“FPGA+MDIO总线+UART串口=高效读写PHY芯片寄存器！“（含源代码）
1、概述
前文对88E1518芯片的端口芯片及原理图进行了讲解，对MDIO的时序也做了简单的讲解。本文通过Verilog HDL去实现MDIO，但是88E1518芯片对不同页的寄存器读写需要切换页，无法直接访问寄存器，如果通过代码读写某些固定寄存器的话会比较麻烦。
为了简化调试，所以采用UART串口来控制MDIO的读写，PC端通过UART向FPGA发送读写PHY芯片寄存器的指令，FPGA通过MDIO总线从PHY芯片读取指定寄存器地址的数据后，通过UART将读取的数据发送到PC端的串口助手进行显示。
使用这种方式，以后就可以通过串口读写各种MDIO接口的寄存器了，而不再只是对88E1518单个芯片的调试有效了。
顶层模块的框图如图1所示：
对应的端口信号如表1所示（位宽均为1位）：
| 信号名 | I/O | 含义 |
|---|---|---|
| clk | I | 系统时钟，100MHz |
| rst_n | I | 系统复位，低电平有效 |
| uart_rx | I | 串口接收信号 |
| uart_tx | O | 串口发送引脚 |
| mdc | O | MDIO的时钟信号，最大不能超过12MHz。 |
| mdio | IO | MDIO接口双向数据线 |
参考代码如下所示：
module top #(
parameter MDIO_DATA_W = 16 ,//MDIO数据位宽；
parameter FCLK = 100_000_000 ,//系统时钟频率，默认100MHz；
parameter FCLKMDC = 10_000_000 ,//mdc时钟频率，88e1518最大不能超过12MHz；
parameter PHY_ADDR = 5'b0_0000 ,//PHY芯片的地址，88E1518芯片高四位默认为0，最低位由config引脚状态决定。
parameter BPS = 115200 ,//串口波特率；
parameter UART_DATA_W = 8 ,//串口数据位宽;
parameter CHECK_W = 2'b00 ,//校验位，2'b00代表无校验位，2'b01表示奇校验，2'b10表示偶校验，2'b11按无校验处理。
parameter STOP_W = 2'b01 //停止位，2'b01表示1位停止位，2'b10表示2位停止位，2'b11表示1.5位停止位；
)(
input clk ,//系统时钟信号；
input rst_n ,//系统复位信号，高电平有效；
output mdc ,//mdio的时钟信号；
inout mdio ,//mdio双向数据信号；
output mdio_out_en ,
input uart_rx ,//串口输入信号；
output uart_tx //串口输出信号；
);
wire [UART_DATA_W - 1 : 0] rx_out ;
wire rx_out_vld ;
wire [UART_DATA_W - 1 : 0] tx_data ;
wire tx_data_vld ;
wire tx_rdy ;
wire mdio_rdy ;
wire mdio_start ;
wire mdio_rw_en ;
wire [4 : 0] mdio_addr ;
wire [MDIO_DATA_W - 1 : 0] mdio_wdata ;
wire [MDIO_DATA_W - 1 : 0] mdio_rdata ;
wire mdio_rdata_vld ;
//例化串口接收模块；
uart_rx #(
.FCLK ( FCLK ),//系统时钟频率，默认100MHZ；
.BPS ( BPS ),//串口波特率；
.DATA_W ( UART_DATA_W ),//接收数据位数以及输出数据位宽;
.CHECK_W ( CHECK_W ),//校验位，0代表无校验位；
.STOP_W ( STOP_W ) //1位停止位；
)
u_uart_rx (
.clk ( clk ),//系统工作时钟100MHZ；
.rst_n ( rst_n ),//系统复位信号，低电平有效；
.uart_rx ( uart_rx ),//UART接口输入信号；
.rx_out ( rx_out ),//数据输出信号；
.rx_out_vld ( rx_out_vld ) //数据有效指示信号；
);
//例化串口发送模块；
uart_tx #(
.FCLK ( FCLK ),//系统时钟频率，默认100MHZ；
.BPS ( BPS ),//串口波特率；
.DATA_W ( UART_DATA_W ),//接收数据位数以及输出数据位宽;
.CHECK_W ( CHECK_W ),//校验位，0代表无校验位；
.STOP_W ( STOP_W ) //1位停止位；
)
u_uart_tx (
.clk ( clk ),//系统工作时钟100MHZ；
