以太网中MDIO协议工作原理与应用

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以太网中MDIO协议工作原理与应用

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https://m.elecfans.com/article/2415834.html

MDIO（SMI）协议是连接以太网MAC和PHY层的关键通信协议，它通过两根信号线实现数据传输和设备管理。本文将详细介绍MDIO协议的工作原理、信号时序以及Clause-22和Clause-45两个版本的差异，帮助读者深入理解这一基础协议。

MDIO协议概述

MDIO协议（SMI协议）是一种类似于I2C的通信协议，但其通信方式有所不同。SMI包含两根信号线：一个MDC时钟线和一个MDIO双向传输的数据线。MDIO最早在IEEE 802.3的第22卷中定义，后来在第45卷中又定义了增强版本的MDIO。该协议主要用于以太网的MAC和PHY层之间，使MAC层器件能够通过读写寄存器来实现对PHY层器件的操作与管理。

在MDIO协议中，产生MDC时钟的设备被称为STA（Station Management Entity），而从设备则被称为MMD（MDIO Management Device）。通常，STA是MAC层器件的一部分，而MMD是PHY层器件的一部分。

MDIO接口特性

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，且MDC可以是非固定频率，甚至可以是非周期的。MDIO接口只会在MDC时钟的上升沿进行采样，类似于I2C接口。

协议版本演进

MDIO接口最初由IEEE RFC802.3中的22号条款定义。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、当前选择的传输速度、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。

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：

能够通过32个端口访问32个不同设备的65536个寄存器；
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；
端到端的报错信号；
环回模式控制；
低压电气标准。

Clause-22与Clause-45对比

比较Clause-22和Clause-45两个版本的差异，我们可以发现Clause-22只有读写两个帧格式，因此单帧即可完成读或写操作。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5位扩展到16位。Clause-45需要两帧完成读或写操作，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。