深入解析KSZ8873MML：3端口10/100管理型交换机芯片

在当今的网络设备设计中，高性能、低功耗且功能丰富的交换机芯片至关重要。Micrel的KSZ8873MML就是这样一款备受关注的产品，它为低端口数、成本敏感且注重能效的10/100Mbps交换系统提供了优秀的解决方案。下面，我们就来详细了解一下这款芯片。

文件下载：KSZ8873MML-EVAL.pdf

一、产品概述

KSZ8873MML是一款高度集成的3端口交换机芯片，采用了业界最小的封装尺寸。它专为新一代低端口数、成本敏感且节能的10/100Mbps交换系统而设计，具有低功耗、先进的电源管理和复杂的QoS功能，非常适合IPTV、IP - STB、VoIP、汽车和工业应用。

该芯片支持当今交换系统的绿色要求，先进的电源管理方案包括硬件掉电、软件掉电、按端口掉电以及能量检测模式，可在端口空闲时关闭收发器。此外，它还提供旁路模式，可实现系统级的节能。

二、功能特性

（一）先进的交换功能

1. VLAN支持：支持IEEE 802.1q VLAN，最多可达16组，具有VLAN ID标签/无标签选项，可按端口进行设置。
2. 优先级处理：支持IEEE 802.1p/q标签插入或移除，可按端口进行设置；支持IPv4/IPv6 QoS，提供基于端口、802.1p和DiffServ的QoS/CoS数据包优先级支持。
3. 流量控制：支持可编程的入站和出站速率限制，可按端口进行设置；具备广播风暴保护功能，可进行全局和按端口的百分比控制。
4. 生成树协议：支持IEEE 802.1d快速生成树协议，确保网络的稳定性和可靠性。
5. 地址过滤：支持自地址过滤，端口1和端口2具有独立的MAC地址；支持IGMP窥探（Ipv4），用于组播数据包过滤；具备MAC过滤功能，可将未知单播数据包转发到指定端口。

（二）全面的配置寄存器访问

提供串行管理接口（SMI）、MII管理（MIIM）接口、高速SPI和I2C接口，可访问所有内部寄存器。此外，还可通过I/O引脚绑定和EEPROM在非管理模式下对选择性寄存器进行编程。

（三）QoS/CoS数据包优先级支持

基于端口、802.1p和DiffServ进行优先级划分，可对802.1p优先级字段进行按端口重新映射，提供四个优先级级别。

（四）经过验证的3端口10/100以太网交换机

采用第三代交换机架构，具有三个MAC和一个PHY，完全符合IEEE 802.3u标准。非阻塞交换架构利用1K MAC地址查找表和存储转发架构，确保快速的数据包传输。支持全双工IEEE 802.3x流量控制（PAUSE）和半双工背压流量控制，具备HP Auto MDI - X功能，可可靠检测和纠正直通和交叉电缆。

（五）交换机监控功能

支持端口镜像/监控/嗅探，可对入站和/或出站流量进行监控；提供MIB计数器，用于全面的统计信息收集，每个端口有34个MIB计数器；支持回环模式，用于远程故障诊断。

（六）低功耗特性

支持全芯片硬件掉电、全芯片软件掉电、能量检测模式和动态时钟树关闭功能，可按端口进行软件节能。工作电压为单3.3V电源，内部有1.8V LDO，VDDIO可选3.3V、2.5V和1.8V，收发器电源为3.3V。

三、物理层收发器功能

（一）100BASE - TX收发

发送功能包括并行到串行转换、4B/5B编码、加扰、NRZ到NRZI转换和MLT3编码及传输；接收功能包括自适应均衡、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。

（二）PLL时钟合成器

可生成125MHz、62.5MHz和31.25MHz时钟，用于系统定时，内部时钟由外部25MHz或50MHz晶体或振荡器生成。

（三）加扰/解扰器

用于扩展信号的功率谱，减少电磁干扰（EMI）和基线漂移。

（四）10BASE - T收发

发送时与100BASE - TX驱动器集成，输出经过波形整形和预加重；接收时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。

（五）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，可自动检测远程发送和接收对，并正确分配发送和接收对，该功能可通过端口控制寄存器或MIIM PHY寄存器禁用。

（六）自动协商

符合IEEE 802.3u规范的自动协商协议，允许非屏蔽双绞线（UTP）链路伙伴选择最佳的通用操作模式。若不支持自动协商或链路伙伴强制绕过自动协商，芯片可通过观察接收器信号来设置操作模式。