.rst_n ( rst_n ),//系统复位信号，低电平有效；
.tx_data ( tx_data ),//数据输入信号。
.tx_data_vld ( tx_data_vld ),//数据有效指示信号，高电平有效。
.uart_tx ( uart_tx ),//uart接口数据输出信号。
.tx_rdy ( tx_rdy ) //模块忙闲指示信号；
);
//例化串口数据处理模块；
uart_data_treat #(
.UART_DATA_W ( UART_DATA_W ),//串口数据位宽;
.MDIO_DATA_W ( MDIO_DATA_W ) //MDIO数据位宽；
)
u_uart_data_treat (
.clk ( clk ),//系统工作时钟100MHZ；
.rst_n ( rst_n ),//系统复位信号，低电平有效；
.rx_data ( rx_out ),
.rx_data_vld ( rx_out_vld ),
.tx_rdy ( tx_rdy ),
.mdio_rdata ( mdio_rdata ),
.mdio_rdata_vld ( mdio_rdata_vld ),
.mdio_rdy ( mdio_rdy ),
.tx_data ( tx_data ),
.tx_data_vld ( tx_data_vld ),
.mdio_start ( mdio_start ),
.mdio_rw_en ( mdio_rw_en ),
.mdio_wdata ( mdio_wdata ),
.mdio_addr ( mdio_addr )
);
//例化mdio接口模块；
mdio_drive #(
.DATA_W ( MDIO_DATA_W ),//数据位宽；
.FCLK ( FCLK ),//系统时钟频率，默认100MHz；
.FCLKMDC ( FCLKMDC ),//mdc时钟频率，88e1518最大不能超过12MHz；
.PHY_ADDR ( PHY_ADDR ) //PHY芯片的地址，88E1518芯片高四位默认为0，最低位由config引脚状态决定。
)
u_mdio_drive (
.clk ( clk ),//系统时钟信号；
.rst_n ( rst_n ),//系统复位信号，高电平有效；
.start ( mdio_start ),//开始写入或者读取信号；
.rw_en ( mdio_rw_en ),//读写使能，高电平表示读数据，低电平表示写数据；
.addr_reg ( mdio_addr ),//读写寄存器地址；
.wr_data ( mdio_wdata ),//需要写入的数据；
.mdc ( mdc ),//mdio的时钟信号；
.mdio_out_en ( mdio_out_en ),//mdio三态门使能信号，高电平有效；用于仿真；
.rd_data ( mdio_rdata ),//读出数据；
.rd_data_vld ( mdio_rdata_vld),//读出数据有效指示信号，高电平有效；
.rdy ( mdio_rdy ),//模块忙闲指示信号，高电平表示模块空闲，可以接收上游数据；
.mdio ( mdio ),//mdio双向数据信号；
.rd_ack ( )
);
ila_0 u_ila_0 (
.clk ( clk ),//input wire clk
.probe0 ( mdc ),//input wire [0:0] probe0
.probe1 ( u_mdio_drive.mdio_in ),//input wire [0:0] probe1
.probe2 ( mdio_out_en ),//input wire [0:0] probe2
.probe3 ( u_mdio_drive.state_c ),//input wire [4:0] probe3
.probe4 ( u_mdio_drive.cnt_data ),//input wire [5:0] probe4
.probe5 ( mdio_rdata ),//input wire [15:0] probe5
.probe6 ( mdio_rdata_vld ),//input wire [0:0] probe6
.probe7 ( u_mdio_drive.start ),//input wire [0:0] probe7
.probe8 ( u_mdio_drive.rdy ),//input wire [0:0] probe8
.probe9 ( mdio_wdata ),//input wire [15:0] probe9
.probe10 ( mdio_addr ),//input wire [4:0] probe10
.probe11 ( mdio_rw_en ),//input wire [0:0] probe11
.probe12 ( uart_rx ),//input wire [0:0] probe12
