KSZ8864CNX/RMNUB：高性能4端口以太網(wǎng)交換機的卓越之選

在當今的網(wǎng)絡通信領域，以太網(wǎng)交換機扮演著至關重要的角色。對于電子工程師而言，選擇一款性能卓越、功能豐富且易于配置的交換機芯片是實現(xiàn)高效網(wǎng)絡設計的關鍵。今天，我們就來深入探討一下Microchip推出的KSZ8864CNX/RMNUB，一款集成4端口10/100的管理型交換機芯片。

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一、產(chǎn)品概述

KSZ8864CNX/RMNUB是一款高度集成的二層管理型4端口交換機，專為對成本敏感的10/100 Mbps 4端口交換系統(tǒng)而設計。它具有優(yōu)化的設計、豐富的功能和小巧的封裝尺寸，能夠有效降低系統(tǒng)成本。其1.4 Gbps的高性能內(nèi)存帶寬和基于共享內(nèi)存的無阻塞交換架構(gòu)，為數(shù)據(jù)的快速傳輸提供了有力保障。此外，該芯片還具備電源管理、可編程速率限制、優(yōu)先級控制、VLAN支持、QoS等一系列高級功能，可廣泛應用于VoIP電話、機頂盒、汽車以太網(wǎng)、工業(yè)控制等眾多領域。

二、產(chǎn)品特性剖析

（一）高級交換特性

1. VLAN支持：支持IEEE 802.1q VLAN，最多可配置128個VLAN組，涵蓋全范圍的4096個VLAN ID。這使得網(wǎng)絡管理員能夠根據(jù)不同的需求對網(wǎng)絡進行靈活的劃分和管理，提高網(wǎng)絡的安全性和性能。
2. 靜態(tài)MAC表：靜態(tài)MAC表最多支持32個條目，可用于精確控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，增強網(wǎng)絡的可控性。
3. VLAN ID標簽選項：每個端口都可以獨立配置VLAN ID標簽或無標簽選項，并且支持基于入端口（出端口）的IEEE 802.1p/q標簽插入或移除，為數(shù)據(jù)的分類和處理提供了更多的靈活性。
4. 速率限制：支持在每個端口的入站和出站方向進行可編程速率限制，并且提供無抖動的逐包速率限制支持，有效防止網(wǎng)絡擁塞，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。
5. 廣播風暴保護：具備廣播風暴保護功能，可通過百分比控制（全局和每個端口）來限制廣播流量，避免廣播風暴對網(wǎng)絡造成影響。
6. 生成樹協(xié)議支持：支持IEEE 802.1d快速生成樹協(xié)議（RSTP），能夠自動檢測網(wǎng)絡中的環(huán)路，并通過阻塞某些端口來防止環(huán)路的形成，保證網(wǎng)絡的可靠性。
7. 尾標簽模式：端口4支持尾標簽模式，即在FCS之前添加1字節(jié)的數(shù)據(jù)，用于告知處理器哪個入端口接收到了數(shù)據(jù)包，方便進行數(shù)據(jù)的跟蹤和處理。

（二）全面的配置寄存器訪問

1. 串行管理接口：提供串行管理接口（MDC/MDIO），可訪問所有PHY寄存器，方便對PHY層進行監(jiān)控和配置。
2. 高速SPI和I2C接口：支持高速SPI（最高可達25 MHz）和I2C主接口，可訪問所有內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)對芯片的全面控制。
3. I/O引腳綁定和EEPROM編程：在非管理模式下，可通過I/O引腳綁定和EEPROM編程來選擇配置寄存器，實現(xiàn)靈活的配置。
4. 實時配置控制寄存器：控制寄存器可實時配置（如端口優(yōu)先級、802.1p/d/q、自動協(xié)商等），方便根據(jù)實際需求進行調(diào)整。

（三）QoS/CoS數(shù)據(jù)包優(yōu)先級支持

1. 端口和標準優(yōu)先級：支持基于每個端口、802.1p和DiffServ的數(shù)據(jù)包優(yōu)先級分類，可根據(jù)不同的應用場景對數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先級排序，確保關鍵數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。
2. 隊列優(yōu)先級選擇：提供1/2/4隊列QoS優(yōu)先級選擇，并且支持可編程加權(quán)公平隊列，可根據(jù)不同的需求對隊列的優(yōu)先級進行靈活配置。
3. 優(yōu)先級字段重映射：可對每個端口的802.1p優(yōu)先級字段進行重映射，進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級處理。

