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第三十二章 MDIO接口读写测试实验
在以太网通信中，设备之间的物理层链路均由PHY芯片（物理层芯片，本文指YT8511）建立。PHY芯片有一个配置接口，即MDIO接口，可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。本章我们来学习如何通过领航者ZYNQ开发板实现对PHY芯片的MDIO接口进行读写测试。
本章分为以下几个章节：
1.1 简介
1.2 实验任务
1.3 硬件设计
1.4 程序设计
1.5 下载验证
1.1 简介
以太网概述
以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网凭借其成本低、通信速率高、抗干扰性强等优点被广泛应用在网络远程监控、交换机、工业自动化等对通信速率要求较高的场合。
以太网是一种产生较早，使用相当广泛的局域网。其最初是由Xerox（施乐）公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，后来被电气与电子工程师协会（IEEE）所采纳作为802.3的标准。
以太网的分类有标准以太网（10Mbit/s），快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网（1000Mbit/s）。随着以太网技术的飞速发展，市场上也出现了万兆以太网（10Gbit/s），它扩展了IEEE802.3协议和MAC规范，使其技术支持10Gbit/s的传输速率。在实际应用中，千兆以太网理论上最高通信速率为1000Mbit/s，可以胜任大部分的使用场景。
以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有RJ45接口，RJ11接口（电话线接口），SC光纤接口等。其中RJ45接口是我们现在最常见的网络设备接口（如：电脑网口），我们开发板使用的就是这种接口。
RJ45接口俗称“水晶头”，专业术语为RJ45连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成，属于双绞线以太网接口类型。RJ45插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与RJ45插槽卡住以防止脱落。
RJ45接口样式如图 7.5.13.1所示：
图 7.5.13.1 RJ45插头（左）、插座（右）
RJ45接口定义以及各引脚功能在不同通信速率下的定义有区别，图 7.5.13.2是在10M/100M通信速率下的定义，由下图可知，RJ45插座只使用了1、2、3、6这四根线，其中1、2这组负责传输数据（TX+、TX-），而3、6这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。
图 7.5.13.2 RJ45插座10M/100M接口定义
而在1000M的通信速率下，RJ45插座的8根线都有用到，且都是双向引脚。需要说明的是，支持千兆网通信的RJ45接口是向下兼容的，即也支持10M/100M通信速率，只不过不同的通信速率，其引脚功能有区别。千兆网各引脚功能如下图所示：
图 7.5.13.3 RJ45插座1000M接口定义
从硬件的角度来说，以太网接口电路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口PHY（Physical Layer，PHY）两大部分构成。MAC指媒体访问控制子层协议，它和PHY接口既可以整合到单颗芯片内，也可以独立分开，对于本次设计来说，MAC控制器由FPGA实现，PHY芯片指开发板板载的以太网芯片。
PHY在发送数据的时候，接收MAC发过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟信号发送出去，接收数据时的流程反之。PHY还提供了和对端设备连接的重要功能，并通过LED灯显示出自己目前的连接状态和工作状态。当我们给网卡接入网线的时候，PHY芯片不断发出脉冲信号来检测对端是否有设备，它们通过标准的“语言”交流，互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto Negotiation，即自协商。
MDIO接口
MAC和PHY芯片有一个配置接口，即MDIO接口，可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。PHY芯片内部包含一系列寄存器，用户通过这些寄存器来配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息，如连接速率、双工模式、自协商状态等。FPGA通过MDIO接口对PHY芯片内部的寄存器进行配置。通常情况下，PHY芯片在默认状态下也可以正常工作，在做以太网通信实验时，对MDIO接口的配置不是必须的，本章旨在向大家介绍MDIO接口以及如何对MDIO接口进行读写操作。MAC和PHY连接示意图如下图所示。
图 7.5.13.4 MDIO接口示意图
MDIO接口也称为SMI接口（Serial Management Interface，串行管理接口），包括ETH_MDC（数据管理时钟）和ETH_MDIO（数据管理输入输出）两条信号线。ETH_MDC为ETH_MDIO提供时钟，ETH_MDC的最大时钟不能超过12.5Mhz。ETH_MDIO为双向数据引脚，既用于发送数据，也用于接收数据。
MDIO接口的读写通信协议如下图所示：
图 7.5.13.5 MDIO接口通信协议
Preamble：32位前导码，由MAC端发送32位逻辑“1”，用于同步PHY芯片。
ST（Start of Frame）：2位帧开始信号，用01表示。
OP（Operation Code）：2位操作码，读：10 写：01。