.probe13 ( rx_out ),//input wire [7:0] probe13
.probe14 ( rx_out_vld ),//input wire [0:0] probe14
.probe15 ( tx_data ),//input wire [7:0] probe15
.probe16 ( tx_data_vld ) //input wire [0:0] probe16
);
endmodule
对应的TestBench代码如下：
`timescale 1 ns/1 ns
module test();
parameter CYCLE = 10 ;//系统时钟周期，单位ns，默认10ns；
parameter RST_TIME = 10 ;//系统复位持续时间，默认10个系统时钟周期；
parameter MDIO_DATA_W = 16 ;
parameter FCLK = 100_000_000 ;
parameter FCLKMDC = 10_000_000 ;
parameter PHY_ADDR = 5'b0_0000 ;
parameter BPS = 115200 ;
parameter UART_DATA_W = 8 ;
parameter CHECK_W = 2'b00 ;
parameter STOP_W = 2'b01 ;
localparam BPS_CNT = FCLK/BPS ;//波特率对应时钟数，不用手动修改该参数；
reg clk ;//系统时钟，默认100MHz；
reg rst_n ;//系统复位，默认高电平有效；
reg uart_rx ;
wire uart_tx ;
wire mdc ;
wire mdio ;
wire mdio_out_en ;
reg mdio_out;
assign mdio = (~mdio_out_en) ? mdio_out : 1'bz;
top #(
.MDIO_DATA_W ( MDIO_DATA_W ),
.FCLK ( FCLK ),
.FCLKMDC ( FCLKMDC ),
.PHY_ADDR ( PHY_ADDR ),
.BPS ( BPS ),
.UART_DATA_W ( UART_DATA_W ),
.CHECK_W ( CHECK_W ),
.STOP_W ( STOP_W )
)
u_top (
.clk ( clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.uart_rx ( uart_rx ),
.mdc ( mdc ),
.mdio_out_en ( mdio_out_en ),
.uart_tx ( uart_tx ),
.mdio ( mdio )
);
//生成周期为CYCLE数值的系统时钟;
initial begin
clk = 0;
forever #(CYCLE/2) clk = ~clk;
end
//生成复位信号；
initial begin
rst_n = 1;uart_rx = 0;mdio_out =0;
#1;rst_n = 0;//开始时复位10个时钟；
#(RST_TIME*CYCLE);
rst_n = 1;
mdio_rw_task(1'b1,5'd17,0);//读17号寄存器数据；
mdio_rw_task(1'b0,5'd22,8'd1);//向22号寄存器写入1
repeat(20)begin
mdio_rw_task(1'b1,({$random} % 32),0);//读寄存器数据；
mdio_rw_task(1'b0,({$random} % 32),({$random} % 256));//写寄存器；
end
$stop;//停止仿真；
end
task mdio_rw_task(
input rw_flag ,//mdio读写标志，高电平表示读操作，低电平表示写操作；
input [4 : 0] addr ,//mdio读写寄存器地址信号；
input [MDIO_DATA_W - 1 : 0] wdata //mdio进行写操作时，需要写入的地址；
);
reg rw_flag_r;
begin
rw_flag_r = rw_flag;
uart_rx_task(8'h5a);//首先发送帧头，0x5a
uart_rx_task({7'd0,rw_flag_r});//发送读写操作；
uart_rx_task({3'd0,addr});//发送读写寄存器地址；
if(~rw_flag_r)begin//mdio进行写操作时，需要写入的地址；
uart_rx_task(wdata[15:8]);
uart_rx_task(wdata[7:0]);
end
end
endtask
//模拟串口发送函数，1位起始位，1位停止位，无校验位，8位数据，先发低位；
task uart_rx_task(
input [UART_DATA_W-1:0] data //串口待发送数据；
