KSZ8864CNX/RMNUB：高性能4端口以太网交换机的卓越之选

在当今的网络通信领域，以太网交换机扮演着至关重要的角色。对于电子工程师而言，选择一款性能卓越、功能丰富且易于配置的交换机芯片是实现高效网络设计的关键。今天，我们就来深入探讨一下Microchip推出的KSZ8864CNX/RMNUB，一款集成4端口10/100的管理型交换机芯片。

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一、产品概述

KSZ8864CNX/RMNUB是一款高度集成的二层管理型4端口交换机，专为对成本敏感的10/100 Mbps 4端口交换系统而设计。它具有优化的设计、丰富的功能和小巧的封装尺寸，能够有效降低系统成本。其1.4 Gbps的高性能内存带宽和基于共享内存的无阻塞交换架构，为数据的快速传输提供了有力保障。此外，该芯片还具备电源管理、可编程速率限制、优先级控制、VLAN支持、QoS等一系列高级功能，可广泛应用于VoIP电话、机顶盒、汽车以太网、工业控制等众多领域。
 

二、产品特性剖析

（一）高级交换特性

1. VLAN支持：支持IEEE 802.1q VLAN，最多可配置128个VLAN组，涵盖全范围的4096个VLAN ID。这使得网络管理员能够根据不同的需求对网络进行灵活的划分和管理，提高网络的安全性和性能。
2. 静态MAC表：静态MAC表最多支持32个条目，可用于精确控制数据的转发路径，增强网络的可控性。
3. VLAN ID标签选项：每个端口都可以独立配置VLAN ID标签或无标签选项，并且支持基于入端口（出端口）的IEEE 802.1p/q标签插入或移除，为数据的分类和处理提供了更多的灵活性。
4. 速率限制：支持在每个端口的入站和出站方向进行可编程速率限制，并且提供无抖动的逐包速率限制支持，有效防止网络拥塞，确保网络的稳定运行。
5. 广播风暴保护：具备广播风暴保护功能，可通过百分比控制（全局和每个端口）来限制广播流量，避免广播风暴对网络造成影响。
6. 生成树协议支持：支持IEEE 802.1d快速生成树协议（RSTP），能够自动检测网络中的环路，并通过阻塞某些端口来防止环路的形成，保证网络的可靠性。
7. 尾标签模式：端口4支持尾标签模式，即在FCS之前添加1字节的数据，用于告知处理器哪个入端口接收到了数据包，方便进行数据的跟踪和处理。

（二）全面的配置寄存器访问

1. 串行管理接口：提供串行管理接口（MDC/MDIO），可访问所有PHY寄存器，方便对PHY层进行监控和配置。
2. 高速SPI和I²C接口：支持高速SPI（最高可达25 MHz）和I²C主接口，可访问所有内部寄存器，实现对芯片的全面控制。
3. I/O引脚绑定和EEPROM编程：在非管理模式下，可通过I/O引脚绑定和EEPROM编程来选择配置寄存器，实现灵活的配置。
4. 实时配置控制寄存器：控制寄存器可实时配置（如端口优先级、802.1p/d/q、自动协商等），方便根据实际需求进行调整。

（三）QoS/CoS数据包优先级支持

1. 端口和标准优先级：支持基于每个端口、802.1p和DiffServ的数据包优先级分类，可根据不同的应用场景对数据包进行优先级排序，确保关键数据的优先传输。
2. 队列优先级选择：提供1/2/4队列QoS优先级选择，并且支持可编程加权公平队列，可根据不同的需求对队列的优先级进行灵活配置。
3. 优先级字段重映射：可对每个端口的802.1p优先级字段进行重映射，进一步优化数据包的优先级处理。

