探索KSZ8842-16M/-32M：高性能双端口以太网交换机的技术剖析

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。KSZ8842-16M/-32M作为一款具有卓越性能的双端口以太网交换机，凭借其丰富的功能和出色的特性，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。今天，我们就来深入剖析这款交换机的各项技术细节。

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产品概述

KSZ8842系列交换机提供了PCI和非PCI CPU接口，有8/16位和32位总线设计可供选择。本文重点介绍的KSZ8842M是非PCI CPU接口芯片，它是业界首款完全可管理的双端口非PCI CPU接口交换机，基于成熟的第四代集成二层交换机技术，完全符合IEEE 802.3u标准。此外，还有工业温度等级版本KSZ8842MVLI可供选择。

KSZ8842M可以配置为交换机或低延迟（≤310纳秒）中继器，适用于对延迟要求苛刻的嵌入式或工业以太网应用。在工业应用中，它还能在半双工模式下稳定运行。该芯片具备丰富的功能特性，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，能够有效满足快速以太网应用的需求。

引脚描述与配置

引脚布局

不同封装形式的KSZ8842M具有不同的引脚配置，如128引脚PQFP、100球LFBGA和128引脚LQFP等。文档中详细给出了KSZ8842-16MQL/MVL（8/16位）、KSZ8842-16MBL（8/16位）以及KSZ8842-32MQL/MVL（32位）的引脚描述。这些引脚涵盖了测试使能、扫描使能、LED指示灯、电源、地址、数据、时钟等多种功能。

LED指示灯

端口1和端口2的LED指示灯具有多种指示功能，其状态由开关全局控制寄存器5（SGCR5）的相关位定义。在不同的SGCR5位组合下，LED指示灯可以指示链路状态、活动状态、速度、全双工状态等信息。在中继器模式下，LED指示灯的定义也有所不同，能够为用户提供更详细的状态指示。

功能描述

物理层收发器

100BASE - TX发送

100BASE - TX发送功能包括并行到串行转换、4B/5B编码、扰码、NRZ到NRZI转换以及MLT3编码和传输等步骤。通过这些处理，将MAC的MII数据转换为符合ANSI TP - PMD标准的输出信号，其典型上升/下降时间为4 ns，在幅度平衡、过冲和时序抖动等方面表现出色。同时，10BASE - T输出也被集成到100BASE - TX发送器中。

100BASE - TX接收

接收端通过自适应均衡、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等操作，对接收信号进行处理。其中，自适应均衡器能够根据电缆长度和环境变化自动调整其特性，以优化接收性能。

扰码/解扰码

扰码的目的是扩展信号的功率谱，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，接收端使用相同的序列进行解扰。

10BASE - T发送与接收

10BASE - T驱动器与100BASE - TX驱动器集成在一起，输出信号经过内部波形整形和预加重处理。接收端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。

电源管理

KSZ8842M支持每个端口的电源关闭模式，用户可以通过设置相应寄存器的位来关闭未使用的端口，以节省功耗。此外，还有全交换机电源关闭模式，通过拉低PWRDN引脚实现。

MDI/MDI - X自动交叉

该功能支持HP - Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u标准MDI/MDI - X自动交叉，默认使用HP - Auto MDI/MDI - X。自动感应功能能够检测远程发送和接收对，并正确分配交换机的发送和接收对，方便用户使用，同时可以通过端口控制寄存器禁用该功能。

自动协商

KSZ8842M符合802.3委员会定义的自动协商协议，允许通道在10BASE - T或100BASE - TX模式下运行。自动协商过程中，链路伙伴相互通告其能力，以选择最佳的共同操作模式。

LinkMD®电缆诊断

LinkMD®使用时域反射计（TDR）技术分析电缆线路，检测开路、短路和阻抗不匹配等常见问题。通过向MDI和MDI - X对发送已知幅度和持续时间的脉冲，并分析反射信号的形状，确定电缆故障的距离，最大检测距离为200m，精度为±2m。

MAC和交换机

地址查找与学习

内部查找表存储MAC地址及其相关信息，包括1K条单播地址学习表和交换信息。当接收到的数据包的源地址不在查找表中，且数据包无接收错误且长度合法时，查找引擎会将新的源地址添加到表中。同时，查找引擎还会监测站点的移动情况，更新表中的信息。

老化与转发

老化过程会定期移除长时间未更新的记录，老化周期约为200秒，可通过全局寄存器SGCR1[10]启用或禁用。转发过程根据目标地址在VLAN表、静态表和动态表中进行查找，经过一系列处理后确定转发端口。

