深度剖析Microchip KSZ8873MLL/FLL/RLL：集成3端口10/100管理型交换机

一、引言

在当今的网络设备领域，对于小型、高效且功能强大的交换机需求日益增长。Microchip的KSZ8873MLL/FLL/RLL系列集成3端口10/100管理型交换机便是满足这一需求的典型代表。该系列产品采用了业界最小的封装尺寸，却集成了丰富的功能，为如IPTV、IP - STB、VoIP、汽车和工业等应用提供了理想的解决方案。

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二、产品概述

2.1 基本特性

KSZ8873MLL/FLL/RLL系列产品具有高度集成的特点，包含两个10/100物理层收发器和三个MAC单元，集成了二层管理型交换机。它们支持多种先进的交换功能，如IEEE 802.1q VLAN、QoS优先级、端口镜像等，同时具备灵活的配置接口，可作为管理型或非管理型交换机使用。

2.2 型号差异

该系列产品有不同型号以满足不同应用场景：

• KSZ8873MLL：具备两个10/100BASE - T/TX收发器和一个MII接口。
• KSZ8873RLL：拥有两个10/100BASE - T/TX收发器和一个RMII接口。
• KSZ8873FLL：配置两个100BASE - FX收发器和一个MII接口。

这些型号均采用符合RoHS标准的64引脚LQFP封装，有工业级和符合AEC - Q100汽车级版本可选。

三、物理层收发器功能

3.1 100BASE - TX收发

• 发送功能：实现并行到串行转换、4B/5B编码、扰码、NRZ到NRZI转换以及MLT3编码和传输。输出电流由外部1% 11.8 kΩ电阻设置，输出信号符合ANSI TP - PMD标准。
• 接收功能：进行自适应均衡、DC恢复、MLT3到NRZI转换、数据和时钟恢复、NRZI到NRZ转换、解扰、4B/5B解码以及串行到并行转换。自适应均衡器可根据电缆长度和环境变化调整自身特性，以优化性能。

3.2 PLL时钟合成器

该系列产品可从外部25 MHz或50 MHz晶体或振荡器生成125 MHz、62.5 MHz和31.25 MHz时钟，其中KSZ8873RLL还能为RMII接口生成50 MHz参考时钟。

3.3 扰码/解扰码（仅100BASE - TX）

扰码器用于扩展信号的功率谱，减少电磁干扰（EMI）和基线漂移。发送数据通过11位宽的线性反馈移位寄存器（LFSR）进行扰码，接收器使用相同序列解扰。

3.4 100BASE - FX操作

与100BASE - TX操作类似，但在发送和接收时绕过扰码/解扰码和MLT3编码器/解码器，同时绕过自动协商和禁用自动MDI/MDI - X。

3.5 100BASE - FX信号检测与远端故障

通过FXSD输入引脚检测光纤信号，可通过寄存器设置信号阈值。当检测到远端故障（FEF）时，KSZ8873FLL会发送特定信号通知光纤链路伙伴，FEF功能可通过寄存器禁用。

3.6 10BASE - T收发

• 发送：与100BASE - TX驱动器集成，使用相同磁体进行传输，输出信号经过内部波形整形和预加重。
• 接收：采用输入缓冲器和电平检测静噪电路，通过差分输入接收器电路和锁相环（PLL）进行解码。静噪电路可防止噪声误触发解码器。

3.7 MDI/MDI - X自动交叉

支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u标准MDI/MDI - X自动交叉，可根据远程设备的发送和接收对自动分配收发对，该功能可通过寄存器禁用。

3.8 自动协商

符合IEEE 802.3u规范中的自动协商协议，可与链路伙伴协商最佳操作模式。若不支持自动协商或链路伙伴绕过该协议，设备可通过并行检测建立链路。

3.9 LinkMD®电缆诊断

支持LinkMD功能，利用时域反射仪（TDR）分析铜缆布线问题。通过访问特定寄存器进行诊断操作，并可根据诊断结果判断电缆故障类型和距离。

四、电源管理

该系列产品支持增强型电源管理功能，具有五种操作模式：

4.1 正常操作模式

芯片上电或硬件复位后默认设置，所有PLL时钟运行，PHY和MAC开启，主机接口可进行读写操作。

4.2 节能模式

当自动协商模式启用且电缆断开时，通过设置寄存器进入该模式。主要控制PHY收发器根据线路状态开关以实现节能，活动恢复时可自动恢复正常功率状态。

4.3 能源检测模式

当设备未连接活动链路伙伴时，可进入该模式节省多达50%的功率。设备会不断监测电缆能量，根据能量情况在正常和低功率状态之间切换。

4.4 软件掉电模式

通过设置寄存器进入该模式，所有PLL时钟禁用，PHY和MAC关闭，寄存器值不变，主机设置可使其恢复正常操作模式。

4.5 基于端口的掉电模式

可通过端口控制寄存器关闭未使用的PHY端口，每个端口可节省约15 mA。

4.6 硬件掉电

当PWRDN引脚置低时，整个芯片掉电。

五、MAC和交换功能

5.1 地址查找与学习

内部查找表可存储1K个单播地址及相关信息，能学习新的MAC地址并更新表项，同时监测站点移动并相应更新，还具备老化机制，可定期移除长时间未更新的记录。

5.2 转发算法

转发数据包时，先通过查找VLAN表、静态表和动态表确定“转发端口1”（PTF1），再经过生成树、IGMP侦听、端口镜像和端口VLAN等处理确定“转发端口2”（PTF2），最后将数据包发送到PTF2。