（四）集成4端口10/100以太網(wǎng)交換機

1. 符合標準：采用四個MAC和兩個PHY，完全符合IEEE 802.3u標準，確保與現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的兼容性。
2. 無阻塞交換架構(gòu)：無阻塞交換架構(gòu)利用1K MAC地址查找表和存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，確保數(shù)據(jù)包的快速傳輸。
3. 幀緩沖內(nèi)存：片上集成64Kbyte的幀緩沖內(nèi)存（與1K單播地址表不共享），為數(shù)據(jù)包的緩存提供了充足的空間。
4. 流量控制：支持全雙工IEEE 802.3x流量控制（PAUSE）和半雙工背壓流量控制，有效防止網(wǎng)絡擁塞。
5. 自動交叉功能：支持HP Auto MDI/MDI-X和IEEE自動交叉功能，無需使用交叉電纜，方便網(wǎng)絡的連接和部署。
6. 電纜診斷：具備LinkMD?基于TDR的電纜診斷功能，可檢測銅纜中的故障，如開路、短路和阻抗不匹配等，提高網(wǎng)絡的可靠性。
7. LED指示和狀態(tài)寄存器：每個端口都配備LED指示燈，可指示鏈路狀態(tài)、活動狀態(tài)和10/100速度；同時支持寄存器端口狀態(tài)查詢，方便對端口狀態(tài)進行監(jiān)控。
8. 低功耗設計：采用片上終端和內(nèi)部偏置技術，降低了功耗和成本。

（五）交換機監(jiān)控特性

1. 端口鏡像/監(jiān)控/嗅探：支持端口鏡像、監(jiān)控和嗅探功能，可將入站和/或出站流量復制到任何端口或MII/RMII接口，方便進行網(wǎng)絡監(jiān)控和故障排查。
2. MIB計數(shù)器：每個端口提供34個MIB計數(shù)器，用于收集全面的統(tǒng)計信息，幫助管理員了解網(wǎng)絡的運行狀況。
3. 環(huán)回支持：支持MAC、PHY和遠程診斷的環(huán)回功能，方便進行故障診斷和測試。
4. 鏈路變化中斷：任何端口的鏈路變化都會產(chǎn)生中斷信號，及時通知系統(tǒng)進行相應的處理。

（六）低功耗特性

1. 軟件電源管理：支持全芯片軟件掉電和每個端口的軟件掉電功能，可根據(jù)實際需求降低功耗。
2. 能量檢測模式：支持能量檢測模式，當所有端口都無活動時，全芯片功耗低于0.1W；在正常工作狀態(tài)下，全芯片功耗約為0.3W，且無需額外的變壓器功耗。
3. 動態(tài)時鐘樹關閉：具備動態(tài)時鐘樹關閉功能，進一步降低功耗。
4. 寬電壓支持：支持多種電壓輸入，包括3.3V、2.5V和1.8V的VDDIO，以及1.2V的核心電源，適應不同的應用場景。
5. 寬溫度范圍：支持商業(yè)溫度范圍（0°C至+70°C）、工業(yè)溫度范圍（–40°C至+85°C）和汽車AEC - Q100 3級溫度范圍（–40°C至+85°C），適用于各種惡劣環(huán)境。
6. 小巧封裝：采用64引腳QFN無鉛小型封裝，節(jié)省了電路板空間。

三、功能詳細解析

（一）物理層收發(fā)器

1. 100BASE - TX傳輸：在100BASE - TX傳輸過程中，芯片首先將來自MAC的MII數(shù)據(jù)進行并行到串行的轉(zhuǎn)換，然后進行4B/5B編碼、加擾、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換和MLT3編碼，最后以MLT3電流輸出進行傳輸。輸出電流由外部1% 12.4 kΩ電阻設置，典型上升/下降時間為4 ns，符合ANSI TP - PMD標準。
2. 100BASE - TX接收：接收端首先通過自適應均衡器補償雙絞線電纜中的符號間干擾（ISI），然后進行DC恢復、MLT3到NRZI轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)和時鐘恢復、NRZI到NRZ轉(zhuǎn)換、解擾和4B/5B解碼，最后將NRZ串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MII格式提供給MAC。
3. PLL時鐘合成器：芯片通過外部25 MHz晶體或振蕩器生成125 MHz、83 MHz、41 MHz、25 MHz和10 MHz的時鐘，為系統(tǒng)提供精確的時鐘信號。
4. 加擾器/解擾器：加擾器使用11位寬的線性反饋移位寄存器（LFSR）對數(shù)據(jù)進行加擾，以擴展信號的功率譜，減少EMI和基線漂移；接收端使用相同的序列進行解擾。
5. 10BASE - T傳輸和接收：10BASE - T輸出驅(qū)動器集成在100BASE - T驅(qū)動器中，輸出信號經(jīng)過內(nèi)部波形整形和預加重，典型幅度為2.3V。接收端采用輸入緩沖和電平檢測靜噪電路，通過差分輸入接收器電路和PLL進行解碼。
6. MDI/MDI - X自動交叉：支持HP Auto MDI/MDI - X和IEEE 802.3u標準的MDI/MDI - X自動交叉功能，默認使用HP Auto MDI/MDI - X。自動檢測功能可正確分配發(fā)送和接收對，方便用戶連接網(wǎng)絡設備。
7. 自動協(xié)商：符合IEEE 802.3委員會的自動協(xié)商協(xié)議，允許非屏蔽雙絞線（UTP）鏈路伙伴選擇最高的共同操作模式。自動協(xié)商的優(yōu)先級順序為：100BASE - TX全雙工 > 100BASE - TX半雙工 > 10BASE - T全雙工 > 10BASE - T半雙工。
8. LinkMD?電纜診斷：利用時域反射計（TDR）技術分析電纜中的常見問題，如開路、短路和阻抗不匹配等。通過發(fā)送已知幅度和持續(xù)時間的脈沖，并分析反射信號的形狀來確定電纜故障的位置，最大距離為200m，精度為±2m。

