以太网之MDIO
组里新买了一款开发板，打算借此重温基本外设的开发。本系列将结合相关芯片手册及个人理解，对 FPGA 开发以太网进行整理和记录。
1. MDIO 简介
MDIO（Management Data Input/Output）是以太网物理层设备（PHY）和 MAC 之间的管理接口，主要用于配置和监控 PHY 设备的状态。MDIO 通常与 MDC（Management Data Clock）一起使用，MDC 提供时钟信号，而 MDIO 用于数据传输。通常情况下，PHY 芯片在默认状态下也可正常工作，因此在进行以太网通信实验时，对 MDIO 接口的配置并非必须。
- ETH_MDC：为 ETH_MDIO 提供时钟，数据手册[1]中规定其最大时钟频率不得超过 12.5MHz。
- ETH_MDIO：双向数据引脚，支持数据的发送与接收。
1.1 MDIO 通信帧格式
MDIO 接口的读写通信帧格式如下表所示：
| 字段 | 读操作帧结构 | 写操作帧结构 |
|---|---|---|
| Preamble | 32 位逻辑 "1" | 32 位逻辑 "1" |
| ST | 01（帧开始信号） | 01（帧开始信号） |
| OP | 10（读操作码） | 01（写操作码） |
| PHYAD | 5 位 PHY 地址（AAAAA） | 5 位 PHY 地址（AAAAA） |
| REGAD | 5 位寄存器地址（RRRRR） | 5 位寄存器地址（RRRRR） |
| TA | Z0（高阻切换） | 10（固定输出） |
| DATA | 16 位读取数据（高位在前） | 16 位写入数据（高位在前） |
| IDLE | 高阻态（默认上拉至高电平） | 高阻态（默认上拉至高电平） |
1.2 关键字段说明
- Preamble：32 位前导码，用于同步 PHY 芯片。
- ST：帧起始标志，固定为
01。 - OP：操作码，
10表示读，01表示写。 - PHYAD：5 位 PHY 地址，支持 MAC 连接多个 PHY 芯片。
- REGAD：5 位寄存器地址，指定目标寄存器。
- TA：方向切换标志。读操作时，MDIO 由 MAC 驱动切换为
PHY 驱动；写操作时固定为
10。 - DATA：16 位数据，传输时高位在前。
- IDLE：空闲状态，默认通过上拉电阻维持高电平。
1.3 时序详解
读操作时序
以从 PHY 地址 0x01 的寄存器 0x00
读取数据为例：
MAC 驱动 MDIO 发送前导码、操作码、地址等信息。
TA 阶段：MDIO 引脚切换为由 PHY 驱动，第一个 TA 位为高阻态，第二个 TA 位若为低电平，则 PHY 响应成功并输出数据；若为高电平，则响应失败。
数据采集：PHY 在 MDC 时钟上升沿采集数据，为确保数据稳定传输，MAC 在 MDC 下降沿更新 MDIO 引脚数据。当 MDIO 引脚切换至PHY驱动时，MDIO 数据于 MDC 时钟下降沿更新，故 MAC 需在 MDC 时钟上升沿进行数据采集。
读操作结束后，MAC 将 MDIO 引脚置为高阻态，此时由外部上拉电阻将其拉高，使 MDIO 接口进入空闲状态。
写操作时序
以向 PHY 地址 0x01 的寄存器 0x00 写入数据
0x1340 为例：
MAC 全程驱动 MDIO，依次发送帧头、地址和数据。
PHY 于 MDC 时钟上升沿采集数据，为确保数据稳定传输，MAC 在 MDC 下降沿更新 MDIO 引脚数据。
写操作完成后，MAC 将 MDIO 引脚置为高阻态，借助外部上拉电阻将其拉高，使 MDIO 接口进入空闲状态。
1.4 PHY 地址配置
PHY 地址由硬件电路中的 PHYAD[2:0]
引脚电平决定。开发板原理图如下所示，PHY 地址被配置为
5'h01：
1.5 复位方式
RTL8211 PHY 芯片支持两种复位方式：
硬件复位：通过
PHYRSTB引脚保持 10ms 低电平实现。但开发板上该引脚被上拉，无法使用。软件复位：向寄存器
0x00的 Bit[15] 写入1，复位完成后该位自动清零。
1.6 常用寄存器
BMCR（基础模式控制寄存器，地址
0x00）
- Bit[15]：软件复位位（写入
1触发）。 - Bit[14]：环回模式使能（
1启用）。 - Bit[6/13]：速率选择（仅在自动协商关闭时有效，
10==> 1000Mb/s；01==> 100Mb/s；00==> 10Mb/s）。 - Bit[12]：自动协商使能（
1启用）。 - Bit[9]：重启自动协商（
1触发）。
BMSR（基础模式状态寄存器，地址
0x01）
- Bit[5]：自动协商完成标志（
1表示完成）。 - Bit[2]：链路状态（
1表示连接成功）。
PHYSR（PHY 状态寄存器，地址
0x1A）
- Bit[5:4]：连接速率（
10==> 1000Mbps，01==> 100Mbps，00==> 10Mbps）。