);
integer i;//用于控制循环次数；
begin
@(posedge clk);//延迟一个时钟后发送起始位；
uart_rx = 1'b0;
repeat(BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟BPS_CNT个时钟；
for(i=0 ; i<8 ; i=i+1)begin
uart_rx = data[i];
repeat(BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟BPS_CNT个时钟；
end
if(CHECK_W == 2'b01)begin
uart_rx = ~(^data);//奇校验时，发送数据；
repeat(BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟BPS_CNT个时钟；
end
else if(CHECK_W == 2'b10)begin
uart_rx = (^data);//偶校验时，发送数据；
repeat(BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟BPS_CNT个时钟；
end
@(posedge clk);//延迟一个时钟后发送停止位；
uart_rx = 1'b1;
if(STOP_W == 2'b01)//1位停止位；
repeat(BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟BPS_CNT个时钟；
else if(STOP_W == 2'b10)//2位停止位；
repeat(2*BPS_CNT) @(posedge clk);//延迟2*BPS_CNT个时钟；
else if(STOP_W == 2'b11)//1.5位停止位；
repeat(BPS_CNT*3/2) @(posedge clk);//延迟1.5*BPS_CNT个时钟；
end
endtask
endmodule
2、串口数据处理模块
至于uart串口接收模块和uart串口发送模块，前文已经对UART全模式接收和发送的代码设计进行过详细讲解，不在赘述。
uart_rx模块接收数据后，需要对数据进行判断，确定对应的数据是对寄存器进行读操作还是写操作，以及是接收的数据是地址还是寄存器的数据？读操作只需要发送读指示信号和寄存器地址即可，而写还需要发送写入HPY芯片内部寄存器的16位数据，所以读写不同，串口发送的数据长度用过也不同。
因此此处规定一下PC端UART发送数据的格式，没发送一次完整的读写操作码及数据称为一帧数据。帧的起始位为8’h5A，FPGA检测到PC端发了8’h5A，表示后面的数据就是对PHY芯片进行读写的操作码和数据。
帧起始后面跟1字节的读写指示信号，第0位为高电平表示进行读操作，低电平表示对PHY内部寄存器进行写操作，其余7位数据无效。
之后PC端发送需要读写PHY芯片的寄存器地址，由于PHY芯片的寄存器地址为5位，所以发送的地址数据只有低5位有效，高3位无效。
如果是读取PHY芯片内部寄存器数据，那么到此结束，等待数据返回即可。如果是要写入数据到PHY芯片内部寄存器，那么还需要发送两字节的写入数据，先发送需要写入数据的高8位，后发送低8位数据。
上述就是我们自己为了方便设置的通信格式，实际上可以简化，可以把读写方式跟寄存器地址合并为1字节数。帧起始码也可以去掉，根据第一字节某些无效位进行判断，但是为了更加直观的查看数据，就不进行简化了。读写PHY芯片寄存器的串口助手指令格式如下所示：
上面都是对该协议的讲述，本模块就是来对该协议进行解析，并且把MDIO驱动模块从PHY芯片指定寄存器地址读取的数据输出到串口发送模块，将读取的数据最终发送到电脑的串口调试助手上。
该模块的端口信号如表2所示：
| 信号名 | 位宽 | IO | 含义 |
|---|---|---|---|
| clk | 1 | I | 系统时钟，100MHz。 |
| rst_n | 1 | I | 系统复位，低电平有效。 |
| Rx_out | 8 | I | 串口接收数据。 |
| Rx_out_vld | 1 | I | 串口接收数据有效指示信号。 |
| Tx_data | 8 | O | 串口需要发送的数据 |
| Tx_data_vld | 1 | O | 串口发送数据有效指示信号。 |
| Tx_rdy | 1 | I | 串口发送模块空闲指示信号。 |
| Start | O | 1 | 开始读写PHY寄存器，高电平有效。 |
| rw_en | O | 1 | 高电平表示读取PHY内部寄存器数据，低电平表示往PHY内部寄存器写入数据。 |
| Addr | O | 5 | 读写寄存器地址。 |
| Wdata | O | 16 | 需要写入PHY寄存器的数据。 |
| Rdata | I | 16 | 从PHY内部寄存器读出的数据。 |