（四）集成4端口10/100以太网交换机

1. 符合标准：采用四个MAC和两个PHY，完全符合IEEE 802.3u标准，确保与现有网络设备的兼容性。
2. 无阻塞交换架构：无阻塞交换架构利用1K MAC地址查找表和存储转发机制，确保数据包的快速传输。
3. 帧缓冲内存：片上集成64Kbyte的帧缓冲内存（与1K单播地址表不共享），为数据包的缓存提供了充足的空间。
4. 流量控制：支持全双工IEEE 802.3x流量控制（PAUSE）和半双工背压流量控制，有效防止网络拥塞。
5. 自动交叉功能：支持HP Auto MDI/MDI-X和IEEE自动交叉功能，无需使用交叉电缆，方便网络的连接和部署。
6. 电缆诊断：具备LinkMD®基于TDR的电缆诊断功能，可检测铜缆中的故障，如开路、短路和阻抗不匹配等，提高网络的可靠性。
7. LED指示和状态寄存器：每个端口都配备LED指示灯，可指示链路状态、活动状态和10/100速度；同时支持寄存器端口状态查询，方便对端口状态进行监控。
8. 低功耗设计：采用片上终端和内部偏置技术，降低了功耗和成本。

（五）交换机监控特性

1. 端口镜像/监控/嗅探：支持端口镜像、监控和嗅探功能，可将入站和/或出站流量复制到任何端口或MII/RMII接口，方便进行网络监控和故障排查。
2. MIB计数器：每个端口提供34个MIB计数器，用于收集全面的统计信息，帮助管理员了解网络的运行状况。
3. 环回支持：支持MAC、PHY和远程诊断的环回功能，方便进行故障诊断和测试。
4. 链路变化中断：任何端口的链路变化都会产生中断信号，及时通知系统进行相应的处理。

（六）低功耗特性

1. 软件电源管理：支持全芯片软件掉电和每个端口的软件掉电功能，可根据实际需求降低功耗。
2. 能量检测模式：支持能量检测模式，当所有端口都无活动时，全芯片功耗低于0.1W；在正常工作状态下，全芯片功耗约为0.3W，且无需额外的变压器功耗。
3. 动态时钟树关闭：具备动态时钟树关闭功能，进一步降低功耗。
4. 宽电压支持：支持多种电压输入，包括3.3V、2.5V和1.8V的VDDIO，以及1.2V的核心电源，适应不同的应用场景。
5. 宽温度范围：支持商业温度范围（0°C至+70°C）、工业温度范围（–40°C至+85°C）和汽车AEC - Q100 3级温度范围（–40°C至+85°C），适用于各种恶劣环境。
6. 小巧封装：采用64引脚QFN无铅小型封装，节省了电路板空间。

三、功能详细解析

（一）物理层收发器

1. 100BASE - TX传输：在100BASE - TX传输过程中，芯片首先将来自MAC的MII数据进行并行到串行的转换，然后进行4B/5B编码、加扰、NRZ到NRZI转换和MLT3编码，最后以MLT3电流输出进行传输。输出电流由外部1% 12.4 kΩ电阻设置，典型上升/下降时间为4 ns，符合ANSI TP - PMD标准。
2. 100BASE - TX接收：接收端首先通过自适应均衡器补偿双绞线电缆中的符号间干扰（ISI），然后进行DC恢复、MLT3到NRZI转换、数据和时钟恢复、NRZI到NRZ转换、解扰和4B/5B解码，最后将NRZ串行数据转换为MII格式提供给MAC。
3. PLL时钟合成器：芯片通过外部25 MHz晶体或振荡器生成125 MHz、83 MHz、41 MHz、25 MHz和10 MHz的时钟，为系统提供精确的时钟信号。
4. 加扰器/解扰器：加扰器使用11位宽的线性反馈移位寄存器（LFSR）对数据进行加扰，以扩展信号的功率谱，减少EMI和基线漂移；接收端使用相同的序列进行解扰。
5. 10BASE - T传输和接收：10BASE - T输出驱动器集成在100BASE - T驱动器中，输出信号经过内部波形整形和预加重，典型幅度为2.3V。接收端采用输入缓冲和电平检测静噪电路，通过差分输入接收器电路和PLL进行解码。
6. MDI/MDI - X自动交叉：支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u标准的MDI/MDI - X自动交叉功能，默认使用HP Auto MDI/MDI - X。自动检测功能可正确分配发送和接收对，方便用户连接网络设备。
7. 自动协商：符合IEEE 802.3委员会的自动协商协议，允许非屏蔽双绞线（UTP）链路伙伴选择最高的共同操作模式。自动协商的优先级顺序为：100BASE - TX全双工 > 100BASE - TX半双工 > 10BASE - T全双工 > 10BASE - T半双工。
8. LinkMD®电缆诊断：利用时域反射计（TDR）技术分析电缆中的常见问题，如开路、短路和阻抗不匹配等。通过发送已知幅度和持续时间的脉冲，并分析反射信号的形状来确定电缆故障的位置，最大距离为200m，精度为±2m。

