Micrel KS8993F/KS8993FL：單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉換器的技術剖析

在當今快速發(fā)展的網(wǎng)絡通信領域，高效、穩(wěn)定的以太網(wǎng)媒體轉換器至關重要。Micrel的KS8993F/KS8993FL單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉換器憑借其獨特的設計和豐富的功能，成為眾多應用場景中的理想選擇。本文將深入剖析這款芯片的特性、功能及相關技術細節(jié)，為電子工程師在設計和應用中提供參考。

文件下載：KS8993F.pdf

一、產品概述

Micrel KS8993F是業(yè)界首款集成OAM功能的單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉換器，集成了三個MAC、兩個PHY、OAM、幀緩沖和高性能交換機于一體。KS8993FL則是單電源版本，具備與KS8993F相同的豐富特性。該芯片適用于FTTx市場中100BASE - FX到10BASE - T或100BASE - TX的轉換，支持遠程環(huán)回和OAM功能，可從運營商中心端到終端側管理用戶接入網(wǎng)絡，還具備速率限制、強制流控制和鏈路透明等高級特性。

二、功能特性分析

2.1 媒體轉換功能

KS8993F符合TS - 1000規(guī)范，實現(xiàn)了專用的點到點通信、OAM信息傳輸、MC狀態(tài)傳輸、自動生成OAM幀、設備識別信息傳輸、終端MC狀態(tài)查詢和遠程環(huán)回診斷等功能。OAM幀格式固定為96位，用于中心MC和終端MC之間的信息傳輸。通過硬件引腳MCCS和MCHS可選擇和配置MC模式，包括中心MC模式和終端MC模式。MC環(huán)回功能由中心MC發(fā)起，終端MC提供環(huán)回路徑，將環(huán)回數(shù)據(jù)包返回給中心MC。

2.2 物理收發(fā)器功能

2.2.1 100BASE - TX收發(fā)

發(fā)送功能包括并行到串行轉換、4B/5B編碼、加擾、NRZ到NRZI轉換、MLT3編碼和傳輸；接收功能包括自適應均衡、DC恢復、MLT3到NRZI轉換、數(shù)據(jù)和時鐘恢復、NRZI到NRZ轉換、解擾、4B/5B解碼和串行到并行轉換。

2.2.2 PLL時鐘合成器

芯片通過外部25 MHz晶體或振蕩器生成125 MHz、31.25 MHz、25 MHz和10 MHz時鐘，為系統(tǒng)提供精確的時鐘信號。

2.2.3 加擾/解擾器（僅100BASE - TX）

加擾器通過11位寬的線性反饋移位寄存器（LFSR）對傳輸數(shù)據(jù)進行加擾，以減少EMI和基線漂移。接收器使用相同的序列對輸入數(shù)據(jù)流進行解擾。

2.2.4 100BASE - FX操作和信號檢測

100BASE - FX操作與100BASE - TX類似，但繞過了加擾/解擾器和MLT3編碼器/解碼器。通過FXSD1引腳檢測光纖信號，根據(jù)不同的電壓范圍判斷FX模式和信號狀態(tài)。

2.2.5 100BASE - FX遠端故障（FEF）

當光纖接收器接收側信號檢測為邏輯假時，KS8993F檢測到FEF。發(fā)生FEF時，傳輸側在幀間空閑期發(fā)送特定模式信號，通知鏈路伙伴鏈路故障。

2.2.6 10BASE - T收發(fā)

100BASE - TX驅動器集成了10BASE - T輸出驅動器，輸出信號經(jīng)過波形整形和預加重。接收側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。

2.2.7 電源管理

芯片支持端口級和全芯片級的電源管理，可通過端口控制寄存器或MIIM控制寄存器對未使用的端口進行電源關閉。

2.3 MAC和交換功能

2.3.1 地址查找

內部查找表存儲MAC地址及其相關信息，可保證學習1K個地址，與基于哈希的查找表相比，能更可靠地保證學習地址的數(shù)量。

2.3.2 學習、遷移和老化

當接收到的數(shù)據(jù)包源地址不在查找表中且數(shù)據(jù)包無錯誤、長度合法時，查找引擎將源地址插入表中；若源地址已存在但源端口信息不同，查找引擎將更新表中的記錄；若記錄在一段時間內未更新，查找引擎將從表中移除該記錄，老化周期為200秒。