| Rdata_vld | I | 1 | 读出的数据有效指示信号。 |
| Mdio_rdy | I | 1 | MDIO驱动模块空闲指示信号，高电平有效。 |
该模块的代码比较简单，此处做简单介绍，模块内部代码分为两部分，一部分对接收到PC端发送的UART数据进行检测，检测到帧头8’h5A后，就启用一个计数器对后面接收的串口数据进行计数，第2字节的最低位能够表示此次进行读操作还是写操作，将最低位作为rw_en信号输出，计数器的长度也与该位数据取值有关，高电平表示读操作，那这一帧数据除去帧头就2字节，此时计数器最大值应该为2-1，低电平表示写操作，除去帧头应该有4字节数据，那么计数器的最大值应该是4-1。
然后就是接收第3字节数据的低5位数据作为PHY芯片寄存器地址，如果是读操作，此时就应该拉高start。如果是写操作，还需要接收2字节数据作为wdata输出，才能拉高start信号。但实际上start信号还与MDIO驱动模块是否空闲有关，如果此时MDIO处于工作状态，则等MDIO驱动模块空闲后在拉高start信号。
本模块的另一部分功能就是将MDIO驱动模块从PHY内部寄存器读出的16位数据发送转换成串口发送模块的8位数据，然后传输给电脑。这部分比较简单，因为串口模块需要发送指令，驱动模块才会进行读操作，所以MDIO驱动模块读出数据是有限的，而且PC发送指令到MDIO驱动模块读出数据所需要的时间大于把MDIO读出数据通过串口发送到PC的时间，所以就不会存在数据丢失，不需要使用FIFO、RAM等存储结构暂存读出的数据。
当接收到MDIO读取的数据，并且串口发送模块空闲时，先把读取数据的高8位发送，发送完成后在发送低8位数据。这里会用到一个计数器来记录本次发送的是高位数据还是低位数据。
总体思路就是这样，参考代码如下所示：
module uart_data_treat #(
parameter UART_DATA_W = 8 ,//uart传输数据位宽；
parameter MDIO_DATA_W = 16 //mdio读写数据位宽；
)(
input clk ,//系统时钟信号；
input rst_n ,//系统复位信号，低电平有效；
input [UART_DATA_W - 1 : 0] rx_data ,//uart接收到的数据；
input rx_data_vld ,//uart接收到的数据有效指示信号，高电平有效；
input tx_rdy ,//uart发送模块空闲指示信号，高电平有效；
output reg [UART_DATA_W - 1 : 0] tx_data ,//uart需要发送的数据；
output reg tx_data_vld ,//uart需要发送数据有效指示信号，高电平有效；
input [MDIO_DATA_W - 1 : 0] mdio_rdata ,//mdio读取的数据；
input mdio_rdata_vld ,//mdio读取的数据有效指示信号，高电平有效；
input mdio_rdy ,//mdio接口模块空闲指示信号，高电平有效；
output reg mdio_start ,//mdio开始进行读写操作信号；
output reg mdio_rw_en ,//mdio接口模块执行读写操作，高电平表示读操作，低电平表示写操作；
output reg [MDIO_DATA_W - 1 : 0] mdio_wdata ,//mdio在写操作时写入寄存器的数据；
output reg [4 : 0] mdio_addr //mdio读写寄存器的地址；
);
reg rx_done ;//
reg uart_rx_flag ;//
reg [1 : 0] cnt_rx ;//
reg [2 : 0] cnt_rx_num ;
reg [MDIO_DATA_W - 1 : 0] mdio_rdata_r ;//
reg uart_tx_flag ;//
reg cnt_tx ;//
wire add_cnt_tx ;
wire end_cnt_tx ;
wire add_cnt_rx ;
wire end_cnt_rx ;
/************* 处理FPGA通过接收到PC端产生的数据开始 ****************/
//规定一下串口数据的格式，首先得有个帧头8‘h5a，然后需要发送读写寄存器的地址和读写操作，
//第二字节的最低位表示读写操作，高电平表示mdio读操作，低电平表示mdio进行写操作。
//同时可以根据该位判断该帧数据长度，如果是读操作，则后面只有1字节的寄存器地址，如果是写操作，则地址后面应该还有2字节写数据；
//第三字节的低5位表示读写寄存器的地址，高三位无效，可随意设置；
//如果是读操作，则没有其余操作了，等待后文模块将读出数据通过串口发送到PC即可。
//如果是写操作，还需要接收2字节的写数据，之后才能产生start信号。
//标志信号，初始值为0，当检测到帧头8'h5a时拉高，当接收完一帧数据时拉低；
