MDIO接口的基礎(chǔ)知識詳解

MDIO概述

MDIO接口，是Management Data Input/Output的縮寫。MDIO接口包含在IEEE802.3協(xié)議中，是專用于以太PHY的管理的串行總線接口。

MDIO應(yīng)用框圖

圖1 MDIO應(yīng)用框圖

圖1為MDIO應(yīng)用框圖。STA設(shè)備通過MDIO接口與PHY通信。STA（Station Management）為主控設(shè)備，比如MCU、MAC、ONU等。PHY為從設(shè)備。一個STA最多管理32個PHY。MDC信號由STA控制，MDIO信號根據(jù)通信方式的不同可以由STA或者PHY接管控制。通常MDIO會通過電阻上拉至接口電源。

MDIO接口信號

如表1所示，MDIO接口包含兩根信號線，一根時鐘線，一根數(shù)據(jù)線。

表1 MDIO接口信號

MDC為MDIO接口時鐘信號，來自STA，用來對MDIO的數(shù)據(jù)采樣。MDC可以是非周期性信號。協(xié)議對MDC的高低電平的最大寬度并沒有限制，僅限制了MDC的最小高低電平寬度不能小于160ns，最小周期不能小于400ns。這意味著MDC最高頻率不能超過2.5MHz。

MDIO為MDIO接口數(shù)據(jù)信號，為雙向信號，STA和PHY均可以接管。用來在PHY控制芯片和PHY芯片之間的傳遞控制和狀態(tài)信息。

圖2 MDIO接口時序

協(xié)議對MDIO接口時序進行了定義。如圖2所示，以MDC上升沿為基準(zhǔn)。當(dāng)MDIO由STA輸出時，需要滿足建立時間、保持時間均大于10ns。當(dāng)MDIO由PHY輸出時，需要滿足輸出延遲不超過300ns。

MDIO幀格式

MDIO有兩種模式：俗稱1G MDIO和XG MDIO。1G MDIO由IEEE 802.3 Clause22定義，主要應(yīng)用于千兆/百兆的以太PHY，XG MDIO由IEEE 802.3 Clause45定義，主要用于千兆以上的以太PHY。下面以Clause22為例介紹MDIO幀格式，如圖3所示。

圖3 MDIO Clause22幀格式

IDLE：空閑域。無MDIO幀發(fā)送時，MDIO接口輸出高阻（外部有上拉電阻，總線上看到的是高電平）。

PRE：Preamble，前導(dǎo)。每幀發(fā)送前，STA通過MDIO連續(xù)發(fā)送32個MDC周期的高電平，同時通過MDC輸出32個時鐘周期。前導(dǎo)的作用是為PHY建立同步提供時間。如果STA能夠確定PHY可以接收管理幀，可以壓縮前導(dǎo)的發(fā)送。

ST：2bit，Start of Frame。幀起始符，2’b01代表幀起始。

OP：2bit，操作碼。2’b10代表讀，2’b01代表寫。

PHYAD：5bit，PHY地址。因此1個MDIO最多管理32個PHY。MDIO在訪問PHY之前，需要提前知曉各個PHY的地址。所有PHY均需要對地址0進行響應(yīng)。

REGAD：5bit，寄存器地址?？偣?2個寄存器地址，協(xié)議對前16個寄存器地址進行了詳細(xì)的定義。其中地址0為控制寄存器，地址1為狀態(tài)寄存器，其他14個地址為擴展寄存器。

TA：2bit，Turnaround。TA是地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換時的空閑時間。因為讀操作的時候，地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸控制方不同，設(shè)置2bit TA的目的就是為了防止MDIO總線上產(chǎn)生競爭。

讀情形，TA第1bit，PHY和STA均釋放總線控制輸出高阻。TA第2bit，總線交由PHY控制，輸出0，即讀操作時TA為2‘bZ0（由于總線有上拉電阻存在，從總線上看到的依然是2’b10）。寫情形，TA由STA輸出2‘b10。

DATA：16bit，數(shù)據(jù)域。寫操作的時候，STA用來發(fā)送寫數(shù)據(jù)。讀操作的時候，PHY用來發(fā)送讀數(shù)據(jù)。

注：MDIO發(fā)送bit序為高比特先傳。

圖4 MDIO Clause45幀格式

MDIO Clause45在Clause22基礎(chǔ)上做了一些擴展，目的是為了訪問更多的寄存器。Clause45幀格式如圖4所示。相對于Clause22幀格式而言，Clause45做了如下修改：

1、ST由01修改為00

2、OP進行了重新定義。00：地址幀 01：寫 11：讀 10：增量讀（Post-read-increment-address）

3、PHYAD域修改名稱為PRTAD，端口地址但仍代表PHY地址

4、REGAD修改為DEVAD，Clause45將PHY內(nèi)部子模塊的地址進行細(xì)分，這些子模塊用DEVAD尋址。子模塊內(nèi)部的寄存器則使用地址幀進行尋址。

Clause45的修改大大擴展了訪問地址范圍，但是由于地址和讀寫操作的分離，導(dǎo)致訪問效率降低一半。為了解決該問題，Clause45新增了增量讀模式，允許先發(fā)送一次地址幀，后續(xù)僅發(fā)送增量讀操作。在每次讀完成后，PHY會自動將地址移動到下一個相鄰的寄存器地址，這樣就能完成從指定地址開始順序讀取設(shè)備內(nèi)部的寄存器，而無需重新發(fā)送地址幀，訪問效率可以和Clause22相當(dāng)。

后記

MDIO接口不僅定義了幀格式，還對其訪問空間的寄存器進行了詳細(xì)的定義，因此它只能應(yīng)用于以太PHY的管理接口。對于MDIO寄存器詳細(xì)定義感興趣的同學(xué)，可以參考IEEE802.3 22.2.4（Clause22）和45.2（Clause45）中的描述。

Clause22和Clause45是不能共存的，如果應(yīng)用時存在共存的情況，可以參考IEEE 802.3 Annex45A中關(guān)于Clause22 PHY，Clause45 PHY混合組網(wǎng)時的解決方案描述。簡單說就是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片進行混合組網(wǎng)。
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