2.3.3 轉發(fā)

芯片采用特定的轉發(fā)算法，通過查找VLAN表、靜態(tài)表和動態(tài)表確定目的地址，經(jīng)過生成樹、端口鏡像和端口VLAN處理后確定轉發(fā)端口。同時，芯片不會轉發(fā)錯誤數(shù)據(jù)包、802.3x暫停幀和“本地”數(shù)據(jù)包。

2.3.4 交換引擎

芯片具備高性能交換引擎，采用存儲轉發(fā)模式，通過內置幀緩沖器在MAC之間移動數(shù)據(jù)，減少整體延遲。內部幀緩沖器為32KB，可通過全局寄存器2進行緩沖共享模式編程。

2.3.5 MAC操作

嚴格遵守IEEE 802.3標準，在幀成功傳輸或發(fā)生沖突時，按規(guī)定測量幀間間隙（IPG）。

2.3.6 退避算法

實現(xiàn)了IEEE標準802.3二進制指數(shù)退避算法和可選的“激進模式”退避，根據(jù)芯片配置，在16次沖突后可選擇丟棄數(shù)據(jù)包。

2.3.7 晚碰撞和非法幀處理

發(fā)送數(shù)據(jù)包在傳輸512位時間后發(fā)生碰撞將被丟棄；芯片丟棄長度小于64字節(jié)的幀，可通過全局寄存器4編程接受最大長度為1536字節(jié)或1916字節(jié)的幀。

2.3.8 流控制

支持標準802.3x流控制幀，在接收和發(fā)送側實現(xiàn)智能流控制。接收側根據(jù)暫?？刂茙?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/定時器/" target="_blank">定時器控制發(fā)送；發(fā)送側根據(jù)系統(tǒng)資源情況決定是否啟動流控制，避免資源耗盡。

2.3.9 半雙工背壓

提供半雙工背壓選項，通過發(fā)送前導碼延遲其他站的傳輸，避免碰撞和過度延遲。為確保10 BASE - T或100 BASE - TX半雙工模式下無數(shù)據(jù)包丟失，可啟用激進退避和無過度碰撞丟棄功能。

2.3.10 廣播風暴保護

芯片具備智能廣播風暴保護功能，可對廣播和組播數(shù)據(jù)包進行速率控制，通過全局寄存器6和7設置廣播風暴速率參數(shù)，默認設置為接受1%的廣播數(shù)據(jù)。

2.4 接口功能

2.4.1 MII接口

MII接口是物理層和MAC層設備之間的通用接口，包含傳輸和接收兩組信號。接口工作在PHY模式或MAC模式，根據(jù)不同模式進行數(shù)據(jù)傳輸和接收。

2.4.2 SNI接口

SNI接口與某些用于網(wǎng)絡層協(xié)議處理的控制器兼容，芯片在SNI模式下作為PHY，外部控制器作為MAC，接口為位寬數(shù)據(jù)接口，運行在網(wǎng)絡比特率。

2.4.3 MII管理接口（MIIM）

支持IEEE 802.3 MII管理接口，允許上層設備監(jiān)控和控制芯片狀態(tài)，通過MDC/MDIO接口訪問PHY狀態(tài)和配置PHY設置。

2.4.4 串行管理接口（SMI）

SMI接口是芯片的非標準MIIM接口，可訪問所有配置寄存器，允許外部設備全面監(jiān)控和控制芯片狀態(tài)。

2.5 高級交換功能

2.5.1 端口鏡像支持

支持“僅接收”、“僅發(fā)送”和“接收和發(fā)送”三種端口鏡像模式，可通過寄存器選擇多個端口進行鏡像，任何端口都可作為嗅探端口。

2.5.2 IEEE 802.1Q VLAN支持

支持16個活動VLAN，通過VLAN表將12位VLAN ID轉換為4位過濾ID進行地址查找。在VLAN模式下，根據(jù)FID + 目的地址和FID + 源地址進行查找和學習，支持“入站VLAN過濾”和“丟棄非PVID數(shù)據(jù)包”等高級VLAN功能。