5.3 交换引擎

采用高性能交换引擎，工作在存储转发模式，具有32 kb内部帧缓冲区，可减少整体延迟。

5.4 MAC操作

严格遵守IEEE 802.3标准，支持帧间间隔（IPG）、二进制指数退避算法、全双工流量控制、半双工背压等功能，还具备广播风暴保护和端口独立MAC地址及源端口过滤功能。

5.5 MII和RMII接口操作

MII接口提供物理层和MAC层之间的通用接口，支持PHY和MAC模式；RMII接口是低引脚数的MII接口，KSZ8873RLL的RMII接口可与RMII PHY和RMII MAC设备接口。

5.6 MII管理（MIIM）和串行管理接口（SMI）

支持IEEE 802.3 MII管理接口，允许上层设备监测和控制设备状态；SMI接口可访问所有配置寄存器，实现对设备的全面监控和控制。

六、高级交换功能

6.1 旁路模式

当CPU进入节能或睡眠模式时，可通过控制引脚使设备自动切换到旁路模式，维持端口1和端口2之间的交换功能，丢弃目的端口为端口3的数据包，提高缓冲区使用效率。

6.2 IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16个活动VLAN，提供VLAN表将12位VLAN ID（VID）转换为4位过滤ID（FID）进行地址查找。支持“入站VLAN过滤”和“丢弃非PVID数据包”等高级功能。

6.3 QoS优先级支持

为每个端口提供四个优先级队列，可通过寄存器设置端口的优先级分类和传输队列拆分，支持基于端口、802.1p和DiffServ的优先级分类。

6.4 生成树和快速生成树支持

端口3指定为处理器端口，端口1和端口2可通过寄存器设置五种生成树状态。快速生成树协议（RSTP）为每个端口分配丢弃、学习和转发三种操作状态。

6.5 尾标记模式

端口3接口使用尾标记，可获取入站端口信息，用于生成树协议、IGMP侦听等应用。通过设置寄存器启用该功能。

6.6 IGMP支持

提供IGMP侦听和IGMP回发功能，可将IGMP数据包转发到处理器，并根据尾标记信息将响应数据包回发到订阅端口。

6.7 端口镜像支持

全面支持端口镜像，包括接收镜像、发送镜像和接收发送镜像，可通过寄存器选择多个端口进行镜像操作。

6.8 速率限制支持

提供64 kbps到99 Mbps的精细分辨率硬件速率限制，可独立设置每个端口的接收和发送速率，采用漏桶算法对输出流量进行整形。

6.9 单播MAC地址过滤

与静态MAC地址表配合使用，可配置对未知单播地址数据包的过滤或转发操作，防止单播数据包广播影响端口质量。

6.10 配置接口

可作为管理型或非管理型交换机使用。非管理型模式下可通过EEPROM或默认寄存器设置进行配置；管理型模式下可通过I2C、SPI或SMI接口进行全面配置。

七、寄存器描述

该系列产品的寄存器包括MII管理（MIIM）寄存器、全局寄存器、端口寄存器和高级控制寄存器等，通过这些寄存器可对设备的各种功能进行配置和控制。例如，通过设置不同寄存器的位来控制端口的工作模式、速率、优先级、链路状态等。

八、操作和电气特性

8.1 绝对最大额定值和操作额定值

明确了设备的电压、温度等参数的绝对最大额定值和操作额定值范围，超出这些范围可能会损坏设备或导致其无法正常工作。

8.2 电气特性

给出了不同工作模式下的电流消耗、输入输出电压、信号特性等参数，为设计人员在电路设计时提供了重要参考。

九、时序规格

详细介绍了EEPROM、MAC模式MII、PHY模式MII、RMII、I2C、SPI、自动协商、MDC/MDIO和复位等操作的时序参数和波形图，确保设备在不同接口和操作下的正常通信和稳定运行。

十、复位电路和隔离变压器选择

10.1 复位电路

提供了两种推荐的复位电路，分别适用于电源触发复位和其他设备驱动复位的情况，确保设备在启动和运行过程中的可靠复位。

10.2 隔离变压器选择

指出在线路接口需要使用1:1隔离变压器，并列出了推荐的变压器特性和合格的单端口磁性元件，以满足设计要求，如FCC标准。

十一、总结

Microchip的KSZ8873MLL/FLL/RLL系列集成3端口10/100管理型交换机凭借其高度集成的设计、丰富的功能、灵活的配置和低功耗特性，为多种网络应用提供了强大而可靠的解决方案。对于电子工程师来说，深入了解该产品的功能和特性，合理运用其各种功能，能够设计出更高效、稳定的网络设备。在实际应用中，我们还需根据具体需求进行合理的寄存器配置、电路设计和时序优化，以充分发挥该产品的性能优势。大家在使用过程中，有没有遇到过一些特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。