深入解析MICREL KS8995MA/FQ：一款高性能5端口10/100管理型交換機(jī)

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，交換機(jī)是至關(guān)重要的組成部分。今天，我們將深入探討MICREL公司的KS8995MA/FQ，一款高度集成的二層管理型交換機(jī)，它為低端口數(shù)量、對(duì)成本敏感的10/100Mbps交換系統(tǒng)提供了出色的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

KS8995MA/FQ集成了五個(gè)10/100收發(fā)器、五個(gè)媒體訪問(wèn)控制（MAC）單元、高速無(wú)阻塞交換結(jié)構(gòu)、專用地址查找引擎和片上幀緩沖存儲(chǔ)器。它支持多種以太網(wǎng)模式，包括10BASE - T、100BASE - TX和100BASE - FX，并且提供了豐富的功能集，如基于標(biāo)簽/端口的VLAN、服務(wù)質(zhì)量（QoS）優(yōu)先級(jí)、管理、MIB計(jì)數(shù)器、雙MII接口和CPU控制/數(shù)據(jù)接口，能夠有效滿足當(dāng)前和新興的快速以太網(wǎng)應(yīng)用需求。

（一）應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

這款交換機(jī)適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如寬帶網(wǎng)關(guān)/防火墻/VPN、集成DSL或電纜調(diào)制解調(diào)器多端口路由器、無(wú)線LAN接入點(diǎn)加網(wǎng)關(guān)、家庭網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、獨(dú)立10/100交換機(jī)、酒店/校園/MxU網(wǎng)關(guān)、企業(yè)VoIP網(wǎng)關(guān)/電話以及FTTx客戶駐地設(shè)備等。

（二）工作模式多樣

它可以作為五端口集成交換機(jī)運(yùn)行，也可以將第五端口與物理端口解耦，通過(guò)媒體獨(dú)立接口（MII）訪問(wèn)第五個(gè)MAC，適用于實(shí)現(xiàn)集成寬帶路由器。此外，還可以利用雙MII功能恢復(fù)第五個(gè)PHY的使用，實(shí)現(xiàn)額外的寬帶網(wǎng)關(guān)配置。

二、功能模塊詳解

（一）物理層收發(fā)器

1. 100BASE - TX收發(fā)

發(fā)送功能包括并行到串行轉(zhuǎn)換、4B/5B編碼、加擾、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換、MLT3編碼和傳輸。接收功能則進(jìn)行自適應(yīng)均衡、DC恢復(fù)、MLT3到NRZI轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)和時(shí)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。

2. PLL時(shí)鐘合成器

從外部25MHz晶體或振蕩器生成125MHz、42MHz、25MHz和10MHz時(shí)鐘，為系統(tǒng)提供精確的定時(shí)。

3. 加擾器/解擾器

用于擴(kuò)展信號(hào)的功率譜，減少電磁干擾（EMI）和基線漂移。

4. 100BASE - FX操作

與100BASE - TX操作類似，但在傳輸和接收時(shí)繞過(guò)加擾器/解擾器和MLT3編碼器/解碼器。

5. 10BASE - T收發(fā)

發(fā)送時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)與100BASE - T驅(qū)動(dòng)集成，具有內(nèi)部波形整形和預(yù)加重。接收時(shí)，采用輸入緩沖和電平檢測(cè)靜噪電路，通過(guò)差分輸入接收器電路和PLL進(jìn)行解碼。

6. 電源管理

支持每個(gè)端口的電源關(guān)閉模式，還支持全芯片電源關(guān)閉模式，有助于降低功耗。

7. MDI/MDI - X自動(dòng)交叉

支持自動(dòng)檢測(cè)遠(yuǎn)程發(fā)送和接收對(duì)，并正確分配發(fā)送和接收對(duì)，方便用戶使用，也可通過(guò)端口控制寄存器禁用。

（二）交換核心

1. 地址查找

內(nèi)部查找表存儲(chǔ)MAC地址及其相關(guān)信息，保證學(xué)習(xí)1K個(gè)地址，與基于哈希的查找表不同，能確保學(xué)習(xí)地址的數(shù)量。

2. 學(xué)習(xí)

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(wú)接收錯(cuò)誤、長(zhǎng)度合法時(shí)，查找引擎將源地址插入表中。

3. 遷移

當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包源地址在表中但源端口信息不同且數(shù)據(jù)包合法時(shí)，查找引擎更新表中的記錄。

4. 老化

查找引擎會(huì)更新記錄的時(shí)間戳，若記錄一段時(shí)間未更新，將從表中移除。老化周期為300 + 75秒，可通過(guò)寄存器或外部電阻啟用或禁用。

5. 轉(zhuǎn)發(fā)

根據(jù)特定算法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)VLAN ID、靜態(tài)表和動(dòng)態(tài)表查找，再經(jīng)過(guò)生成樹(shù)、IGMP監(jiān)聽(tīng)、端口鏡像和端口VLAN處理，確定轉(zhuǎn)發(fā)端口。

6. 交換引擎

采用高性能交換引擎，以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式工作，具有64kB內(nèi)部幀緩沖，可通過(guò)寄存器配置緩沖共享模式。

