深入剖析KS8995MA/FQ：一款高性能的5端口10/100管理型交換機

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計中，交換機扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們就來詳細(xì)探討一款備受關(guān)注的設(shè)備——Micrel的KS8995MA/FQ集成5端口10/100管理型交換機。

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一、產(chǎn)品概述

KS8995MA/FQ是一款高度集成的二層管理型交換機，專為低端口數(shù)量、對成本敏感的10/100Mbps交換系統(tǒng)而設(shè)計，支持銅纜和光纖兩種介質(zhì)。它具有豐富的功能特性，如基于標(biāo)簽/端口的VLAN、服務(wù)質(zhì)量（QoS）優(yōu)先級、管理功能、MIB計數(shù)器、雙MII接口以及CPU控制/數(shù)據(jù)接口等，能夠有效滿足當(dāng)前和新興的快速以太網(wǎng)應(yīng)用需求。

該交換機包含五個10/100收發(fā)器、五個媒體訪問控制（MAC）單元、一個高速無阻塞交換矩陣、一個專用地址查找引擎和一個片上幀緩沖存儲器。所有PHY單元均支持10BASE - T和100BASE - TX，其中KSZ8995MA的端口4和5、KSZ8995FQ的端口3和4還支持100BASE - FX。

二、功能特性

（一）物理層收發(fā)器功能

1. 100BASE - TX收發(fā)
   • 發(fā)送：100BASE - TX發(fā)送功能包括并行到串行轉(zhuǎn)換、4B/5B編碼、擾碼、NRZ到NRZI轉(zhuǎn)換、MLT3編碼和傳輸。輸出電流由一個外部1% 3.01kΩ電阻設(shè)置，具有典型的4ns上升/下降時間，符合ANSI TP - PMD標(biāo)準(zhǔn)。
   • 接收：接收功能包括自適應(yīng)均衡、DC恢復(fù)、MLT3到NRZI轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)和時鐘恢復(fù)、NRZI到NRZ轉(zhuǎn)換、解擾、4B/5B解碼和串行到并行轉(zhuǎn)換。自適應(yīng)均衡器會根據(jù)電纜長度和信號強度調(diào)整自身特性，以優(yōu)化性能。
2. PLL時鐘合成器：KS8995MA/FQ通過外部25MHz晶體或振蕩器生成125MHz、42MHz、25MHz和10MHz時鐘，用于系統(tǒng)定時。
3. 擾碼/解擾器：擾碼器通過11位寬的線性反饋移位寄存器（LFSR）對數(shù)據(jù)進行擾碼，以減少EMI和基線漂移。接收器使用相同的序列對數(shù)據(jù)進行解擾。
4. 100BASE - FX操作：100BASE - FX操作與100BASE - TX類似，但在傳輸和接收時繞過擾碼/解擾器和MLT3編碼器/解碼器。由于沒有支持光纖自動協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)，該模式下自動協(xié)商功能被繞過。
5. 10BASE - T收發(fā)：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(yù)加重，具有典型的2.3V幅度。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. 電源管理：支持每個端口的電源關(guān)閉模式，用戶可以通過設(shè)置端口控制寄存器或MII控制寄存器來關(guān)閉未使用的端口。此外，還支持全芯片電源關(guān)閉模式。
7. MDI/MDI - X自動交叉：支持MDI/MDI - X自動交叉功能，方便用戶使用直連或交叉的CAT - 5電纜。該功能可以通過端口控制寄存器禁用。

（二）交換核心功能

1. 地址查找：內(nèi)部查找表存儲MAC地址及其相關(guān)信息，包含1K單播地址表和交換信息。KS8995MA/FQ保證能夠?qū)W習(xí)1K個地址，與基于哈希的查找表不同，它不受操作環(huán)境和概率的影響，能確保學(xué)習(xí)地址的數(shù)量。
2. 學(xué)習(xí)：當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包的源地址（SA）不在查找表中，且數(shù)據(jù)包無接收錯誤且長度合法時，查找引擎會將合格的SA插入表中，并記錄端口號和時間戳。如果表已滿，會刪除最后一個條目以騰出空間。
3. 遷移：當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包的SA在表中，但關(guān)聯(lián)的源端口信息不同，且數(shù)據(jù)包無接收錯誤且長度合法時，查找引擎會更新表中的現(xiàn)有記錄。
4. 老化：查找引擎會在相應(yīng)的SA出現(xiàn)時更新記錄的時間戳。如果記錄在一段時間內(nèi)未更新，查找引擎會將其從表中刪除。老化周期為300 + 75秒，可以通過寄存器3或LED[5][2]上的外部上拉或下拉電阻啟用或禁用。
5. 轉(zhuǎn)發(fā)：KS8995MA/FQ使用特定算法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。首先，搜索引擎在VLAN ID、靜態(tài)表和動態(tài)表中查找目標(biāo)地址，得到“端口轉(zhuǎn)發(fā)1”（PTF1），然后經(jīng)過生成樹、IGMP監(jiān)聽、端口鏡像和端口VLAN處理，得到“端口轉(zhuǎn)發(fā)2”（PTF2），最終將數(shù)據(jù)包發(fā)送到該端口。
6. 交換引擎：采用高性能交換引擎，以存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式運行，有效降低了整體延遲。內(nèi)部有64kB的幀緩沖區(qū)，可在五個端口之間共享。緩沖區(qū)共享模式可以通過寄存器2進行編程。

