网络交换芯片应用参考--简介（型号：BCM5396）

一 硬件系统结构
图中PHY芯片已经在前文做出详细的讲解。

二 BCM5396概述
2.1 BCM5396基本功能
实现支持网络传输交换拓扑结构设计，使得各个处理器或设备网络互联互通。
2.2 基本特性
1、 BCM5396是一个16port的以太网交换机，集成了16个1.25G的SerDes/SGMII port接口，用于连接外部的PHY物理接口或光纤接口。
2、 嵌入了一个256KB大小的分组缓冲。
3、 支持最大9728字节的巨帧。
4、 支持低成本芯片EEPROM的配置。
5、 第17th接口支持GMII/RGMII/MII/RvMII接口连接CPU。
6、 GMAC控制器在10/100Mbps工作模式下支持全双工和半双工模式，在1000Mbps模式下只支持全双工模式。
7、 媒体接入控制。
8、 集成高性能存储（集成了256MB的SRAM）和转换控制。

三 系统接口
3.1 串行接口
每个lvds兼容的串口可以配置为SGMII或SerDes模式。
3.1.1 SGMII模式
SGMII接口通过TXDN和TXDP引脚以1.25 Gbaud差分传输串行数据，通过RXDN和RXDP引脚差分接收串行数据，传输数据定时从传入数据信号中恢复。附加的链接伙伴也做同样的事。SGMII接口引脚与SerDes接口引脚共享。
数据信号工作在1.25 Gbaud。这些信号中的每一个都实现为微分对，因为操作的速度，提供信号的完整性，同时最大限度地减少系统噪声。SGMII信号使用LVDS电压等级。数据和时钟信号均采用直流平衡;因此，满足交流参数但不满足直流参数的实现可以进行交流耦合。
SGMII的1.25 Gbaud传输速率高于BCM5396收发器10mbps或100mbps要求。当这些情况发生时，BCM5396通过复制每个帧字节10次以100 Mbps和100次以10 Mbps延长帧。这种帧延伸发生在IEEE标准802.3z PCS层之上，使得起始帧分隔符每帧只出现一次。
3.1.2 SerDes模式
SerDes接口工作在1000BASE-X下，接口共享SGMII接口引脚的差分数据，SerDes接口可以用于以下情况：
① SerDes接口可以连接到创建交换光纤端口的SerDes光纤模块。
② SerDes接口可以连接到创建转换铜线接口的SerDes转铜线PHY。
③ SerDes接口可以连接到SerDes MAC或SerDes switch -to- switch应用程序的交换机。
3.1.3 SerDes/SGMII自协商
在建立链路的时候，可以通过自协商的方式进行接口选择，但是，当一篇BCM5396同时连接了这两种接口的时候，就需要通过寄存器配置指定腰使用的接口。
3.2 编程接口（SPI）
BCM5396可以通过SPI接口和EEPROM接口进行寄存器空间配置，这两种接口共用同一pin，何种接口使用这些pin是通过寄存器CPU_EEPROM_SEL来选择，EEPROM接口可以外接EEPROM来上电初始化寄存器的值。
BCM5396寄存器采用分页的机制，每页逻辑地址空间是256字节。
SPI接口为通用的摩托罗拉SPI接口，但是，对于BCM5396而言，只能作为从机设备，仅被动等待主机的读或写。
SPI分为快速和标准两种模式，通过命令字来区分，在实现中这两种模式不可以同时使用，CPU必须一直使用同一种模式传输。两种模式的命令字见下图：

图9表示的是普通模式下的SPI命令，mode(bit4)=0，表示标准模式，并且决定了bit[7:5]=011b。图10表示快速SPI模式，通过mode(bit4)=1决定的，同时读取字节内部寄存器的偏移量赋值bit{7:5}。
这两种机制的bit[3:1]均为CHIP_ID，因为BCM5396设备作为一个单片系统，所以CHIP_ID=000b，注意SS信号在设备被正在识别访问的时候必须是有效的，低电平有效。
两种机制下，bit[0]位为读写控制位，0表示读，1表示写。确定数据传输的方向。
接下来的字节命令是一个8bit字节，最初，表示设置页面地址，然后表示另一种命令字节，表示页面的基地址，这个地址被用作存放在写操作中接收到的数据的下一个字节的位置，那么在读操作中，表示检索下一个被读数据的地址。在一次传输中，允许从一个寄存器存储/读取连续的数据块。
不连续的块也可以通过多次传输完成数据的存取/读取操作，允许指定新的命令字和基地址，在读取或者存储的时候SS信号必须保持低，最后通过主机控制SS信号终止传输。
关于串行接口读写操作时序如下所示：

