以太网中MDIO协议工作原理与应用

MDIO协议即SMI协议，SMI协议也是一种通信协议类似与I2C协议但是通信方式不一样。SMI包含两根信号线，一个MDC时钟线，一个MDIO双向传输的数据线.MDIO最早在IEEE 802.3的第22卷定义，后来在第45卷又定义了增强版本的MDIO，其主要被应用于以太网的MAC和PHY层之间，用于MAC层器件通过读写寄存器来实现对PHY层器件的操作与管理。

MDIO主机（即产生MDC时钟的设备）通常被称为STA（Station Management Entity），而MDIO从机通常被称为MMD（MDIO Management Device）。通常STA都是MAC层器件的一部分，而MMD则是PHY层器件的一部分。

MDIO接口包括两条线，MDIO和MDC，其中MDIO是双向数据线，而MDC是由STA驱动的时钟线。MDC时钟的最高速率一般为2.5MHz，MDC也可以是非固定频率，甚至可以是非周期的。MDIO接口只是会在MDC时钟的上升沿进行采样，而并不在意MDC时钟的频率（类似于I2C接口）。如下图所示。

MDIO接口最初是由IEEE RFC802.3中的22号条款定义的，在最初的定义中，一个单独的MDIO接口可以访问32个不同的PHY设备中的32个寄存器，这些寄存器提供状态和控制信息，例如：连接状态、传输速度能力、当前选择的传速、低压消耗时的下电情况、全双工还是半双工、自动协商、错误提示以及反馈信息等等。

为了满足10G以太网设备的普及发展，在IEEE 802.3ae 的45号条款中为MDIO接口提供了额外的规范：

1）能够通过32个端口访问32个不同设备的65536个寄存器；

2）为访问10G以太网提供额外的OP码和ST码，从而可以直接访问寄存器地址；

3）端到端的报错信号；

4）环回模式控制；

5）低压电气标准。

Clause-22 格式：

Clause-45 格式：

如上图所示，比较两个版本的差异，我们可以发现 Clause-22 只有读写两个帧 格式，因此是单帧可以完成读或写操作。而增强版Clause-45 增加了 Address 帧 和Post-read-inc-address（自动增量读)，在向下兼容Clause-22的同时，又支持自动增量读操作以及访问寄存器由5bit 扩展到16bit。Clause-45 需要两帧完成读或者写操作，也就是说STA 要先发送 Address 帧 再发送 Write or Read or Post-read-inc-address帧。

其中ST 域段用来区分是Clause-22（ST=00） 还是Clause-45 (ST=01)

Clause-45 各个域段解释：

TA: Turn Around，2 位转向，在读操作中，MDIO 在此时由 MAC 驱动改为 PHY 驱动，在第一个 TA 位，MDIO 引脚为高阻状态，第二个 TA 位，PHY 将 MDIO 引脚拉低，准备发送数据，MAC 端此两位设为高阻，若 MAC 检测到第二位非低电平，表明对方无应答，可通过这个判断是否读取失败；在写操作中，不需要 MDIO 方向发生变化，MAC 固定输出 2’b10

MDIO 时序：

可以看到，PHY 芯片在 MDC 上升沿读取数据，并在上升沿给出数据。因此 MAC 端须在 MDC 下降沿给出数据，而读取数据在上升沿、下降沿均可.

审核编辑：黄飞