PHYAD（PHY Address）：5位PHY地址，用于表示与哪个PHY芯片通信，因此一个MAC上可以连接多个PHY芯片。
REGAD（Register Address）：5位寄存器地址，可以表示共32位寄存器。
TA（Turnaround）：2位转向，在读命令中，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；在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，MAC固定输出2’b10，随后开始写入数据。
DATA：16位数据，在读命令中，PHY芯片将读到的对应PHYAD的REGAD寄存器的数据写到DATA中；在写命令中，PHY芯片将接收到的DATA写入REGAD寄存器中。需要注意的是，在DATA传输的过程中，高位在前，低位在后。
IDLE：空闲状态，此时MDIO为无源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其上拉至高电平。
MDIO接口读时序图如下图所示：
图 7.5.13.6 MDIO接口读时序图
上图是以PHY地址为0x01，从寄存器地址0x00读出数据为例。整个读操作过程的MDC时钟由MAC驱动，同时MAC驱动MDIO引脚输出前导码+帧开始+操作码+PHY地址+寄存器地址，随后MDIO引脚切换至PHY驱动。在第一个TA位，MDIO引脚为高阻状态，第二个TA位为低电平，表示PHY芯片成功响应，并且接下来会输出16位寄存器数据；而如果第二个TA位处于高电平，则PHY芯片响应失败，有可能PHY地址不正确或者其它时序的错误。
需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿更新MDIO引脚的数据。当MDIO引脚切换至PHY驱动时，MDIO数据在MDC时钟的下降沿更新，因此MAC在MDC时钟的上升沿采集数据。在读操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。
MDIO接口写时序图如下图所示：
图 7.5.13.7 MDIO接口写时序图
上图是以PHY地址为0x01，向寄存器地址0x00写入0x1340为例，在整个写操作过程中，MDC时钟和MDIO引脚一直由MAC端驱动，按照MDIO接口写通信协议开始传输数据。需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿将数据更新至MDIO引脚。在写操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。
以太网PHY芯片（YT8511）
1）PHY地址
YT8511芯片的PHY地址由LED_ACT和RXD[1:0]引脚决定，如下图所示：PHY地址一共有五位，其中高两位固定为00，LED_ACT和RXD[1:0]引脚表示低三位，我们可以通过硬件电路设置LED_ACT和RXD[1:0]引脚引脚为上拉或者下来，即分配为高低电平，0或1，从而表示不同的地址。
图 7.5.13.8 PHY地址选择
LED_ACT和RXD[1:0]取不同的值表示的地址范围从00001到00111。领航者开发板上的以太网PHY芯片LED_ACT接上拉电阻，RXD[1:0]接下拉电阻，因此PHY地址为5’b00100。
2）复位
YT8511芯片复位后，PHY内部寄存器的数据会恢复默认的状态，并且重新开始和MAC进行自协商。YT8511支持两种复位方式，一种是硬件复位，另外一种是软件复位。硬件复位时通过ETH_RST_N引脚实现对PHY芯片的复位，当ETH_RST_N引脚持续10ms的低电平时，即可实现对PHY芯片的复位。软件复位通过向寄存器地址0x00的Bit[15]写入1进行复位，并且在完成复位后，该位会自动清零。
3）寄存器
YT8511共有22位寄存器，这里我们仅介绍本实验用到的三个寄存器，控制寄存器、状态寄存器以及PHY芯片具体状态寄存器。
控制寄存器(Basic Mode Control Register, Address 0x00)，简写为：BMCR，用于芯片的复位和其它功能的控制，各个位的说明如下图所示：
图 7.5.13.9 控制寄存器说明
部分常用位的说明如下：
Bit[15]：软件复位，1：PHY复位 0：正常模式；
Bit[14]：内部环回模式，1：内部环回模式 0：正常模式；
Bit[6] Bit[13]：选择网速带宽 只有在自动协商使能不开启的情况下有效，10：1000Mb/s 01：100Mb/s 00：10Mb/s；
Bit[12]：自动协商使能 1：自动协商使能 0：自动协商不使能；
Bit[9]：重启自协商，1：重新开始自协商 0：自协商重启完成。
基本状态寄存器(Basic Mode Status Register, Address 0x01)，简写为：BMSR，各个位的说明如下图所示：
图 7.5.13.10 :状态寄存器说明
对我们用位的说明如下：
Bit[5]：自协商完成 1：自协商完成 0：正在进行自协商；
Bit[2]：连接状态， 1：连接成功 0：连接失败。
PHY特定状态寄存器（PHY Specific Status Register ,Address 0x11），简写为：PHYSR，各个位的说明如下图所示：
图 7.5.13.11 特定状态寄存器
Bit[15:14]：连接速度
11：保留
10：1000Mbps
01：100Mbps
00：10Mbps
1.2 实验任务
本节实验任务是使用领航者ZYNQ开发板上的以太网接口，完成MDIO接口的读写测试实验。板载的触摸按键（TPAD）控制MDIO接口进行软复位，并通过两个LED灯实时指示当前网口的连接速度。
【正点原子FPGA连载】第三十二章 MDIO接口读写测试实验-摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0
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