（三）媒體訪問控制器（MAC）操作

1. 幀間間隔（IPG）：如果幀成功傳輸，96位時間的IPG在兩個連續(xù)的MTXEN之間測量；如果當(dāng)前數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突，IPG從MCRS和下一個MTXEN之間測量。
2. 退避算法：實現(xiàn)了IEEE Std. 802.3二進制指數(shù)退避算法和可選的“激進模式”退避。經(jīng)過16次沖突后，數(shù)據(jù)包可能會根據(jù)芯片配置在寄存器3中被丟棄。
3. 晚沖突：如果發(fā)送的數(shù)據(jù)包在傳輸512位時間后發(fā)生沖突，該數(shù)據(jù)包將被丟棄。
4. 非法幀：KS8995MA/FQ會丟棄小于64字節(jié)的幀，并可以通過寄存器4編程接受最大1916字節(jié)的幀。
5. 流量控制：支持標(biāo)準(zhǔn)的802.3x流量控制幀，在接收和發(fā)送端都能有效控制流量。當(dāng)接收隊列滿時，會對所有端口進行流量控制。
6. 半雙工背壓：提供半雙工背壓選項，激活和停用條件與全雙工模式相同。為避免沖突和過度延遲，在一定時間后會停止載波檢測，但在丟棄數(shù)據(jù)包后會迅速恢復(fù)，以抑制其他傳輸。

（四）高級功能

1. 生成樹支持：端口5是生成樹支持的指定端口，其他端口可以通過寄存器設(shè)置配置為五種生成樹狀態(tài)之一。
2. 特殊標(biāo)記模式：用于生成樹協(xié)議IGMP監(jiān)聽，也可用于其他應(yīng)用。該模式需要軟件修改網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序來插入/修改/剝離/解釋特殊標(biāo)記。
3. IGMP支持：支持IGMP監(jiān)聽，將IGMP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到處理器端口。同時，在靜態(tài)MAC表中插入組播地址，可將組播會話修剪到訂閱端口。
4. 端口鏡像支持：全面支持端口鏡像，包括接收鏡像、發(fā)送鏡像和接收與發(fā)送鏡像。可以選擇多個端口進行鏡像，并指定嗅探端口。
5. VLAN支持：支持IEEE 802.1q中指定的4096個可能VLAN中的16個活動VLAN，提供16條目VLAN表，用于將VID轉(zhuǎn)換為FID進行地址查找。
6. 速率限制支持：支持每個端口獨立的硬件速率限制，包括接收和發(fā)送速率限制，支持優(yōu)先級和非優(yōu)先級環(huán)境。速率限制從0Kbps開始，以32Kbps為步長增加到線路速率。

三、配置接口

（一）I2C主串行總線配置

如果存在2線EEPROM，KS8995MA/FQ可以實現(xiàn)更高級的功能，如廣播風(fēng)暴保護和速率控制。配置時，需要將KS8995MA/FQ的引腳與EEPROM連接，并設(shè)置輸入信號PS[1:0]為“00”，將串行總線配置為I2C主模式。

（二）SPI從串行總線配置

KS8995MA/FQ可以作為SPI從設(shè)備，通過SPI可以啟用所有功能。使用時，需要將KS8995MA/FQ的引腳與微處理器連接，并設(shè)置輸入信號PS[1:0]為“10”，將串行配置設(shè)置為SPI從模式。

（三）MII管理接口（MIIM）

提供標(biāo)準(zhǔn)的MIIM接口，用于所有五個PHY設(shè)備。外部設(shè)備可以通過MDC/MDIO接口讀取PHY狀態(tài)或配置PHY設(shè)置，但只能訪問標(biāo)準(zhǔn)MII寄存器。

四、寄存器描述

KS8995MA/FQ的寄存器分為全局寄存器、端口寄存器和高級控制寄存器。全局寄存器用于控制全局功能，端口寄存器用于控制每個端口的功能，高級控制寄存器用于實現(xiàn)IPv4 TOS優(yōu)先級控制、MAC地址定義和間接訪問控制等功能。

五、應(yīng)用場景

KS8995MA/FQ適用于多種應(yīng)用場景，如寬帶網(wǎng)關(guān)、集成DSL或電纜調(diào)制解調(diào)器多端口路由器、無線LAN接入點加網(wǎng)關(guān)、家庭網(wǎng)絡(luò)擴展、獨立10/100交換機、酒店/校園/MxU網(wǎng)關(guān)、企業(yè)VoIP網(wǎng)關(guān)/電話、FTTx客戶駐地設(shè)備和管理型媒體轉(zhuǎn)換器等。

六、總結(jié)

KS8995MA/FQ是一款功能強大、性能卓越的5端口10/100管理型交換機，具有豐富的功能特性和靈活的配置接口，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的配置方式，充分發(fā)揮該交換機的優(yōu)勢。同時，在使用過程中，需要注意寄存器的設(shè)置和配置，以確保設(shè)備的正常運行。你在使用這款交換機的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。