（二）电源管理

芯片支持多种电源管理模式，可根据不同的工作状态进行灵活配置，以降低功耗。具体模式包括正常运行模式、能量检测模式、软掉电模式、节能模式和基于端口的掉电模式。不同模式下，内部功能模块的状态会相应改变，如PLL时钟、TX/RX PHY、MAC和主机接口等。

（三）交换核心

1. 地址查找：内部查找表存储MAC地址及其相关信息，包含1K单播地址表和交换信息，确保能够学习1K个地址。
2. 学习、迁移和老化：查找引擎会根据接收到的数据包的源地址（SA）更新查找表，当SA不存在于表中且数据包无错误时，将其插入表中；当SA存在但源端口信息不同时，更新表中的记录；如果记录在一段时间内未更新，将被从表中移除，老化周期为300 ± 75秒。
3. 转发和交换引擎：芯片采用特定的算法进行数据包转发，首先通过查找VLAN ID、静态表和动态表确定“转发端口1”（PTF1），然后经过生成树、IGMP嗅探、端口镜像和端口VLAN处理，确定最终的“转发端口2”（PTF2）。交换引擎采用存储转发模式，有效降低了延迟。
4. MAC操作和相关规则：严格遵守IEEE 802.3标准，确保与其他网络设备的兼容性。在数据包传输过程中，遵循帧间间隙（IPG）、退避算法、晚碰撞处理、非法帧处理和流量控制等规则。
5. 半双工背压：提供半双工背压选项，可通过发送前导码来延迟其他站点的传输，避免网络拥塞。为确保在10BASE - T或100BASE - TX半双工模式下无数据包丢失，用户需要启用相关的配置选项。
6. 广播风暴保护：通过全局编程广播风暴速率参数，并可在每个端口上启用或禁用该功能，有效防止广播流量过多占用网络资源。
7. MII接口操作：提供两个MAC层接口（MAC 3和MAC 4）的MII/RMII接口，每个接口包含传输和接收两组信号。接口可工作在MAC模式或PHY模式，根据不同的连接方式进行配置。
8. RMII接口：支持Port 3和Port 4的RMII接口，具有低引脚数的特点，支持10 Mbps和100 Mbps的数据速率，使用单50 MHz时钟参考。

（四）高级功能

1. QoS优先级支持：提供多种优先级队列选择，可根据端口寄存器的配置将出站端口分为1/2/4个优先级传输队列。支持基于端口、802.1p和DiffServ的优先级分类，可对数据包的优先级进行灵活配置。
2. 生成树支持：端口4为指定端口，其他端口可通过寄存器配置为生成树的五种状态之一，包括禁用状态、阻塞状态、监听状态、学习状态和转发状态。
3. 快速生成树支持：每个端口可分配为丢弃、学习和转发三种操作状态，使用RSTP BPDU进行通信。
4. 尾标签模式：仅端口4支持尾标签模式，通过在数据包中插入1字节的尾标签来指示源/目的端口，方便进行数据的转发和处理。
5. IGMP支持：支持IGMP嗅探功能，可将IGMP数据包转发到处理器；同时，可通过尾标签模式将IGMP响应数据包发送回订阅端口。
6. 端口镜像支持：支持全面的端口镜像功能，包括接收仅镜像、发送仅镜像和接收与发送镜像，可通过寄存器选择多个端口进行镜像操作。
7. VLAN支持：支持128个活动VLAN和4096个可能的VID，通过VLAN表进行查找和映射，确定数据包的转发端口。同时，支持高级VLAN功能，如VLAN入站过滤和丢弃非PVID数据包。
8. 速率限制支持：提供精细的硬件速率限制功能，可独立配置每个端口的入站和出站速率。入站速率限制可选择不同类型的帧进行计数，出站速率限制采用漏桶算法进行流量整形。
9. 过滤功能：支持自我地址过滤、未知单播/多播地址过滤和未知VID数据包/IP多播过滤，可有效防止这些数据包对网络性能造成影响。
10. 配置接口：支持I²C主串行总线配置和SPI从串行总线配置，可通过不同的接口对芯片进行配置和控制。