（二）電源管理

芯片支持多種電源管理模式，可根據(jù)不同的工作狀態(tài)進行靈活配置，以降低功耗。具體模式包括正常運行模式、能量檢測模式、軟掉電模式、節(jié)能模式和基于端口的掉電模式。不同模式下，內(nèi)部功能模塊的狀態(tài)會相應改變，如PLL時鐘、TX/RX PHY、MAC和主機接口等。

（三）交換核心

1. 地址查找：內(nèi)部查找表存儲MAC地址及其相關信息，包含1K單播地址表和交換信息，確保能夠?qū)W習1K個地址。
2. 學習、遷移和老化：查找引擎會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包的源地址（SA）更新查找表，當SA不存在于表中且數(shù)據(jù)包無錯誤時，將其插入表中；當SA存在但源端口信息不同時，更新表中的記錄；如果記錄在一段時間內(nèi)未更新，將被從表中移除，老化周期為300 ± 75秒。
3. 轉(zhuǎn)發(fā)和交換引擎：芯片采用特定的算法進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，首先通過查找VLAN ID、靜態(tài)表和動態(tài)表確定“轉(zhuǎn)發(fā)端口1”（PTF1），然后經(jīng)過生成樹、IGMP嗅探、端口鏡像和端口VLAN處理，確定最終的“轉(zhuǎn)發(fā)端口2”（PTF2）。交換引擎采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，有效降低了延遲。
4. MAC操作和相關規(guī)則：嚴格遵守IEEE 802.3標準，確保與其他網(wǎng)絡設備的兼容性。在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，遵循幀間間隙（IPG）、退避算法、晚碰撞處理、非法幀處理和流量控制等規(guī)則。
5. 半雙工背壓：提供半雙工背壓選項，可通過發(fā)送前導碼來延遲其他站點的傳輸，避免網(wǎng)絡擁塞。為確保在10BASE - T或100BASE - TX半雙工模式下無數(shù)據(jù)包丟失，用戶需要啟用相關的配置選項。
6. 廣播風暴保護：通過全局編程廣播風暴速率參數(shù)，并可在每個端口上啟用或禁用該功能，有效防止廣播流量過多占用網(wǎng)絡資源。
7. MII接口操作：提供兩個MAC層接口（MAC 3和MAC 4）的MII/RMII接口，每個接口包含傳輸和接收兩組信號。接口可工作在MAC模式或PHY模式，根據(jù)不同的連接方式進行配置。
8. RMII接口：支持Port 3和Port 4的RMII接口，具有低引腳數(shù)的特點，支持10 Mbps和100 Mbps的數(shù)據(jù)速率，使用單50 MHz時鐘參考。

