深入解析KSZ8873MML：3端口10/100管理型交換機芯片

在當今的網(wǎng)絡設備設計中，高性能、低功耗且功能豐富的交換機芯片至關重要。Micrel的KSZ8873MML就是這樣一款備受關注的產(chǎn)品，它為低端口數(shù)、成本敏感且注重能效的10/100Mbps交換系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的解決方案。下面，我們就來詳細了解一下這款芯片。

文件下載：KSZ8873MML-EVAL.pdf

一、產(chǎn)品概述

KSZ8873MML是一款高度集成的3端口交換機芯片，采用了業(yè)界最小的封裝尺寸。它專為新一代低端口數(shù)、成本敏感且節(jié)能的10/100Mbps交換系統(tǒng)而設計，具有低功耗、先進的電源管理和復雜的QoS功能，非常適合IPTV、IP - STB、VoIP、汽車和工業(yè)應用。

該芯片支持當今交換系統(tǒng)的綠色要求，先進的電源管理方案包括硬件掉電、軟件掉電、按端口掉電以及能量檢測模式，可在端口空閑時關閉收發(fā)器。此外，它還提供旁路模式，可實現(xiàn)系統(tǒng)級的節(jié)能。

二、功能特性

（一）先進的交換功能

1. VLAN支持：支持IEEE 802.1q VLAN，最多可達16組，具有VLAN ID標簽/無標簽選項，可按端口進行設置。
2. 優(yōu)先級處理：支持IEEE 802.1p/q標簽插入或移除，可按端口進行設置；支持IPv4/IPv6 QoS，提供基于端口、802.1p和DiffServ的QoS/CoS數(shù)據(jù)包優(yōu)先級支持。
3. 流量控制：支持可編程的入站和出站速率限制，可按端口進行設置；具備廣播風暴保護功能，可進行全局和按端口的百分比控制。
4. 生成樹協(xié)議：支持IEEE 802.1d快速生成樹協(xié)議，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。
5. 地址過濾：支持自地址過濾，端口1和端口2具有獨立的MAC地址；支持IGMP窺探（Ipv4），用于組播數(shù)據(jù)包過濾；具備MAC過濾功能，可將未知單播數(shù)據(jù)包轉發(fā)到指定端口。

（二）全面的配置寄存器訪問

提供串行管理接口（SMI）、MII管理（MIIM）接口、高速SPI和I2C接口，可訪問所有內(nèi)部寄存器。此外，還可通過I/O引腳綁定和EEPROM在非管理模式下對選擇性寄存器進行編程。

（三）QoS/CoS數(shù)據(jù)包優(yōu)先級支持

基于端口、802.1p和DiffServ進行優(yōu)先級劃分，可對802.1p優(yōu)先級字段進行按端口重新映射，提供四個優(yōu)先級級別。

（四）經(jīng)過驗證的3端口10/100以太網(wǎng)交換機

采用第三代交換機架構，具有三個MAC和一個PHY，完全符合IEEE 802.3u標準。非阻塞交換架構利用1K MAC地址查找表和存儲轉發(fā)架構，確?？焖俚臄?shù)據(jù)包傳輸。支持全雙工IEEE 802.3x流量控制（PAUSE）和半雙工背壓流量控制，具備HP Auto MDI - X功能，可可靠檢測和糾正直通和交叉電纜。

（五）交換機監(jiān)控功能

支持端口鏡像/監(jiān)控/嗅探，可對入站和/或出站流量進行監(jiān)控；提供MIB計數(shù)器，用于全面的統(tǒng)計信息收集，每個端口有34個MIB計數(shù)器；支持回環(huán)模式，用于遠程故障診斷。

（六）低功耗特性

支持全芯片硬件掉電、全芯片軟件掉電、能量檢測模式和動態(tài)時鐘樹關閉功能，可按端口進行軟件節(jié)能。工作電壓為單3.3V電源，內(nèi)部有1.8V LDO，VDDIO可選3.3V、2.5V和1.8V，收發(fā)器電源為3.3V。

三、物理層收發(fā)器功能

（一）100BASE - TX收發(fā)

發(fā)送功能包括并行到串行轉換、4B/5B編碼、加擾、NRZ到NRZI轉換和MLT3編碼及傳輸；接收功能包括自適應均衡、DC恢復、MLT3到NRZI轉換、數(shù)據(jù)和時鐘恢復、NRZI到NRZ轉換、解擾、4B/5B解碼和串行到并行轉換。

（二）PLL時鐘合成器

可生成125MHz、62.5MHz和31.25MHz時鐘，用于系統(tǒng)定時，內(nèi)部時鐘由外部25MHz或50MHz晶體或振蕩器生成。

（三）加擾/解擾器

用于擴展信號的功率譜，減少電磁干擾（EMI）和基線漂移。

（四）10BASE - T收發(fā)

發(fā)送時與100BASE - TX驅動器集成，輸出經(jīng)過波形整形和預加重；接收時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。

（五）MDI/MDI - X自動交叉

支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標準的MDI/MDI - X自動交叉，可自動檢測遠程發(fā)送和接收對，并正確分配發(fā)送和接收對，該功能可通過端口控制寄存器或MIIM PHY寄存器禁用。

（六）自動協(xié)商

符合IEEE 802.3u規(guī)范的自動協(xié)商協(xié)議，允許非屏蔽雙絞線（UTP）鏈路伙伴選擇最佳的通用操作模式。若不支持自動協(xié)商或鏈路伙伴強制繞過自動協(xié)商，芯片可通過觀察接收器信號來設置操作模式。