（五）MII管理（MIIM）接口和串行管理接口（SMI）

1. MIIM接口：支持标准的IEEE 802.3 MII管理接口，允许上层设备监控和控制芯片的状态。通过数据线（MDIO）和时钟线（MDC）进行通信，可访问一组8个16位寄存器。
2. SMI接口：是芯片的非标准MIIM接口，可访问所有配置寄存器，包括全局、端口和高级控制寄存器。通过特定的协议和数据格式进行通信，实现对芯片的全面监控和控制。

四、寄存器描述

芯片的寄存器分为全局寄存器、端口寄存器、高级控制寄存器、静态MAC地址表、VLAN表、动态MAC地址表和MIB计数器等几类。每个寄存器都有其特定的功能和配置选项，通过对这些寄存器的配置，可以实现对芯片各种功能的精确控制。例如，全局寄存器可用于配置芯片的基本参数和全局功能；端口寄存器可用于配置每个端口的特定功能，如广播风暴保护、优先级分类、标签插入/移除等；高级控制寄存器可用于配置一些高级功能，如QoS优先级映射、过滤功能等。

五、操作和电气特性

（一）绝对最大额定值和工作额定值

芯片有明确的绝对最大额定值和工作额定值，超过绝对最大额定值可能会损坏设备，而在工作额定值范围内，芯片才能保证正常工作。例如，电源电压、环境温度等都有相应的限制。

（二）电气特性

在不同的工作模式下，芯片的电气特性有所不同。例如，在100BASE - TX和10BASE - T操作模式下，各个电源引脚的电流消耗不同；在不同的电源管理模式下，功耗也会发生变化。同时，芯片的输入输出电压、电流等参数也有明确的规定。

六、时序图和电路设计

（一）时序图

文档中提供了EEPROM、MII、RMII、SPI、自动协商、MDC/MDIO和复位等多种时序图，详细描述了芯片在不同操作过程中的时序关系。这些时序图对于工程师进行电路设计和调试非常重要，能够帮助他们确保芯片与其他设备之间的通信正常。

（二）复位电路和隔离变压器选择

推荐使用分立复位电路进行上电复位，对于由其他设备驱动复位的应用，也提供了相应的复位电路设计。同时，在选择隔离变压器时，需要考虑其匝数比、开路电感、插入损耗和耐压等特性，推荐使用集成共模扼流圈的隔离变压器，以满足FCC要求。

七、总结

KSZ8864CNX/RMNUB是一款功能强大、性能卓越的4端口以太网交换机芯片。其丰富的高级交换特性、全面的配置寄存器访问、QoS支持、低功耗设计以及完善的监控和诊断功能，使其成为各种网络应用的理想选择。无论是在VoIP电话、机顶盒等消费类产品中，还是在汽车以太网、工业控制等对可靠性和性能要求较高的领域，KSZ8864CNX/RMNUB都能够发挥出色的作用。作为电子工程师，在设计网络设备时，不妨考虑这款芯片，它将为你的设计带来更多的可能性和优势。

在实际应用中，我们还需要根据具体的需求和场景，合理配置芯片的寄存器和功能。