//该操作表示，如果PC串口发送数据过快，则只接收最开时接收到的一帧数据，发送完成后在接收其余数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
uart_rx_flag <= 1'b0;
end
else if(end_cnt_rx)begin//接收完一帧数据；
uart_rx_flag <= 1'b0;
end//当接收到数据帧头且没有已经接收但没有发出的数据时拉高；
else if(rx_data_vld && (rx_data == 8'h5a) && (~rx_done))begin
uart_rx_flag <= 1'b1;
end
end
//接收数据寄存器，当uart_rx_flag信号拉高后接收到有效数据时加一。
//注意帧头并不会被计数器计数，所以在计算计数器接收数据个数时不包括帧头。
//当把读写操作、读写地址、写数据接收完成时清零。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt_rx <= 0;
end
else if(add_cnt_rx)begin
if(end_cnt_rx)
cnt_rx <= 0;
else
cnt_rx <= cnt_rx + 1;
end
end
assign add_cnt_rx = uart_rx_flag && rx_data_vld;//当uart_rx_flag信号有效且接收数据有效时拉高；
assign end_cnt_rx = add_cnt_rx && cnt_rx == cnt_rx_num - 1;//当接收到指定个有效数据时拉高，表示接收数据完成。
//根据读写操作判断计数器的长度，从而实现接收数据的长度变化。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为4;
cnt_rx_num <= 3'd4;
end
else if(cnt_rx==0 && add_cnt_rx)begin
if(~rx_data[0])//当接收到的表示进行写操作时，表示总共需要接收4字节数据。
cnt_rx_num <= 3'd4;
else//否则表示接收的是读操作的数据，则只需要接收2字节数据；
cnt_rx_num <= 3'd2;
end
end
//mdio进行读写操作的指示信号，高电平表示读。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdio_rw_en <= 1'b0;
end//接收到的第一字节最低位数据。
else if(cnt_rx==0 && add_cnt_rx)begin
mdio_rw_en <= rx_data[0];
end
end
//mdio读写操作的寄存器地址。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdio_addr <= 5'd0;
end//接收到的第二字节数据低5位是读写寄存器地址。
else if(cnt_rx==1 && add_cnt_rx)begin
mdio_addr <= rx_data[4:0];
end
end
//将串口发送的2字节数据进行拼接，作为mdio的写数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdio_wdata <= 16'd0;
end
else if(add_cnt_rx)begin
if(cnt_rx==2)//串口先发高八位数据；
mdio_wdata <= {rx_data , mdio_wdata[7:0]};
else if(cnt_rx==3)//再发低八位数据；
mdio_wdata <= {mdio_wdata[15:8] , rx_data};
end
end
//接收串口一帧数据的指示信号。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
rx_done <= 1'b0;
end
else if(mdio_start)begin//当mdio模块将接收到的数据发送，所以拉低；
rx_done <= 1'b0;
end
else if(end_cnt_rx)begin//当
rx_done <= 1'b1;
end
end
//mdio读写寄存器的开始信号，当mdio发送数据模块空闲且接收到串口发送的完整数据时拉高，其余时间拉低。
always@(posedge clk)begin
if(rx_done && mdio_rdy)begin
mdio_start <= 1'b1;
end
else begin
mdio_start <= 1'b0;
end
end
/************* 处理FPGA通过接收到PC端产生的数据结束 ****************/