交换引擎与MAC操作

交换引擎采用存储转发模式，具有32 KB的内部帧缓冲区，共有256个缓冲区，每个缓冲区大小为128B，有效减少了整体延迟。MAC操作严格遵循IEEE 802.3标准，并增加了MAC过滤功能，可过滤单播数据包，提高网络性能。

其他功能

包括帧间隔（IPG）控制、退避算法、后期冲突处理、合法数据包大小限制、流量控制、半双工背压、广播风暴保护和中继器模式等功能，确保网络的稳定运行。

总线接口单元（BIU）

BIU提供了与嵌入式处理器通信的通用总线接口，支持异步和同步传输。通过三组信号（通用信号、同步传输信号和异步传输信号）实现不同的传输方式，并且同步和异步传输可以混合或交错进行，但不能同时激活。

队列管理单元（QMU）

QMU管理MAC/PHY接口与系统主机之间的数据包流量，具有发送队列（TXQ）和接收队列（RXQ），每个队列包含4 KB的内存，用于实现背对背、无阻塞的帧传输。

高级交换功能

生成树支持

主机端口为指定端口，其他端口可以通过寄存器设置配置为生成树的五种状态之一，以实现数据包的转发和学习控制。

IGMP支持

KSZ8842M通过IGMP窥探功能捕获IGMP数据包并转发到处理器，同时在静态MAC表中插入组播地址，实现组播会话的修剪。

IPv6 MLD窥探

捕获IPv6组播监听器发现（MLD）数据包并转发到处理器，由SGCR2 [13]和SGCR2 [12]控制。

端口镜像支持

支持接收、发送或接收和发送的端口镜像功能，可将指定端口的数据包镜像到嗅探端口，方便网络监测和故障排查。

IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16个活动VLAN，通过VLAN表将12位VLAN ID（VID）转换为4位过滤ID（FID），用于地址查找。在VLAN模式下，根据VID的有效性和FID进行数据包的转发和地址学习。

QoS优先级支持

提供基于端口、802.1p和DiffServ的QoS优先级支持，每个端口有四个优先级队列。同时，支持优先级字段重映射、标签插入和移除等功能，确保不同类型数据包的优先级处理。

速率限制支持

支持硬件速率限制，范围从64 Kbps到99 Mbps，可独立设置接收和发送端的速率。通过设置 ingress 和 egress 速率控制寄存器，对不同优先级的数据包进行速率限制。

环回支持

提供近端（远程）环回和远端环回两种模式，用于远程故障诊断。在环回模式下，PHY端口的速度将设置为100BASE - TX全双工模式。

寄存器描述

CPU接口I/O寄存器

提供EISA、ISA或VLBUS类似的总线接口，用于CPU访问内部I/O寄存器。I/O寄存器分为不同的存储体，每个存储体包含不同的寄存器，用于配置操作设置、读取或写入控制和状态信息以及传输数据包。

寄存器映射：MAC和PHY

详细描述了各个寄存器的功能和位定义，包括银行选择寄存器、MAC和PHY相关寄存器等。用户在操作时需要注意不要对保留位进行非法操作，以免导致不可预测的结果。

管理信息库（MIB）计数器

每个端口提供34个MIB计数器，用于监控端口活动，通过间接内存访问读取计数器值。

静态MAC地址表和动态MAC地址表

静态MAC地址表和动态MAC地址表用于数据包的转发决策，静态表的查找结果优先于动态表。

VLAN表

用于VLAN查找，根据VID和FID确定数据包的转发端口和VLAN成员关系。

操作和电气特性

绝对最大额定值和工作额定值

明确了设备的绝对最大额定值和工作额定值，包括电源电压、输入电压、输出电压、存储温度等参数。超出这些范围可能会损坏设备，因此在使用时需要严格遵守。

电气特性

详细给出了不同工作模式下的电源电流、输入输出电压、信号特性等电气参数，为电路设计提供了重要参考。

时序规格

文档中提供了异步和同步传输的时序规格，包括不同情况下的时序参数和波形图，确保数据传输的准确性和稳定性。

隔离变压器选择

建议在线路接口使用1:1隔离变压器，并推荐了具有集成共模扼流圈的变压器，以满足FCC要求。同时，列出了推荐的变压器特性和合格的单端口磁性元件。

封装信息

介绍了不同封装形式的尺寸和推荐的焊盘图案，为PCB设计提供了指导。

KSZ8842-16M/-32M以其丰富的功能、出色的性能和完善的设计，为网络通信应用提供了强大的支持。在实际设计中，我们需要根据具体的应用场景和需求，合理配置和使用该交换机，以充分发挥其优势。希望本文对大家在理解和应用KSZ8842-16M/-32M方面有所帮助。你在使用这款交换机的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。