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(gè)STA最多管理32個(gè)PHY。MDC信號(hào)由STA控制，MDIO信號(hào)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(huì)通過電阻上拉至接口電源。

MDIO接口信號(hào)

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

表1 MDIO接口信號(hào)

MDC為MDIO接口時(shí)鐘信號(hào)，來自STA，用來對(duì)MDIO的數(shù)據(jù)采樣。MDC可以是非周期性信號(hào)。協(xié)議對(duì)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(hào)，為雙向信號(hào)，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(shí)序

協(xié)議對(duì)MDIO接口時(shí)序進(jìn)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(shí)，需要滿足建立時(shí)間、保持時(shí)間均大于10ns。當(dāng)MDIO由PHY輸出時(shí)，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(shí)，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(gè)MDC周期的高電平，同時(shí)通過MDC輸出32個(gè)時(shí)鐘周期。前導(dǎo)的作用是為PHY建立同步提供時(shí)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(gè)MDIO最多管理32個(gè)PHY。MDIO在訪問PHY之前，需要提前知曉各個(gè)PHY的地址。所有PHY均需要對(duì)地址0進(jìn)行響應(yīng)。

REGAD：5bit，寄存器地址。總共32個(gè)寄存器地址，協(xié)議對(duì)前16個(gè)寄存器地址進(jìn)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(gè)地址為擴(kuò)展寄存器。

TA：2bit，Turnaround。TA是地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換時(shí)的空閑時(shí)間。因?yàn)樽x操作的時(shí)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(shí)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(shí)候，STA用來發(fā)送寫數(shù)據(jù)。讀操作的時(shí)候，PHY用來發(fā)送讀數(shù)據(jù)。

注：MDIO發(fā)送bit序?yàn)楦弑忍叵葌鳌?/p>

圖4 MDIO Clause45幀格式

MDIO Clause45在Clause22基礎(chǔ)上做了一些擴(kuò)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行尋址。

Clause45的修改大大擴(kuò)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(huì)自動(dòng)將地址移動(dòng)到下一個(gè)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(duì)其訪問空間的寄存器進(jìn)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(duì)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(shí)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(shí)的解決方案描述。簡單說就是通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行混合組網(wǎng)。
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