MDIO接口的基础知识详解

MDIO概述

MDIO接口，是Management Data Input/Output的缩写。MDIO接口包含在IEEE802.3协议中，是专用于以太PHY的管理的串行总线接口。

MDIO应用框图

图1 MDIO应用框图

图1为MDIO应用框图。STA设备通过MDIO接口与PHY通信。STA（Station Management）为主控设备，比如MCU、MAC、ONU等。PHY为从设备。一个STA最多管理32个PHY。MDC信号由STA控制，MDIO信号根据通信方式的不同可以由STA或者PHY接管控制。通常MDIO会通过电阻上拉至接口电源。

MDIO接口信号

如表1所示，MDIO接口包含两根信号线，一根时钟线，一根数据线。

表1 MDIO接口信号

MDC为MDIO接口时钟信号，来自STA，用来对MDIO的数据采样。MDC可以是非周期性信号。协议对MDC的高低电平的最大宽度并没有限制，仅限制了MDC的最小高低电平宽度不能小于160ns，最小周期不能小于400ns。这意味着MDC最高频率不能超过2.5MHz。

MDIO为MDIO接口数据信号，为双向信号，STA和PHY均可以接管。用来在PHY控制芯片和PHY芯片之间的传递控制和状态信息。

图2 MDIO接口时序

协议对MDIO接口时序进行了定义。如图2所示，以MDC上升沿为基准。当MDIO由STA输出时，需要满足建立时间、保持时间均大于10ns。当MDIO由PHY输出时，需要满足输出延迟不超过300ns。

MDIO帧格式

MDIO有两种模式：俗称1G MDIO和XG MDIO。1G MDIO由IEEE 802.3 Clause22定义，主要应用于千兆/百兆的以太PHY，XG MDIO由IEEE 802.3 Clause45定义，主要用于千兆以上的以太PHY。下面以Clause22为例介绍MDIO帧格式，如图3所示。

图3 MDIO Clause22帧格式

IDLE：空闲域。无MDIO帧发送时，MDIO接口输出高阻（外部有上拉电阻，总线上看到的是高电平）。

PRE：Preamble，前导。每帧发送前，STA通过MDIO连续发送32个MDC周期的高电平，同时通过MDC输出32个时钟周期。前导的作用是为PHY建立同步提供时间。如果STA能够确定PHY可以接收管理帧，可以压缩前导的发送。

ST：2bit，Start of Frame。帧起始符，2’b01代表帧起始。

OP：2bit，操作码。2’b10代表读，2’b01代表写。

PHYAD：5bit，PHY地址。因此1个MDIO最多管理32个PHY。MDIO在访问PHY之前，需要提前知晓各个PHY的地址。所有PHY均需要对地址0进行响应。

REGAD：5bit，寄存器地址。总共32个寄存器地址，协议对前16个寄存器地址进行了详细的定义。其中地址0为控制寄存器，地址1为状态寄存器，其他14个地址为扩展寄存器。

TA：2bit，Turnaround。TA是地址传输和数据传输转换时的空闲时间。因为读操作的时候，地址传输和数据传输控制方不同，设置2bit TA的目的就是为了防止MDIO总线上产生竞争。

读情形，TA第1bit，PHY和STA均释放总线控制输出高阻。TA第2bit，总线交由PHY控制，输出0，即读操作时TA为2‘bZ0（由于总线有上拉电阻存在，从总线上看到的依然是2’b10）。写情形，TA由STA输出2‘b10。

DATA：16bit，数据域。写操作的时候，STA用来发送写数据。读操作的时候，PHY用来发送读数据。

注：MDIO发送bit序为高比特先传。

图4 MDIO Clause45帧格式

MDIO Clause45在Clause22基础上做了一些扩展，目的是为了访问更多的寄存器。Clause45帧格式如图4所示。相对于Clause22帧格式而言，Clause45做了如下修改：

1、ST由01修改为00

2、OP进行了重新定义。00：地址帧 01：写 11：读 10：增量读（Post-read-increment-address）

3、PHYAD域修改名称为PRTAD，端口地址但仍代表PHY地址

4、REGAD修改为DEVAD，Clause45将PHY内部子模块的地址进行细分，这些子模块用DEVAD寻址。子模块内部的寄存器则使用地址帧进行寻址。

Clause45的修改大大扩展了访问地址范围，但是由于地址和读写操作的分离，导致访问效率降低一半。为了解决该问题，Clause45新增了增量读模式，允许先发送一次地址帧，后续仅发送增量读操作。在每次读完成后，PHY会自动将地址移动到下一个相邻的寄存器地址，这样就能完成从指定地址开始顺序读取设备内部的寄存器，而无需重新发送地址帧，访问效率可以和Clause22相当。

后记

MDIO接口不仅定义了帧格式，还对其访问空间的寄存器进行了详细的定义，因此它只能应用于以太PHY的管理接口。对于MDIO寄存器详细定义感兴趣的同学，可以参考IEEE802.3 22.2.4（Clause22）和45.2（Clause45）中的描述。

Clause22和Clause45是不能共存的，如果应用时存在共存的情况，可以参考IEEE 802.3 Annex45A中关于Clause22 PHY，Clause45 PHY混合组网时的解决方案描述。简单说就是通过协议转换芯片进行混合组网。
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