MDIO接口的基础知识详解
mdio概述
mdio接口，是management data input/output的缩写。mdio接口包含在ieee802.3协议中，是专用于以太phy的管理的串行总线接口。
mdio应用框图
图1 mdio应用框图
图1为mdio应用框图。sta设备通过mdio接口与phy通信。sta（station management）为主控设备，比如mcu、mac、onu等。phy为从设备。一个sta最多管理32个phy。mdc信号由sta控制，mdio信号根据通信方式的不同可以由sta或者phy接管控制。通常mdio会通过电阻上拉至接口电源。
mdio接口信号
如表1所示，mdio接口包含两根信号线，一根时钟线，一根数据线。
表1 mdio接口信号
mdc为mdio接口时钟信号，来自sta，用来对mdio的数据采样。mdc可以是非周期性信号。协议对mdc的高低电平的最大宽度并没有限制，仅限制了mdc的最小高低电平宽度不能小于160ns，最小周期不能小于400ns。这意味着mdc最高频率不能超过2.5mhz。
mdio为mdio接口数据信号，为双向信号，sta和phy均可以接管。用来在phy控制芯片和phy芯片之间的传递控制和状态信息。
图2 mdio接口时序
协议对mdio接口时序进行了定义。如图2所示，以mdc上升沿为基准。当mdio由sta输出时，需要满足建立时间、保持时间均大于10ns。当mdio由phy输出时，需要满足输出延迟不超过300ns。
mdio帧格式
mdio有两种模式：俗称1g mdio和xg mdio。1g mdio由ieee 802.3 clause22定义，主要应用于千兆/百兆的以太phy，xg mdio由ieee 802.3 clause45定义，主要用于千兆以上的以太phy。下面以clause22为例介绍mdio帧格式，如图3所示。
图3 mdio clause22帧格式
idle：空闲域。无mdio帧发送时，mdio接口输出高阻（外部有上拉电阻，总线上看到的是高电平）。
pre：preamble，前导。每帧发送前，sta通过mdio连续发送32个mdc周期的高电平，同时通过mdc输出32个时钟周期。前导的作用是为phy建立同步提供时间。如果sta能够确定phy可以接收管理帧，可以压缩前导的发送。
st：2bit，start of frame。帧起始符，2’b01代表帧起始。
op：2bit，操作码。2’b10代表读，2’b01代表写。
phyad：5bit，phy地址。因此1个mdio最多管理32个phy。mdio在访问phy之前，需要提前知晓各个phy的地址。所有phy均需要对地址0进行响应。
regad：5bit，寄存器地址。总共32个寄存器地址，协议对前16个寄存器地址进行了详细的定义。其中地址0为控制寄存器，地址1为状态寄存器，其他14个地址为扩展寄存器。
ta：2bit，turnaround。ta是地址传输和数据传输转换时的空闲时间。因为读操作的时候，地址传输和数据传输控制方不同，设置2bit ta的目的就是为了防止mdio总线上产生竞争。
读情形，ta第1bit，phy和sta均释放总线控制输出高阻。ta第2bit，总线交由phy控制，输出0，即读操作时ta为2‘bz0（由于总线有上拉电阻存在，从总线上看到的依然是2’b10）。写情形，ta由sta输出2‘b10。
data：16bit，数据域。写操作的时候，sta用来发送写数据。读操作的时候，phy用来发送读数据。
注：mdio发送bit序为高比特先传。
图4 mdio clause45帧格式
mdio clause45在clause22基础上做了一些扩展，目的是为了访问更多的寄存器。clause45帧格式如图4所示。相对于clause22帧格式而言，clause45做了如下修改：
1、st由01修改为00
2、op进行了重新定义。00：地址帧 01：写 11：读 10：增量读（post-read-increment-address）
3、phyad域修改名称为prtad，端口地址但仍代表phy地址
4、regad修改为devad，clause45将phy内部子模块的地址进行细分，这些子模块用devad寻址。子模块内部的寄存器则使用地址帧进行寻址。
clause45的修改大大扩展了访问地址范围，但是由于地址和读写操作的分离，导致访问效率降低一半。为了解决该问题，clause45新增了增量读模式，允许先发送一次地址帧，后续仅发送增量读操作。在每次读完成后，phy会自动将地址移动到下一个相邻的寄存器地址，这样就能完成从指定地址开始顺序读取设备内部的寄存器，而无需重新发送地址帧，访问效率可以和clause22相当。
后记
mdio接口不仅定义了帧格式，还对其访问空间的寄存器进行了详细的定义，因此它只能应用于以太phy的管理接口。对于mdio寄存器详细定义感兴趣的同学，可以参考ieee802.3 22.2.4（clause22）和45.2（clause45）中的描述。