（四）高級功能

1. QoS優(yōu)先級支持：提供多種優(yōu)先級隊列選擇，可根據(jù)端口寄存器的配置將出站端口分為1/2/4個優(yōu)先級傳輸隊列。支持基于端口、802.1p和DiffServ的優(yōu)先級分類，可對數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行靈活配置。
2. 生成樹支持：端口4為指定端口，其他端口可通過寄存器配置為生成樹的五種狀態(tài)之一，包括禁用狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、監(jiān)聽狀態(tài)、學習狀態(tài)和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
3. 快速生成樹支持：每個端口可分配為丟棄、學習和轉(zhuǎn)發(fā)三種操作狀態(tài)，使用RSTP BPDU進行通信。
4. 尾標簽模式：僅端口4支持尾標簽模式，通過在數(shù)據(jù)包中插入1字節(jié)的尾標簽來指示源/目的端口，方便進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。
5. IGMP支持：支持IGMP嗅探功能，可將IGMP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到處理器；同時，可通過尾標簽模式將IGMP響應數(shù)據(jù)包發(fā)送回訂閱端口。
6. 端口鏡像支持：支持全面的端口鏡像功能，包括接收僅鏡像、發(fā)送僅鏡像和接收與發(fā)送鏡像，可通過寄存器選擇多個端口進行鏡像操作。
7. VLAN支持：支持128個活動VLAN和4096個可能的VID，通過VLAN表進行查找和映射，確定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)端口。同時，支持高級VLAN功能，如VLAN入站過濾和丟棄非PVID數(shù)據(jù)包。
8. 速率限制支持：提供精細的硬件速率限制功能，可獨立配置每個端口的入站和出站速率。入站速率限制可選擇不同類型的幀進行計數(shù)，出站速率限制采用漏桶算法進行流量整形。
9. 過濾功能：支持自我地址過濾、未知單播/多播地址過濾和未知VID數(shù)據(jù)包/IP多播過濾，可有效防止這些數(shù)據(jù)包對網(wǎng)絡性能造成影響。
10. 配置接口：支持I2C主串行總線配置和SPI從串行總線配置，可通過不同的接口對芯片進行配置和控制。

（五）MII管理（MIIM）接口和串行管理接口（SMI）

1. MIIM接口：支持標準的IEEE 802.3 MII管理接口，允許上層設備監(jiān)控和控制芯片的狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)線（MDIO）和時鐘線（MDC）進行通信，可訪問一組8個16位寄存器。
2. SMI接口：是芯片的非標準MIIM接口，可訪問所有配置寄存器，包括全局、端口和高級控制寄存器。通過特定的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式進行通信，實現(xiàn)對芯片的全面監(jiān)控和控制。

四、寄存器描述

芯片的寄存器分為全局寄存器、端口寄存器、高級控制寄存器、靜態(tài)MAC地址表、VLAN表、動態(tài)MAC地址表和MIB計數(shù)器等幾類。每個寄存器都有其特定的功能和配置選項，通過對這些寄存器的配置，可以實現(xiàn)對芯片各種功能的精確控制。例如，全局寄存器可用于配置芯片的基本參數(shù)和全局功能；端口寄存器可用于配置每個端口的特定功能，如廣播風暴保護、優(yōu)先級分類、標簽插入/移除等；高級控制寄存器可用于配置一些高級功能，如QoS優(yōu)先級映射、過濾功能等。

五、操作和電氣特性

（一）絕對最大額定值和工作額定值

芯片有明確的絕對最大額定值和工作額定值，超過絕對最大額定值可能會損壞設備，而在工作額定值范圍內(nèi)，芯片才能保證正常工作。例如，電源電壓、環(huán)境溫度等都有相應的限制。

（二）電氣特性

在不同的工作模式下，芯片的電氣特性有所不同。例如，在100BASE - TX和10BASE - T操作模式下，各個電源引腳的電流消耗不同；在不同的電源管理模式下，功耗也會發(fā)生變化。同時，芯片的輸入輸出電壓、電流等參數(shù)也有明確的規(guī)定。

六、時序圖和電路設計

（一）時序圖

文檔中提供了EEPROM、MII、RMII、SPI、自動協(xié)商、MDC/MDIO和復位等多種時序圖，詳細描述了芯片在不同操作過程中的時序關系。這些時序圖對于工程師進行電路設計和調(diào)試非常重要，能夠幫助他們確保芯片與其他設備之間的通信正常。

（二）復位電路和隔離變壓器選擇

推薦使用分立復位電路進行上電復位，對于由其他設備驅(qū)動復位的應用，也提供了相應的復位電路設計。同時，在選擇隔離變壓器時，需要考慮其匝數(shù)比、開路電感、插入損耗和耐壓等特性，推薦使用集成共模扼流圈的隔離變壓器，以滿足FCC要求。

七、總結(jié)

KSZ8864CNX/RMNUB是一款功能強大、性能卓越的4端口以太網(wǎng)交換機芯片。其豐富的高級交換特性、全面的配置寄存器訪問、QoS支持、低功耗設計以及完善的監(jiān)控和診斷功能，使其成為各種網(wǎng)絡應用的理想選擇。無論是在VoIP電話、機頂盒等消費類產(chǎn)品中，還是在汽車以太網(wǎng)、工業(yè)控制等對可靠性和性能要求較高的領域，KSZ8864CNX/RMNUB都能夠發(fā)揮出色的作用。作為電子工程師，在設計網(wǎng)絡設備時，不妨考慮這款芯片，它將為你的設計帶來更多的可能性和優(yōu)勢。

在實際應用中，我們還需要根據(jù)具體的需求和場景，合理配置芯片的寄存器和功能。