KSZ8842-PMQL/PMBL双端口以太网交换机：功能解析与应用指南

在以太网交换机的领域中，Microchip推出的KSZ8842 - PMQL/PMBL双端口以太网交换机以其丰富的功能和卓越的性能备受关注。今天，我们就来深入探讨一下这款产品的特点、功能以及应用场景。

文件下载：KSZ8842-PMQL-EVAL.pdf

一、产品概述

KSZ8842 - PMQL/PMBL是业界首款具备32位/33MHz PCI处理器接口的全管理型双端口交换机，它是一款成熟的第四代集成二层交换机，严格遵循IEEE 802.3u标准。其中，KSZ8842 - PMQL采用PQFP封装，KSZ8842 - PMBL采用LFBGA封装。此外，还有工业温度等级版本KSZ8842 - PMQLI/PMBL AM可供选择。

这款交换机可配置为交换机或低延迟（<310纳秒）的中继器，适用于对延迟要求极高的嵌入式或工业以太网应用。同时，它为快速以太网应用提供了广泛的功能，包括基于标签/端口的VLAN、服务质量（QoS）优先级管理、管理信息库（MIB）计数器以及CPU控制/数据接口等。

二、产品特性

（一）交换管理

• 非阻塞交换结构：利用1K条目的MAC地址查找引擎和存储转发架构，确保数据包的快速传递。
• 标准兼容性：完全符合IEEE802.3u标准，具备全双工IEEE 802.3x流量控制（暂停）功能，并支持强制模式选项，半双工模式下还提供背压流量控制。

（二）高级交换管理

• VLAN支持：支持最多16组IEEE 802.1Q VLAN（涵盖全范围的VLAN ID），每个端口可选择VLAN ID标签/无标签选项，还能在每个端口进行IEEE 802.1p/Q标签的插入或移除。
• 速率限制：提供可编程的入口和出口端口速率限制功能，有效管理网络流量。
• 风暴保护：具备广播风暴保护机制，防止过多广播包占用网络资源。
• 协议支持：支持IEEE 802.1d生成树协议、IGMP v1/v2监听以及IPv6多播侦听器发现（MLD）监听，确保网络的稳定性和安全性。
• 过滤与转发：拥有MAC过滤功能，可过滤单播数据包；还具备未知MAC地址转发功能和直接转发模式，方便处理器识别入口端口并指定出口端口。

（三）监控功能

• 端口镜像：支持对任何端口的入口和/或出口流量进行镜像、监控和嗅探，方便网络管理员进行故障排查和流量分析。
• MIB计数器：每个端口配备32个MIB计数器，可实现全面的统计数据收集，为网络管理提供有力的数据支持。
• 回环模式：具备回环模式，可用于远程故障诊断，提高故障排查效率。

（四）综合寄存器访问

该交换机拥有三种寄存器组，分别为PCI配置寄存器、PCI控制/状态寄存器和交换寄存器，可实现对PCI接口的初始化和配置、主机与交换机之间的通信以及收发器控制和状态的管理。

（五）QoS/CoS数据包优先级支持

支持基于每个端口的802.1p和DiffServ优先级设置，并可对每个端口的802.1p优先级字段进行重新映射，确保关键数据的优先传输。

（六）电源模式、封装和电源供应

• 电源管理：具备全芯片硬件掉电模式（寄存器配置不保存）和基于每个端口的软件节能模式（空闲链路检测，寄存器配置保留），有效降低功耗。
• 电源供应：采用单个3.3V电源供电，支持商业温度范围（0°C至+70°C）和工业温度范围（–40°C至+85°C）。
• 封装形式：提供128引脚PQFP和100球LFBGA两种封装形式，满足不同的应用需求。

