深入解析KSZ8893MQL/MBL：一款強(qiáng)大的3端口10/100管理型交換機(jī)芯片

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，交換機(jī)芯片的性能和功能對(duì)于構(gòu)建高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。Micrel的KSZ8893MQL/MBL就是這樣一款出色的芯片，它為低端口數(shù)、對(duì)成本敏感的10/100 Mbps交換系統(tǒng)提供了全面的解決方案。今天，我們就來深入剖析這款芯片的各個(gè)方面。

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芯片概述

KSZ8893MQL/MBL是一款高度集成的二層管理型交換機(jī)，專為低端口數(shù)、成本敏感的10/100 Mbps交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它集成了兩個(gè)10/100收發(fā)器、三個(gè)媒體訪問控制（MAC）單元、高速無阻塞交換矩陣、專用地址查找引擎和片上幀緩沖存儲(chǔ)器，具備豐富的功能特性，能有效滿足當(dāng)前和新興的快速以太網(wǎng)應(yīng)用需求。

物理層收發(fā)器功能

100BASE - TX收發(fā)

在100BASE - TX發(fā)送功能方面，它會(huì)進(jìn)行并行到串行轉(zhuǎn)換、4B/5B編碼、擾碼、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換以及MLT3編碼和傳輸。輸出信號(hào)的典型上升/下降時(shí)間為4ns，符合ANSI TP - PMD標(biāo)準(zhǔn)。接收功能則包括自適應(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。

PLL時(shí)鐘合成器

芯片通過外部25MHz晶體或振蕩器生成125MHz、31.25MHz、25MHz和10MHz時(shí)鐘用于系統(tǒng)定時(shí)。在RMII模式下，這些內(nèi)部時(shí)鐘由外部50MHz振蕩器或系統(tǒng)時(shí)鐘生成。

100BASE - FX操作

100BASE - FX操作與100BASE - TX類似，但會(huì)繞過擾碼器/解擾器和MLT3編碼器/解碼器，同時(shí)繞過自動(dòng)協(xié)商并禁用自動(dòng)MDI/MDI - X。通過FXSD1輸入引腳檢測(cè)光纖信號(hào)，根據(jù)不同的電壓范圍判斷工作模式。

10BASE - T收發(fā)

10BASE - T驅(qū)動(dòng)器與100BASE - TX驅(qū)動(dòng)器集成，可使用相同的磁性元件進(jìn)行傳輸。接收端采用輸入緩沖器和電平檢測(cè)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

芯片具備每個(gè)端口的電源管理模式，可通過端口控制寄存器或MIIM PHY寄存器對(duì)未使用的PHY端口進(jìn)行電源關(guān)閉。此外，還有全芯片電源關(guān)閉模式。

MDI/MDI - X自動(dòng)交叉

支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)的MDI/MDI - X自動(dòng)交叉功能，可自動(dòng)檢測(cè)遠(yuǎn)程發(fā)送和接收對(duì)，并正確分配芯片的發(fā)送和接收對(duì)，還可通過端口控制寄存器或MIIM PHY寄存器禁用該功能。

自動(dòng)協(xié)商

符合IEEE 802.3u規(guī)范第28條定義的自動(dòng)協(xié)商協(xié)議，允許非屏蔽雙絞線（UTP）鏈路伙伴選擇最佳的共同操作模式。若自動(dòng)協(xié)商不支持或被繞過，芯片可通過觀察接收器信號(hào)來設(shè)置操作模式。

LinkMD電纜診斷

利用時(shí)域反射儀（TDR）分析布線系統(tǒng)，檢測(cè)開路、短路和阻抗不匹配等常見布線問題。通過訪問特定寄存器啟動(dòng)診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果判斷電纜狀態(tài)和故障距離。

MAC和交換功能

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，可學(xué)習(xí)1K個(gè)地址。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包源地址不在查找表中且數(shù)據(jù)包無接收錯(cuò)誤、長(zhǎng)度合法時(shí)，查找引擎會(huì)將合格的源地址插入表中。同時(shí)，查找引擎還會(huì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是否移動(dòng)并更新表信息，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間未更新的記錄進(jìn)行老化處理。

轉(zhuǎn)發(fā)算法

芯片采用特定的轉(zhuǎn)發(fā)算法，先在VLAN ID、靜態(tài)表和動(dòng)態(tài)表中查找目的地址，得到“轉(zhuǎn)發(fā)端口1”，再經(jīng)過生成樹、IGMP監(jiān)聽、端口鏡像和端口VLAN處理，得到“轉(zhuǎn)發(fā)端口2”，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到“轉(zhuǎn)發(fā)端口2”。但不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包、IEEE802.3x PAUSE幀和“本地”數(shù)據(jù)包。

交換引擎

具備高性能交換引擎，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，擁有32kB內(nèi)部幀緩沖，可有效減少整體延遲。