（七）LinkMD®电缆诊断

端口2支持LinkMD®功能，利用时域反射计（TDR）分析布线系统，可检测开路、短路和阻抗不匹配等常见布线问题。

四、电源管理

KSZ8873MML支持增强的电源管理功能，具有能量检测功能，可在设备空闲时确保低功耗。共有五种操作模式，由寄存器195的两位和寄存器29、45的一位控制，包括正常操作模式、能量检测模式、软掉电模式、节能模式和按端口掉电模式。

五、MAC和交换功能

（一）地址查找

内部查找表存储MAC地址及其相关信息，可学习1K个地址，与基于哈希的查找表不同，它能保证学习到的地址数量。

（二）学习、迁移和老化

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、长度合法时，查找引擎会将合格的源地址插入表中；若站点移动，查找引擎会更新表中的信息；若记录在一段时间内未更新，查找引擎会将其从表中移除。

（三）转发

采用特定的算法转发数据包，会根据VLAN ID、静态表和动态表查找目的地址，经过生成树、IGMP窥探、端口镜像和端口VLAN处理后确定转发端口。

（四）交换引擎

具有高性能的交换引擎，采用存储转发模式，内部有32kB的帧缓冲区，共有256个缓冲区，每个缓冲区大小为128字节，可有效减少整体延迟。

（五）MAC操作

严格遵守IEEE 802.3标准，包括帧间间隙（IPG）、二进制指数退避算法、晚碰撞处理、非法帧处理、全双工流量控制和半双工背压等功能。

（六）广播风暴保护

具有智能选项，可保护交换系统免受过多广播数据包的影响，可按端口启用或禁用广播风暴速率参数。

（七）MII接口操作

提供符合IEEE 802.3u标准的媒体独立接口（MII），可工作在PHY模式或MAC模式，支持PHY模式的旁路功能。

（八）MII管理（MIIM）接口和串行管理接口（SMI）

支持IEEE 802.3 MII管理接口和非标准的SMI接口，可用于监控和控制芯片状态，访问内部寄存器。

六、高级交换功能

（一）旁路模式

可实现系统级的节能，当CPU进入节能模式时，芯片可自动切换到旁路模式，维持端口之间的交换功能。

（二）IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16个活动VLAN，提供16条目VLAN表，用于地址查找，支持高级VLAN功能，如入站VLAN过滤和丢弃非PVID数据包。

（三）QoS优先级支持

为VoIP和视频会议等应用提供QoS，每个端口有四个优先级队列，可进行端口优先级、802.1p优先级和DiffServ优先级分类，支持标签插入和移除。

（四）生成树支持

支持生成树和快速生成树协议，可将端口配置为不同的状态，如禁用、阻塞、监听、学习和转发状态。

（五）Tail Tagging模式

用于获取端口3接口的入站端口信息，可用于生成树协议、IGMP窥探等应用。

（六）IGMP支持

提供IGMP窥探和将IGMP数据包发送回订阅端口的功能，可通过尾标签模式实现。

（七）端口镜像支持

支持“仅接收”、“仅发送”和“接收和发送”镜像模式，可选择多个端口作为嗅探端口。

（八）速率限制支持

提供从64Kbps到99Mbps的精细分辨率硬件速率限制，可独立设置入站和出站速率，采用漏桶算法进行流量整形。

（九）单播MAC地址过滤

与静态MAC地址表配合使用，可过滤或转发未知MAC地址的单播数据包。

七、配置接口

KSZ8873MML可作为管理型交换机或非管理型交换机运行。在非管理模式下，可使用EEPROM进行编程；在管理模式下，可通过I2C、SPI等接口进行配置。

八、寄存器描述

芯片包含全局寄存器、端口寄存器和高级控制寄存器，用于配置各种功能，如VLAN支持、QoS优先级、电源管理等。

九、MIB计数器

每个端口提供34个MIB计数器，用于监控端口活动，包括“每端口”和“所有端口丢弃数据包”两种格式。

十、电气特性和时序规格

文档还详细介绍了芯片的绝对最大额定值、工作额定值、电气特性以及各种接口的时序规格，如EEPROM、MII、I2C、SPI、自动协商、MDC/MDIO和复位时序等。

十一、总结

KSZ8873MML是一款功能强大、性能优越的3端口10/100管理型交换机芯片，具有丰富的功能和低功耗特性，适用于多种应用场景。在设计网络设备时，电子工程师可以充分利用其优势，开发出高性能、节能的交换系统。你在实际应用中是否遇到过类似芯片的配置难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。