/************** 把mdio读取数据通过串口发送给PC开始 *****************/
//由于mdio每次最多读取2字节数据，且每次读取数据都需要PC端先通过串口设置读写指令及读写寄存器地址，还有帧头数据。
//所以串口发送和接收波特率相同的情况下，FPGA给PC端发送数据时比较空闲的，数据比较少，不需要用FIFO之类的做缓冲。
//直接使用寄存器暂存即可，不会丢失mdio读出的数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdio_rdata_r <= {{MDIO_DATA_W}{1'b0}};
end//当mdio读出数据有效且没有未发送数据时将数据暂存；
else if(mdio_rdata_vld && ~uart_tx_flag)begin
mdio_rdata_r <= mdio_rdata;
end
end
//有未发送数据指示信号，初始值为0，当mdio读取有效数据时拉高。
//当接收的数据发送完成时拉低。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
uart_tx_flag <= 1'b0;
end
else if(end_cnt_tx)begin
uart_tx_flag <= 1'b0;
end
else if(mdio_rdata_vld)begin
uart_tx_flag <= 1'b1;
end
end
//发送数据字节数计数器，初始值为0，当有未发送数据且下游串口发送模块空闲时加一。
//当发送完mdio读取的2字节数据时清零。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt_tx <= 0;
end
else if(add_cnt_tx)begin
if(end_cnt_tx)
cnt_tx <= 0;
else
cnt_tx <= cnt_tx + 1;
end
end
assign add_cnt_tx = uart_tx_flag && tx_rdy;//当有未发送数据且串口发送模块空闲时拉高。
assign end_cnt_tx = add_cnt_tx && cnt_tx == 2 - 1;//当发送完2字节数据时拉高；
//串口发送数据，先发送高八位数据，后发送低8位数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
tx_data <= {{UART_DATA_W}{1'b0}};
end
else if(add_cnt_tx)begin
if(cnt_tx==0)//先发送高八位数据；
tx_data <= mdio_rdata_r[15:8];
else//后发送低8位数据；
tx_data <= mdio_rdata_r[7:0];
end
end
//生成串口发送数据有效指示信号，当发送数据时拉高，其余时间拉低。
always@(posedge clk)begin
if(add_cnt_tx)begin//初始值为0;
tx_data_vld <= 1'b1;
end
else begin
tx_data_vld <= 1'b0;
end
end
/************** 把mdio读取数据通过串口发送给PC结束 *****************/
endmodule
该模块的仿真结果如下所示，当接收到PC端发送的帧头8’h5A后，计数器开始工作，对后续数据进行解析。
上图检测到帧头8’h5A，然后下一字节数据最低位为0表示写指令，此时需要接收4字节数据，cnt_rx_num则赋值为4，然后依次接收寄存器地址和数据，最后将接收数据结尾的仿真截图放大，得到图4。
下图是PC端发送读寄存器指令的时序，首先检测到帧头8’h5A，下一字节的最低位为1，表示进行读操作，除去帧头只有2字节数据，所以计数器的最大值cnt_rx_num为2。
将开始部分放大后如下图所示，
结束部分的时序如下图所示，计数器和标志信号这些都要清零处理，将start信号拉高一个时钟周期。
另一部分的仿真功能此处没有做过多处理，因为MDIO从机的程序并没有进行编写，所以仿真时返回的数据始终为0，所以这部分仿真看起来比较简单，如下图所示：
当从PHY芯片的寄存器读取到数据mdio_rdata_vld拉高，并且串口发送模块空闲（tx_rdy为高电平）时，将flag信号拉高，并且把mdio_rdata的高8位数据输出给串口发送模块进行发送，将tx_data_vld拉高一个时钟周期。开始传输数据的细节如下图所示：
由于发送的数据始终为0，所以上述仿真可能不是很直观，有兴趣的后续可以通过ILA直接抓取该模块的信号，那样更加简单，不必写MDIO的从机，或者可以对此模块单独仿真。
3、MDIO驱动模块
MDIO接口的时序在前文讲解88E1518芯片时已经讲解过了，读写时序如下图所示，所以本文就不再赘述。
本模块的端口信号如下表3所示：