（三）媒體訪問(wèn)控制器（MAC）操作

1. 幀間間隔（IPG）

成功傳輸幀時(shí)，在兩個(gè)連續(xù)的MTXEN之間測(cè)量96位時(shí)間IPG；發(fā)生沖突時(shí)，從MCRS和下一個(gè)MTXEN測(cè)量。

2. 退避算法

實(shí)現(xiàn)IEEE Std. 802.3二進(jìn)制指數(shù)退避算法和可選的“激進(jìn)模式”退避。

3. 后期沖突

傳輸數(shù)據(jù)包在512位時(shí)間后發(fā)生沖突，將丟棄該數(shù)據(jù)包。

4. 非法幀

丟棄小于64字節(jié)的幀，可通過(guò)寄存器配置接受最大1916字節(jié)的幀。

5. 流控制

支持標(biāo)準(zhǔn)802.3x流控制幀，在接收和發(fā)送端都能智能高效地進(jìn)行流控制。

6. 半雙工背壓

提供半雙工背壓選項(xiàng)，可通過(guò)特定寄存器設(shè)置確保在10BASE - T或100BASE - TX半雙工模式下無(wú)數(shù)據(jù)包丟失。

7. 廣播風(fēng)暴保護(hù)

具有智能選項(xiàng)，可保護(hù)交換機(jī)系統(tǒng)免受過(guò)多廣播數(shù)據(jù)包的影響，可全局和按端口啟用或禁用。

（四）MII接口操作

提供兩個(gè)媒體獨(dú)立接口（MII），MII - P5接口用于連接第五個(gè)PHY，MII - SW接口用于連接第五個(gè)MAC。每個(gè)接口包含發(fā)送和接收兩組信號(hào)，運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)比特率的1/4（未編碼）。

（五）SNI接口操作

串行網(wǎng)絡(luò)接口（SNI）與用于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議處理的控制器兼容，可直接連接這些設(shè)備，運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)比特率（未編碼）。

（六）高級(jí)功能

1. 生成樹(shù)支持

端口5為指定端口，其他端口可通過(guò)寄存器配置為生成樹(shù)的五種狀態(tài)之一。

2. 特殊標(biāo)記模式

用于生成樹(shù)協(xié)議IGMP監(jiān)聽(tīng)，可靈活用于其他應(yīng)用，通過(guò)設(shè)置特定寄存器啟用。

3. IGMP支持

包括IGMP監(jiān)聽(tīng)和在靜態(tài)MAC表中插入組播地址，可通過(guò)設(shè)置寄存器啟用。

4. 端口鏡像支持

支持“僅接收”、“僅發(fā)送”和“接收和發(fā)送”鏡像，可通過(guò)寄存器選擇多個(gè)端口進(jìn)行鏡像。

5. VLAN支持

支持16個(gè)活動(dòng)VLAN，提供16條目VLAN表，用于地址查找。還支持高級(jí)VLAN功能，如VLAN入口過(guò)濾和丟棄非PVID數(shù)據(jù)包。

6. 速率限制支持

支持每個(gè)端口獨(dú)立的硬件速率限制，可在優(yōu)先級(jí)或非優(yōu)先級(jí)環(huán)境中使用，速率從0Kbps到線路速率，以32Kbps為步長(zhǎng)。

三、配置接口

（一）I2C主串行總線配置

如果存在2線EEPROM，KS8995MA/FQ可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，如廣播風(fēng)暴保護(hù)和速率控制。通過(guò)特定步驟配置EEPROM，可使交換機(jī)從EEPROM讀取配置數(shù)據(jù)。

（二）SPI從串行總線配置

KS8995MA/FQ可作為SPI從設(shè)備，通過(guò)SPI可啟用所有功能。支持標(biāo)準(zhǔn)SPI命令和多讀寫操作，系統(tǒng)應(yīng)在啟用交換機(jī)前配置所需設(shè)置。

（三）MII管理接口（MIIM）

提供標(biāo)準(zhǔn)MIIM接口，外部設(shè)備可通過(guò)MDC/MDIO讀取PHY狀態(tài)或配置PHY設(shè)置，但只能訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)MII寄存器。

四、寄存器描述

KS8995MA/FQ的寄存器分為全局寄存器、端口寄存器和高級(jí)控制寄存器，每個(gè)寄存器具有不同的功能和默認(rèn)值，可通過(guò)寄存器配置交換機(jī)的各種功能。

五、電氣特性和時(shí)序

（一）電氣特性

包括不同工作模式下的電流消耗、TTL輸入輸出特性等，還給出了100BASE - TX和10BASE - T傳輸和接收的相關(guān)參數(shù)。

（二）時(shí)序圖

提供了EEPROM接口、SNI接口、MII接口、SPI接口和復(fù)位的時(shí)序圖及相關(guān)參數(shù)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

六、總結(jié)

MICREL KS8995MA/FQ是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的5端口10/100管理型交換機(jī)，具有豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，適用于多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，工程師可以根據(jù)具體需求充分利用其特性，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信。

大家在使用KS8995MA/FQ的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。