2.5.3 QoS優(yōu)先級

每個端口的發(fā)送隊列可分為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級隊列，提供四種優(yōu)先級方案。支持端口優(yōu)先級、802.1p優(yōu)先級和DiffServ優(yōu)先級，可在每個出口端口插入或移除優(yōu)先級標簽幀的頭部，并進行802.1p優(yōu)先級字段重映射。

2.5.4 速率限制支持

支持在每個端口的接收和發(fā)送側獨立進行硬件速率限制，速率限制范圍從0 kbps到線路速率，以1秒為速率限制間隔。在優(yōu)先級環(huán)境中，可對高優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包設置不同的速率限制。

2.6 配置接口

芯片可作為托管交換機或非托管交換機運行。在非托管模式下，通常使用EEPROM進行編程；在托管模式下，可通過I2C主串行總線、I2C從串行總線或SPI從串行總線進行配置。

三、寄存器詳解

3.1 MII管理（MIIM）寄存器

MIIM接口用于訪問MII PHY寄存器，SPI、I2C和SMI接口也可訪問這些寄存器，但映射機制不同。PHYAD為“0x1”對應PHY端口1，“0x2”對應PHY端口2，支持的REGAD為0 - 5。

3.2 寄存器映射

包括全局寄存器、端口寄存器、媒體轉換器寄存器和高級控制寄存器。全局寄存器用于控制芯片的全局功能；端口寄存器用于配置每個端口的特性；媒體轉換器寄存器用于中心MC和終端MC之間的通信；高級控制寄存器用于實現(xiàn)IPv4 TOS優(yōu)先級控制和定義交換引擎的MAC地址。

3.3 靜態(tài)MAC地址表、VLAN表和動態(tài)MAC地址表

靜態(tài)MAC地址表和動態(tài)MAC地址表用于地址查找和轉發(fā)決策，靜態(tài)表的查找結果優(yōu)先于動態(tài)表。VLAN表用于VLAN查找，根據(jù)VLAN ID獲取FID和VLAN成員信息。

3.4 MIB（管理信息庫）計數(shù)器

芯片為每個端口提供34個MIB計數(shù)器，用于監(jiān)控端口活動，分為“每個端口”和“所有端口丟棄數(shù)據(jù)包”兩種格式。計數(shù)器通過間接內存訪問讀取，應用程序需自行跟蹤計數(shù)器的溢出和有效性。

四、電氣和時序規(guī)格

4.1 電氣規(guī)格

包括絕對最大額定值、推薦工作條件和電氣特性。絕對最大額定值規(guī)定了芯片的極限工作條件；推薦工作條件給出了芯片正常工作的電壓、溫度范圍；電氣特性描述了芯片在不同工作模式下的電流、電壓、輸出特性等參數(shù)。

4.2 時序規(guī)格

涵蓋EEPROM時序、SNI時序、MII時序、SPI時序、MDC/MDIO時序、自動協(xié)商時序和復位時序。這些時序參數(shù)確保芯片在不同接口和操作模式下的正常工作。

五、變壓器和晶體/振蕩器選擇

5.1 隔離變壓器選擇

建議使用1:1隔離變壓器，且具有集成共模扼流圈以滿足FCC要求。文中給出了變壓器的選擇標準和推薦型號。

5.2 晶體/振蕩器選擇

推薦使用具有特定頻率、頻率容差、負載電容和串聯(lián)電阻的晶體或振蕩器。

六、總結

Micrel KS8993F/KS8993FL單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉換器功能強大，集成度高，為電子工程師在以太網(wǎng)通信設計中提供了豐富的選擇和可靠的性能。在實際應用中，工程師需根據(jù)具體需求合理配置芯片的功能和參數(shù)，選擇合適的外圍器件，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。同時，對于芯片的寄存器配置和時序要求，需嚴格按照文檔進行操作，確保系統(tǒng)的正常運行。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。