KS8993型高性能交换电路及其应用

1 引言

KENDIN公司推出的KS8993是业界第一款包含3端口10/100物理层收发器、3个带有1个Layer2交换器的MAC单元以及缓存的高性能以太网快速交换电路，集成了10BaseT/100BaseTX/100BaseFXPHY和16K×32的SRAM缓冲区，其带宽可达到1Gbps。具有低功耗、功能齐全和易于调试等特点。

KS8993主要具有以下特性：

符合IEEE 802.3以太网标准和IEEE 802.3μ快速以太网标准；

支持基于端口的VLAN，基于硬件的10/100速率转换及自动协商机制；

支持10M/100M和全双工/半双工自适应功能；

支持全双工的IEEE802.3x流量控制及半双工的流量控制；

片内集成地址对照引擎、自动地址分析、老化和移位；

MAC地址自学习、自更新功能；

可支持优先级排队、未屏蔽双绞线和光纤；

采用128引脚的PQFP型封装。

2 内部结构

图1是KS8993的内部结构框图。下面介绍KS8993中各主要模块的原理。


(1)地址对照引擎

KS8993内置存储MAC地址及其相关信息的地址对照表。该表能够提供1K字48位的中央地址存储器地址和交换信息。

(2)SRAM缓冲器

KS8993内置一个用于存储帧的16K字32位的SRAM缓冲器。这一资源是由该电路的3个端口共享。每个端口分配多大空间的缓冲器可以通过系统设置来决定。

(3)流量控制

在KS8993中，帧的接收与发送支持802.3x标准。KS8993刚刚接收一个数据包，假如该数据包的目标端口资源被占用，KS8993将对接收数据包的端口进行流量控制。这时，KS8993会发出一个含有最大停顿时间的流量控制帧。一旦目标端口资源被释放，KS8993就发出其他不含停顿时间的帧。

3 KS8993的输入接口和输出接口

如图2所示，KS8993的输入接口和输出接口主要分为：物理接口、MII接口、串行网络接口、LED指示接口、非管理编程接口、控制和其他接口、工厂测试接口、电源和地接口。



3.1 物理接口

KS8993分别提供3路收发信号接口，分为变压器和光纤两种模式与媒体介质相连。光纤模式下，三路光信号检测接口接光纤信号检测输出口可完成光信号检测。还需为传输数据设置抽头变压器参考值，并设置发送电流值。

3.2 介质无关接口（MII）

介质无关接口（MII）的作用是使物理层可以支持不同的介质类型。MII引脚信号包括接收、发送数据、发送使能、冲突监测、收发时钟和故障指示等。还提供了载波活动、冲突检测和管理接口信号。数据穿越MII的速率是每个时钟周期为一个半位元组（4位），即25Mbps。

MII工作在forward和backward两种模式下。在forward模式下，KS8993的MAC3利用外接的PHY进行通信；在backward模式下，外部的MAC利用KS8993的PHY3进行通信。

3.3 串行网络接口

串行网络接口与用于网络层协议处理的控制器兼容，可以直接与这些类型的设备连接。传输信号分为两类：一类负责发送，包括发送使能、冲突检测、串行发送数据和发送时钟等。另一类负责接收，包括载波监听、串行接收和接收时钟。

3.4 LED指示接口

状态指示信号可以设置为速度指示、冲突指示、全双工/半双工指示等。可以根据需要外接一定数目的LED灯指示电路的工作状况。

3.5 非管理编程接口

按功能表设置MODESEL[3：0]引脚电平可规定LED的工作模式。设置MTXD[3：1]引脚可实现全双工和半双工模式。设置MIIS[1：0]引脚使KS8993的MII接口工作在forward或reverse模式。设置MRXD[0]引脚为高电平，KS8993可禁止MAC3的自动协商功能。设置MRXD引脚为低电平，使KS8993的MAC3工作在半双工模式。诸如此类，灵活设置这些非管理编程接口电平还可以实现自动协商机制、MAC地址自学习、符合802.1p的优先级排队、自更新等功能。

3.6 控制和其他接口

接外部晶振或输入时钟信号和系统复位信号。

3.7 电源和地接口

KS8993采用单2.5V工作电压，包括收发驱动器在内的总功耗为300mA（750mW），具有低损耗特性。

4 典型应用

KS8993包含3端口10/100自适应物理层收发器和3个带有一个Layer 2交换器的MAC单元。

在实际应用中，KS8993既可以配置为一个独立的3端口器件，如图3（a）所示，也可以为了满足需要（如将DSL与一部IP电话和PC相连时），配置成为两端口加一个MII端口的形式，如图3（b）所示。MII端口可以连接外部处理器，用于路由目的和公共网络访问。



图4是KS8993在IP电话中的应用。端口1连接个人计算机，端口2连接电话，端口3则设置成MII端口，用于路由目的。



KS8993的每一个端口都设有一个3位的VLAN掩码寄存器（PV1、PV2和PV3）。通过设置寄存器中的掩码，可以设定KS8993中3个端口的功能，其中，一个典型的应用是将2个端口设置成转换器，另一个端口设置为路由器。要实现这一功能，3个VLAN掩码寄存器的设置为PV1（1，0，1）、PV2（0，1，1）和PV3（1，1，1）。在这个设置中，KS8993可以用于连接2个VLAN，VLAN1包括端口1和端口3，VLAN2包括端口2和端口3。当VMDIS（Vlan Mismatch DIScard）＝1时，端口1和端口2之间不能直接通信，此时端口3就要在端口1所属的VLAN1和端口2所属的VLAN2之间进行路由选择。当VMDIS＝0时，如果端口收发的是广播数据包，则所有端口之间都可以直接通信；如果端口收发的是多播数据包，那么这些数据包的传输将被限制在同一个VLAN中。VMDIS＝0这种特性常被用于广播/多播协议转换。