（七）LinkMD?電纜診斷

端口2支持LinkMD?功能，利用時域反射計（TDR）分析布線系統(tǒng)，可檢測開路、短路和阻抗不匹配等常見布線問題。

四、電源管理

KSZ8873MML支持增強的電源管理功能，具有能量檢測功能，可在設備空閑時確保低功耗。共有五種操作模式，由寄存器195的兩位和寄存器29、45的一位控制，包括正常操作模式、能量檢測模式、軟掉電模式、節(jié)能模式和按端口掉電模式。

五、MAC和交換功能

（一）地址查找

內(nèi)部查找表存儲MAC地址及其相關信息，可學習1K個地址，與基于哈希的查找表不同，它能保證學習到的地址數(shù)量。

（二）學習、遷移和老化

當接收到的數(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、長度合法時，查找引擎會將合格的源地址插入表中；若站點移動，查找引擎會更新表中的信息；若記錄在一段時間內(nèi)未更新，查找引擎會將其從表中移除。

（三）轉發(fā)

采用特定的算法轉發(fā)數(shù)據(jù)包，會根據(jù)VLAN ID、靜態(tài)表和動態(tài)表查找目的地址，經(jīng)過生成樹、IGMP窺探、端口鏡像和端口VLAN處理后確定轉發(fā)端口。

（四）交換引擎

具有高性能的交換引擎，采用存儲轉發(fā)模式，內(nèi)部有32kB的幀緩沖區(qū)，共有256個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)大小為128字節(jié)，可有效減少整體延遲。

（五）MAC操作

嚴格遵守IEEE 802.3標準，包括幀間間隙（IPG）、二進制指數(shù)退避算法、晚碰撞處理、非法幀處理、全雙工流量控制和半雙工背壓等功能。

（六）廣播風暴保護

具有智能選項，可保護交換系統(tǒng)免受過多廣播數(shù)據(jù)包的影響，可按端口啟用或禁用廣播風暴速率參數(shù)。

（七）MII接口操作

提供符合IEEE 802.3u標準的媒體獨立接口（MII），可工作在PHY模式或MAC模式，支持PHY模式的旁路功能。

（八）MII管理（MIIM）接口和串行管理接口（SMI）

支持IEEE 802.3 MII管理接口和非標準的SMI接口，可用于監(jiān)控和控制芯片狀態(tài)，訪問內(nèi)部寄存器。

六、高級交換功能

（一）旁路模式

可實現(xiàn)系統(tǒng)級的節(jié)能，當CPU進入節(jié)能模式時，芯片可自動切換到旁路模式，維持端口之間的交換功能。

（二）IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個活動VLAN，提供16條目VLAN表，用于地址查找，支持高級VLAN功能，如入站VLAN過濾和丟棄非PVID數(shù)據(jù)包。

（三）QoS優(yōu)先級支持

為VoIP和視頻會議等應用提供QoS，每個端口有四個優(yōu)先級隊列，可進行端口優(yōu)先級、802.1p優(yōu)先級和DiffServ優(yōu)先級分類，支持標簽插入和移除。

（四）生成樹支持

支持生成樹和快速生成樹協(xié)議，可將端口配置為不同的狀態(tài)，如禁用、阻塞、監(jiān)聽、學習和轉發(fā)狀態(tài)。

（五）Tail Tagging模式

用于獲取端口3接口的入站端口信息，可用于生成樹協(xié)議、IGMP窺探等應用。

（六）IGMP支持

提供IGMP窺探和將IGMP數(shù)據(jù)包發(fā)送回訂閱端口的功能，可通過尾標簽模式實現(xiàn)。

（七）端口鏡像支持

支持“僅接收”、“僅發(fā)送”和“接收和發(fā)送”鏡像模式，可選擇多個端口作為嗅探端口。

（八）速率限制支持

提供從64Kbps到99Mbps的精細分辨率硬件速率限制，可獨立設置入站和出站速率，采用漏桶算法進行流量整形。

（九）單播MAC地址過濾

與靜態(tài)MAC地址表配合使用，可過濾或轉發(fā)未知MAC地址的單播數(shù)據(jù)包。

七、配置接口

KSZ8873MML可作為管理型交換機或非管理型交換機運行。在非管理模式下，可使用EEPROM進行編程；在管理模式下，可通過I2C、SPI等接口進行配置。

八、寄存器描述

芯片包含全局寄存器、端口寄存器和高級控制寄存器，用于配置各種功能，如VLAN支持、QoS優(yōu)先級、電源管理等。

九、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，包括“每端口”和“所有端口丟棄數(shù)據(jù)包”兩種格式。

十、電氣特性和時序規(guī)格

文檔還詳細介紹了芯片的絕對最大額定值、工作額定值、電氣特性以及各種接口的時序規(guī)格，如EEPROM、MII、I2C、SPI、自動協(xié)商、MDC/MDIO和復位時序等。

十一、總結

KSZ8873MML是一款功能強大、性能優(yōu)越的3端口10/100管理型交換機芯片，具有豐富的功能和低功耗特性，適用于多種應用場景。在設計網(wǎng)絡設備時，電子工程師可以充分利用其優(yōu)勢，開發(fā)出高性能、節(jié)能的交換系統(tǒng)。你在實際應用中是否遇到過類似芯片的配置難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。