这个串行SPI接口支持高达2MHz的工作频率，支持四个设备级联/寻址。

重点讲解标准SPI模式：
标准SPI模式允许单字节读和多字节字符串写操作，使用CPU轮询来监视进程，读操作使用page175 SPI状态寄存器和SPI数据I/O实现。
对于读操作，其形式如下所示：
<CMD, CHIP_ID, W>
对于写操作，其形式如下所示：
<CMD, CHIP_ID, W>…
关于具体的读操作，详细流程见以下的流程图：

对于读一个寄存器，首先写入Page175的页面寄存器<CMD, CHIP ID, W><DATA = NEW PAGE>，当移动到新的页面才需要写入新的页面地址，一旦进入这页面，执行一个读操作来读取寄存器的值<CMD, CHIP ID, R>。一旦通过Page175 SPI状态寄存器得知数据可用（RACK=1），那么这个数据就会被读取，读取数据是通过Page175上Data I/O寄存器读取，数据位于每一页的F0h-F7h。
再看看写流程：

写一个寄存器，如果有必要的话，页寄存器要被写，(<CMD, CHIP ID, W><DATA = NEW PAGE>)，然后数据被写到选择的寄存器，(<CMD, CHIP ID, W>…)，其中DATA0是寄存器里面最低的有效字节，准确的字节数是由寄存器的宽度决定的，没有为写操作提供字节偏移量，所有字节必须存在以激活BCM5396内部的写进程。

下面是一些应用于标准SPI模式下简单的规则：

① 写页面寄存器在任何时候都会充值SPI的状态。
② 读操作可以使用SPI Data I/O寄存器访问任何偏移量的任何数量的字节。
③ 写操作必须向被写入的寄存器写一个准确的字节数。
④ SPI状态寄存器中的RXRDY/TXRDY标记必须在每个8字节的字符串被读/写之后检查，以确保下一个字符串已经准备好并可以接受(因为最大的内部寄存器是8字节，这个限制只适用于通过SPI读写帧)。

还有EEPROM、MDC/MDIO、LED接口暂时不使用，不做介绍。
四 硬件信号描述
4.1 串行接口信号（SGMII）

4.2 时钟复位

4.3 SPI接口信号

4.4 配置引脚

关于这个引脚配置的内容，主要看你工程实际需要使能哪些接口，根据接口使用配置哪些功能，以及PHY的轮询功能，还有就是时钟设置。具体的配置在工程设计时介绍。
五 原理图参考设计
5.1 port接口

16个port口使用SGMII接口，分别连接到四个DSP，四个背面板，另外两个连接到PHY芯片，本次使用的ZYNQ PS通过RGMII接口连接到PHY芯片的port3，PHY芯片的port3通过RGMII接口转SGMII接口出来，连接到PHY芯片的port2，然后转接铜线至RJ45。相关的系统结构连接方式可参考第一章给出的框图进行理解。
5.2 电气和配置引脚

引出了EEPROM和SPI两种编程接口，同时引出了BCM_EEPROM_SEL引脚，用于选择编程接口是EEPROM或SPI；使能了自动全双工流控；使能了QoS功能；没有设置TX和RX时钟延时，因为在PHY芯片设置的时候已经进行了延时，使得时钟和数据同步。配置了工作时钟156.3MHz。
六 接口程序设计（SPI）
6.1 SPI初始化

void spi_init(void)
{
	instSPI.Config = XSpiPs_ConfigTable[XPAR_XSPIPS_0_DEVICE_ID];
	XSpiPs_CfgInitialize(&instSPI, &instSPI.Config, instSPI.Config.BaseAddress);

	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXWR_OFFSET, 1); // TX FIFO Threadhold
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_RXWR_OFFSET, 1); // RX FIFO Threadhold

	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_SR_OFFSET, 0xFFFFFFFF); // clear interrupt

	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_CR_OFFSET,
			0x0|(1<<15)|(0<<14)|(0<<10)|(6<<3)|(1<<2)|(1<<1)|0x1);

	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_ER_OFFSET, 1); // Enable SPI
}