MAC操作

嚴(yán)格遵守IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了IPG、二進(jìn)制指數(shù)退避算法、延遲沖突處理、非法幀丟棄、全雙工流控制和半雙工背壓等功能。

廣播風(fēng)暴保護(hù)

具備智能選項(xiàng)，可保護(hù)交換系統(tǒng)免受過多廣播數(shù)據(jù)包的影響，可對(duì)廣播風(fēng)暴速率參數(shù)進(jìn)行全局編程，并在每個(gè)端口基礎(chǔ)上啟用或禁用。

接口操作

支持MII、RMII和SNI接口。MII接口提供物理層和MAC層設(shè)備之間的通用接口，有PHY模式和MAC模式；RMII接口是低引腳數(shù)的MII接口，支持10Mbps和100Mbps數(shù)據(jù)速率；SNI接口與一些用于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議處理的控制器兼容。

高級(jí)交換功能

生成樹支持

端口3被指定為處理器端口，其他端口可通過寄存器設(shè)置配置為生成樹的五種狀態(tài)之一，不同狀態(tài)下端口的設(shè)置和軟件操作不同。

特殊標(biāo)記模式

用于生成樹協(xié)議IGMP監(jiān)聽，通過設(shè)置特定寄存器啟用。該模式下，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和標(biāo)記處理遵循特定規(guī)則，可讓處理器知道數(shù)據(jù)包的接收端口。

IGMP和MLD監(jiān)聽

支持IGMP和IPv6 MLD監(jiān)聽，可將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到處理器端口，需要啟用特殊標(biāo)記模式。

端口鏡像支持

支持“僅接收”、“僅發(fā)送”和“接收和發(fā)送”三種端口鏡像模式，可通過寄存器選擇多個(gè)端口作為“接收嗅探”或“發(fā)送嗅探”端口，以及選擇任何端口作為“嗅探端口”。

IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個(gè)活動(dòng)VLAN，提供16條目VLAN表，將12位VLAN ID轉(zhuǎn)換為4位過濾ID進(jìn)行地址查找。還支持“入站VLAN過濾”和“丟棄非PVID數(shù)據(jù)包”等高級(jí)VLAN功能。

QoS優(yōu)先級(jí)支持

為VoIP和視頻會(huì)議等應(yīng)用提供QoS，每個(gè)端口有四個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，可通過寄存器設(shè)置端口優(yōu)先級(jí)、802.1p優(yōu)先級(jí)和DiffServ優(yōu)先級(jí)，并可選擇插入或移除優(yōu)先級(jí)標(biāo)記幀的頭部。

速率限制支持

支持硬件速率限制，可在每個(gè)端口的“接收端”和“發(fā)送端”獨(dú)立設(shè)置64 Kbps到88 Mbps的速率。對(duì)于入站速率限制，可選擇過濾不同類型的幀；對(duì)于出站速率限制，采用漏桶算法進(jìn)行流量整形。

未知單播MAC地址過濾

與靜態(tài)MAC地址表配合使用，可配置為過濾或轉(zhuǎn)發(fā)未知MAC地址的單播數(shù)據(jù)包，有助于防止單播數(shù)據(jù)包廣播，提高端口質(zhì)量。

配置接口

芯片可作為管理型交換機(jī)和非管理型交換機(jī)運(yùn)行。在非管理型模式下，通常使用EEPROM進(jìn)行編程；在管理型模式下，可通過I2C、SPI等接口進(jìn)行配置。

I2C主串行總線配置

通過I2C EEPROM存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，芯片在復(fù)位后依次讀取配置數(shù)據(jù)。

I2C從串行總線配置

可配置為I2C從設(shè)備，外部I2C主設(shè)備可對(duì)芯片的142個(gè)寄存器進(jìn)行編程訪問。

SPI從串行總線配置

可配置為SPI從設(shè)備，SPI主設(shè)備可對(duì)芯片的142個(gè)寄存器進(jìn)行編程訪問，支持SPI多讀取和多寫入命令。

寄存器映射

芯片的寄存器包括全局寄存器、端口寄存器和高級(jí)控制寄存器，用于控制芯片的各種功能和參數(shù)。

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)，分為“每個(gè)端口”和“所有端口丟棄數(shù)據(jù)包”兩種格式。

電氣特性和定時(shí)規(guī)范

芯片有明確的絕對(duì)最大額定值、工作額定值和電氣特性，同時(shí)規(guī)定了EEPROM、SNI、MII、RMII、I2C和SPI等接口的定時(shí)規(guī)范。

變壓器和晶體選擇

建議使用1:1隔離變壓器，推薦具有集成共模扼流圈的變壓器以滿足FCC要求。參考晶體的頻率為25.00000 MHz，頻率公差最大為±50 ppm。

KSZ8893MQL/MBL芯片以其豐富的功能、高性能和低功耗等特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)具體需求充分利用芯片的各項(xiàng)特性，構(gòu)建出高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。