clause22和clause45是不能共存的，如果应用时存在共存的情况，可以参考ieee 802.3 annex45a中关于clause22 phy，clause45 phy混合组网时的解决方案描述。简单说就是通过协议转换芯片进行混合组网。
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mdio接口，是management data input/output的缩写。mdio接口包含在ieee802.3协议中，是专用于以太phy的管理的串行总线接口。
mdio应用框图
图1 mdio应用框图
图1为mdio应用框图。sta设备通过mdio接口与phy通信。sta（station management）为主控设备，比如mcu、mac、onu等。phy为从设备。一个sta最多管理32个phy。mdc信号由sta控制，mdio信号根据通信方式的不同可以由sta或者phy接管控制。通常mdio会通过电阻上拉至接口电源。
mdio接口信号
如表1所示，mdio接口包含两根信号线，一根时钟线，一根数据线。
表1 mdio接口信号
mdc为mdio接口时钟信号，来自sta，用来对mdio的数据采样。mdc可以是非周期性信号。协议对mdc的高低电平的最大宽度并没有限制，仅限制了mdc的最小高低电平宽度不能小于160ns，最小周期不能小于400ns。这意味着mdc最高频率不能超过2.5mhz。
mdio为mdio接口数据信号，为双向信号，sta和phy均可以接管。用来在phy控制芯片和phy芯片之间的传递控制和状态信息。
图2 mdio接口时序
协议对mdio接口时序进行了定义。如图2所示，以mdc上升沿为基准。当mdio由sta输出时，需要满足建立时间、保持时间均大于10ns。当mdio由phy输出时，需要满足输出延迟不超过300ns。
mdio帧格式
mdio有两种模式：俗称1g mdio和xg mdio。1g mdio由ieee 802.3 clause22定义，主要应用于千兆/百兆的以太phy，xg mdio由ieee 802.3 clause45定义，主要用于千兆以上的以太phy。下面以clause22为例介绍mdio帧格式，如图3所示。
图3 mdio clause22帧格式
idle：空闲域。无mdio帧发送时，mdio接口输出高阻（外部有上拉电阻，总线上看到的是高电平）。
pre：preamble，前导。每帧发送前，sta通过mdio连续发送32个mdc周期的高电平，同时通过mdc输出32个时钟周期。前导的作用是为phy建立同步提供时间。如果sta能够确定phy可以接收管理帧，可以压缩前导的发送。
st：2bit，start of frame。帧起始符，2’b01代表帧起始。
op：2bit，操作码。2’b10代表读，2’b01代表写。
phyad：5bit，phy地址。因此1个mdio最多管理32个phy。mdio在访问phy之前，需要提前知晓各个phy的地址。所有phy均需要对地址0进行响应。
regad：5bit，寄存器地址。总共32个寄存器地址，协议对前16个寄存器地址进行了详细的定义。其中地址0为控制寄存器，地址1为状态寄存器，其他14个地址为扩展寄存器。
ta：2bit，turnaround。ta是地址传输和数据传输转换时的空闲时间。因为读操作的时候，地址传输和数据传输控制方不同，设置2bit ta的目的就是为了防止mdio总线上产生竞争。
读情形，ta第1bit，phy和sta均释放总线控制输出高阻。ta第2bit，总线交由phy控制，输出0，即读操作时ta为2‘bz0（由于总线有上拉电阻存在，从总线上看到的依然是2’b10）。写情形，ta由sta输出2‘b10。
data：16bit，数据域。写操作的时候，sta用来发送写数据。读操作的时候，phy用来发送读数据。
注：mdio发送bit序为高比特先传。
图4 mdio clause45帧格式
mdio clause45在clause22基础上做了一些扩展，目的是为了访问更多的寄存器。clause45帧格式如图4所示。相对于clause22帧格式而言，clause45做了如下修改：
1、st由01修改为00
2、op进行了重新定义。00：地址帧 01：写 11：读 10：增量读（post-read-increment-address）
3、phyad域修改名称为prtad，端口地址但仍代表phy地址
4、regad修改为devad，clause45将phy内部子模块的地址进行细分，这些子模块用devad寻址。子模块内部的寄存器则使用地址帧进行寻址。
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clause22和clause45是不能共存的，如果应用时存在共存的情况，可以参考ieee 802.3 annex45a中关于clause22 phy，clause45 phy混合组网时的解决方案描述。简单说就是通过协议转换芯片进行混合组网。
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