首先，查表并初始化SPI接口基本信息，包括基地址和ID号，然后设置了TX FIFO和RX FIFO最低临界值，必要时产生中断，然后清除中断，再写配置寄存器，设置主机模式，设置时钟来源和分频，等等。最后使能SPI接口。
6.2 SPI读
关于SPI读的基本流程在前面已经讲的比较详细，现在借助代码的形式梳理。
第一步：首先写入（写命令+页面寄存器地址+新的页面地址）。调用官方SPI写函数XSpiPs_WriteReg()实现。

   //------ Write PAGE -------------------
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x61|((chipID&0x7)<<1)); // TXFIFO WR_CMD
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0xFF); // TXFIFO  SELECT PAGE
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, page); // TXFIFO

WR_CMD命令为什么是或上一个0x61，这是根据写命令格式决定的，可以参看数据手册写命令的定义。chipID定义为000b，因为只有一个设备。新的页地址为用户传入的参数，需要读取哪个页的数据在这里指定。
第二步：写入一个读命令，读取指定页指定寄存器的值。

  //------ First RD (Discard) -------------------
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x60|((chipID&0x7)<<1)); // TXFIFO RD_CMD  
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, regAddr);                // TXFIFO  SELECT regaddr
    XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x00);                   // TXFIFO  PAD

RD_CMD命令中包含0x60，原因同样是命令格式里面参数属性决定的，regAddr 参数是函数传入的，用户通过这个参数指定需要读取哪个寄存器的值。最后写了一个0x00，这是因为这一次会读取到一个无效的数据到RX FIFO，并舍弃，所以直接写入0x00，防止读取到一些奇怪的值，影响后面读取寄存器的实际值。
第三步：开始读取DATA I/O上的数据以获取指定页面指定寄存器的实际值。

  //------ RD SPI_DIO[0:7] ALLPAGE,ADDR_0xF0-0xF7 -------------------
	reg_value=0;
    for(int i=0; i<byteLen; i++) {
		XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x60|((chipID&0x7)<<1)); // TXFIFO RD_CMD
		XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0xF0+i);              // SPI_DIO[7:0] ADDRESS
	    XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x00);                   // TXFIFO  PAD

		XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_CR_OFFSET,         // START TRANSPORT
			XSpiPs_ReadReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_CR_OFFSET)|0x00010000 );

		do {
			reg_value_tmp = XSpiPs_ReadReg( instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_SR_OFFSET);
			if ( (reg_value_tmp & XSPIPS_IXR_MODF_MASK) != 0U) { //Clear the mode fail bit
				XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_SR_OFFSET, XSPIPS_IXR_MODF_MASK);
				while(1);
			}
		} while(!(reg_value_tmp & XSPIPS_IXR_TXOW_MASK));   // WAIT TRANSPORT END: 1 when TXFIFO_NUM < TXFIFO_THRESHOLD(1)

		while ( (XSpiPs_ReadReg(instSPI.Config.BaseAddress,XSPIPS_SR_OFFSET) & XSPIPS_IXR_RXNEMPTY_MASK) != 0U ) { //if RXFIFO not EMPTY
			reg_value_tmp = XSpiPs_ReadReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_RXD_OFFSET);
		}

		reg_value = reg_value | (((u64)reg_value_tmp & 0xff)<<(8*i));
    }
	return reg_value;
}

因为所有的页数据ADDR均为0xF0-0xF7，所以每页一次最多可以读取8个字节的数据，定义接收数据的变量为u64，SPI控制器决定了TX和RX FIFO均为128字节的大小，不需要进行设置。最后通过移位的方式将读取的数据存放在变量reg_value中。
可以通过读取model ID来验证读函数的正确性。

这里有一个错误，手册里面写的是8’d96，实际是0x96。如果读出来的值为0x96，表示读函数正确。
6.3 SPI写
第一步：通过写入（写命令+页面寄存器+新的页面地址），将待访问的页面地址写入。

XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x61|((chipID&0x7)<<1)); // TXFIFO WR_CMD
XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0xFF); // TXFIFO  SELECT PAGE
XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, page); // TXFIFO

第二步：直接依次写入数据即可。

XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, 0x61|((chipID&0x7)<<1)); // TXFIFO WR_CMD
XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, regAddr);                // TXFIFO  SELECT regaddr
for(int i=0; i<byteLen; i++) {
	XSpiPs_WriteReg(instSPI.Config.BaseAddress, XSPIPS_TXD_OFFSET, (wrRegValue>>(i*8))&0xff);             // TXFIFO
}

最后发送数据，完成寄存器的写操作。