（七）附加功能

• 中继器模式：具备中继器模式功能，适用于对延迟要求极高的工业以太网或嵌入式以太网应用。
• 动态缓冲内存方案：采用动态缓冲内存方案，适用于对图像抖动要求严格的IP视频等应用。
• 接口与诊断：拥有双端口交换机和32位/33MHz PCI处理器接口，还集成了Microchip LinkMD®电缆诊断功能，可检测电缆长度、诊断故障电缆并确定故障距离；支持Hewlett Packard (HP) Auto MDI - X交叉功能，并可选择启用或禁用该功能。
• 队列处理：配备四个优先级队列，可分别处理语音、视频、数据和控制数据包，确保不同类型数据的有序传输。
• 巨型帧支持：能够发送和接收最大长度达1916字节的巨型帧，满足一些特殊应用的需求。

三、功能详细解析

（一）PCI总线接口单元

该单元实现了PCI v2.2总线协议和配置空间，支持总线主设备对CPU内存的读写操作以及CPU对片上寄存器空间的访问。同时，它还负责管理DMA接口和主机处理器的访问，并处理主机处理器的中断生成。

（二）物理层收发器（PHY）

• 100BASE - TX收发：在传输方面，实现了并行到串行转换、4B/5B编码、扰码、NRZ到NRZI转换以及MLT3编码和传输；接收时，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解码和串行到并行转换。
• PLL时钟合成器：内部PLL时钟合成器可通过设置片上总线速度控制寄存器OBCR生成125 MHz、62.5 MHz、41.66 MHz和25 MHz时钟，为系统提供精确的时钟信号。
• 扰码/解扰码器：扰码器用于扩展信号的功率频谱，减少电磁干扰（EMI）和基线漂移，接收端使用相同序列进行解扰。
• 10BASE - T收发：发送时与100BASE - TX驱动集成，接收时采用输入缓冲区和电平检测静噪电路，配合差分输入接收器电路和锁相环（PLL）进行解码。

（三）电源管理

支持每个端口的电源掉电模式和全芯片电源掉电模式，用户可根据实际需求灵活控制电源，降低功耗。

（四）MDI/MDI - X自动交叉

支持HP - Auto MDI/MDIX和IEEE 802.3u标准MDI/MDI - X自动交叉功能，默认采用HP - Auto MDI/MDI - X模式，可自动检测远程收发对并正确分配本设备的收发对，还可通过端口控制寄存器禁用该功能。

（五）自动协商

符合802.3委员会规定的自动协商协议，允许端口在10BASE - T或100BASE - TX模式下工作，链路伙伴可通过自动协商选择最佳的共同操作模式。

（六）LinkMD®电缆诊断

采用时域反射计（TDR）技术，可分析电缆布线中的常见问题，如开路、短路和阻抗不匹配等。通过发送脉冲并分析反射信号，可确定故障距离，最大检测距离为200m，精度为±2m，内部电路会以用户可读的数字格式显示TDR信息。

（七）媒体访问控制（MAC）和交换

• 地址查找与学习：内部查找表存储MAC地址及其相关信息，可学习1K个地址，当接收到符合条件的数据包时，会更新查找表。
• 转发算法：通过复杂的转发算法确定数据包的转发端口，不会转发错误数据包、802.3x暂停帧和本地数据包。
• 交换引擎：采用高性能交换引擎，工作于存储转发模式，有效降低整体延迟，内部拥有32KB的帧缓冲区，可在所有端口之间共享。
• MAC操作：严格遵循IEEE 802.3标准，具备MAC过滤功能，可过滤单播数据包，提高网络性能。

（八）高级交换功能

• 生成树支持：支持生成树协议，主机端口为指定端口，其他端口可配置为五种生成树状态之一。
• IGMP支持：提供IGMP监听和静态MAC表中多播地址插入功能，以及IPv6 MLD监听支持，可有效管理多播流量。
• 端口镜像支持：支持对端口的接收、发送或收发流量进行镜像，方便网络监控。

（九）IEEE 802.1Q VLAN支持

支持从4096个可能的VLAN中选择16个活动VLAN，提供16条目VLAN表，可将12位VLAN ID转换为4位过滤ID进行地址查找，根据VLAN信息确定数据包的转发和学习。

（十）QoS优先级支持

每个端口提供四个优先级队列，支持基于端口、802.1p和DiffServ的优先级分类，并可对802.1p优先级字段进行重新映射，还可在出口端口插入或移除优先级标签帧的头部。

