LFBGA兩種封裝形式，詳細介紹了封裝標(biāo)記信息和封裝外形尺寸，并給出了推薦的焊盤圖案。

九、應(yīng)用場景

KSZ8842 - PMQL/PMBL適用于多種應(yīng)用場景，包括視頻分發(fā)系統(tǒng)、高端有線電視、衛(wèi)星和IP機頂盒、IP視頻、IP語音（VoIP）和模擬電話適配器（ATA）、對延遲要求極高的工業(yè)控制、運動控制、工業(yè)控制傳感器設(shè)備（溫度、壓力、液位和閥門）以及安全監(jiān)控攝像頭等。

十、總結(jié)

KSZ8842 - PMQL/PMBL雙端口以太網(wǎng)交換機憑借其豐富的功能、出色的性能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師在設(shè)計以太網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)時提供了一個優(yōu)秀的選擇。無論是在工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控還是視頻傳輸?shù)阮I(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理配置寄存器，選擇合適的外部元件，以充分發(fā)揮該交換機的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。