（十一）速率限制支持

支持从64 Kbps到88 Mbps的硬件速率限制，可分别对每个端口的接收和发送端进行独立设置，通过选择不同类型的帧进行计数，控制数据速率，采用“漏桶”算法对输出流量进行整形。

四、寄存器描述

（一）主机通信

通过描述符列表和数据缓冲区管理数据的收发，包括接收描述符和发送描述符，每个描述符包含帧缓冲区、字节计数字段以及控制和状态位。

（二）PCI配置寄存器

共实现12个配置寄存器，支持全软件驱动的初始化和配置，软件重置对配置寄存器无影响，硬件重置会将其设置为默认值。

（三）PCI控制 & 状态寄存器

采用32位小端格式，对PCI寄存器的读写操作有特定的规则，包含多个控制和状态寄存器，用于控制端口的收发操作、设置DMA突发大小、启用校验和生成与检查等。

（四）MAC/PHY和控制寄存器

涵盖多个寄存器，用于控制MAC地址、片上总线速度、EEPROM访问、全局复位、交换机功能以及端口控制等。

（五）管理信息基（MIB）计数器

每个端口提供32个MIB计数器，用于监控端口的网络活动，采用间接内存访问方式读取计数器值，“每端口”MIB计数器为“读取清除”型，“所有端口丢弃数据包”MIB计数器访问后不清除。

（六）静态MAC地址表

支持静态和动态MAC地址表，静态DA查找结果优先于动态DA查找结果，静态表中的条目不会被老化。

（七）动态MAC地址表

为只读表，包含数据准备状态、有效条目数量、时间戳、源端口、过滤ID和MAC地址等信息。

（八）VLAN表

用于进行VLAN查找，当802.1Q VLAN模式启用时，根据该表获取VLAN信息，包括FID、VID和VLAN成员信息，决定数据包的转发和学习。

五、操作与电气特性

（一）绝对最大额定值

包括电源电压、输入电压、输出电压、引脚温度和存储温度等参数，超过这些值可能会损坏设备。

（二）工作额定值

规定了电源电压、环境工作温度、最大结温以及封装热阻等参数，确保设备在正常工作范围内稳定运行。

（三）电气特性

详细列出了不同工作模式下的电源电流、CMOS输入输出参数以及100BASE - TX和10BASE - T收发的电气特性。

六、时序规格

（一）EEPROM时序

包括时钟周期、建立时间和保持时间等参数，确保EEPROM读写操作的正确时序。

（二）自动协商时序

规定了自动协商过程中的各种时序参数，如FLP突发间隔、宽度以及时钟/数据脉冲的相关时间。

（三）复位时序

只要满足稳定电源电压到复位高电平的最小时间（10 ms），对电源排序无要求，确保设备可靠复位。

七、隔离变压器选择

在线路接口处需要使用1:1隔离变压器，推荐使用集成共模扼流圈的变压器以满足FCC要求，并列出了推荐的变压器特性和合格的单端口磁性元件。

八、封装信息

提供128引脚PQFP和100球LFBGA两种封装形式，详细介绍了封装标记信息和封装外形尺寸，并给出了推荐的焊盘图案。

九、应用场景

KSZ8842 - PMQL/PMBL适用于多种应用场景，包括视频分发系统、高端有线电视、卫星和IP机顶盒、IP视频、IP语音（VoIP）和模拟电话适配器（ATA）、对延迟要求极高的工业控制、运动控制、工业控制传感器设备（温度、压力、液位和阀门）以及安全监控摄像头等。

十、总结

KSZ8842 - PMQL/PMBL双端口以太网交换机凭借其丰富的功能、出色的性能和广泛的应用场景，为电子工程师在设计以太网相关系统时提供了一个优秀的选择。无论是在工业自动化、网络监控还是视频传输等领域，它都能发挥重要作用。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理配置寄存器，选择合适的外部元件，以充分发挥该交换机的优势，实现高效、稳定的网络通信。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。