| 信号名 | 位宽 | IO | 含义 |
|---|---|---|---|
| clk | 1 | I | 系统时钟，100MHz。 |
| rst_n | 1 | I | 系统复位，低电平有效。 |
| start | I | 1 | 开始读写PHY寄存器，高电平有效。 |
| rw_en | I | 1 | 高电平表示读取PHY内部寄存器数据，低电平表示往PHY内部寄存器写入数据。 |
| addr | I | 5 | 读写寄存器地址。 |
| wdata | I | 16 | 需要写入PHY寄存器的数据。 |
| rdata | O | 16 | 从PHY内部寄存器读出的数据。 |
| rdata_vld | O | 1 | 读出的数据有效指示信号。 |
| mdio_rdy | O | 1 | MDIO驱动模块空闲指示信号，高电平有效。 |
| mdc | O | 1 | MDIO接口的时钟信号，最大不超过12MHz。 |
| mdio | IO | 1 | MDIO双向数据线。 |
通过图5的读写时序图，使用状态机会比较简单，其实使用计数器位主架构会更加简单。本文使用状态机，总共划分为5个状态，如图12所示，空闲状态时没有读写操作，此时rdy信号为高电平。本模块需要生成MDC时钟信号，系统时钟100MHz，MDC采用10MHz，便于分频实现。
在检测到上游模块的开始读写寄存器信号start为高电平，并且MDC下降沿到来时，状态机由空闲状态跳转到START状态，该状态会发送32位前导码，2位起始位，2位读写指示信号，5位PHY地址，5位寄存器地址，不管进行读操作还是写操作，都需要进行发送这些数据，所以将这些数据全部归为START状态，简化状态机。
发送完寄存器地址后，跳转到TA状态，如果是写操作，发送2位数据10，如果是读操作，则释放总线。之后根据读写操作，分别跳转到读数据和写数据状态。数据在MDC下降沿进行输出或读取，此处通过分频计数器的值来判断MDC的下降沿和上升沿，最好不要把MDC作为触发器的时钟信号，FPGA尽量全部使用同步时钟信号。
在读数据或者写数据状态时，代码中并不只是停留了16个时钟，而是24个时钟，原因在于图5每次进行读写数据后，都会回到空闲状态，间隔了8个时钟周期。为了保险就将这段时间合并在读写寄存器数据的状态了，只不过后面8个时钟周期直接释放总线，达到相同效果。
上述就是状态机的跳转，当然还需要一个计数器用来计数MDC的时钟个数，用作状态机跳转的判断依据，以及记录发送的数据个数，当状态机不在空闲状态且分频计数器计数结束时，该计数器就加1，状态机处于不同状态，这个计数器的最大值不一样。所以需要另一个信号来记录计数器的最大值。
注意写数据时先写高位，读数据时也是先读取高位数据，代码的总体思路就是这样了，当然还有些暂存寄存器地址，读写指示信号等，这些可以自行研究。对应的参考代码如下所示：
module mdio_drive #(
parameter DATA_W = 16 ,//数据位宽；
parameter FCLK = 100_000_000 ,//系统时钟频率，默认100MHz；
parameter FCLKMDC = 10_000_000 ,//mdc时钟频率，88e1518最大不能超过12MHz；
parameter PHY_ADDR = 5'b0_0000 //PHY芯片的地址，88E1518芯片高四位默认为0，最低位由config引脚状态决定。
)(
input clk ,//系统时钟信号；
input rst_n ,//系统复位信号，高电平有效；
output reg mdc ,//mdio的时钟信号；
inout mdio ,//mdio双向数据信号；
output reg mdio_out_en ,//mdio三态门使能信号，高电平有效；用于仿真；
input start ,//开始写入或者读取信号；
input rw_en ,//读写使能，高电平表示读数据，低电平表示写数据；
input [4 : 0] addr_reg ,//读写寄存器地址；
input [DATA_W - 1 : 0] wr_data ,//需要写入的数据；
output reg [DATA_W - 1 : 0] rd_data ,//读出数据；
output reg rd_data_vld ,//读出数据有效指示信号，高电平有效；
output reg rdy ,//模块忙闲指示信号，高电平表示模块空闲，可以接收上游数据；
output reg rd_ack //读应答，高电平表示PHY芯片应答了读操作，本设计并未使用。
);
//处理计数器的参数；
localparam DIV_NUM = FCLK / FCLKMDC ;//分频系数；
localparam DIV_NUM_W = clogb2(DIV_NUM-1) ;//分频计数器位宽计算，该计数器只会计数到最大值减一；
//状态机的状态定义；
localparam IDLE = 5'b00001 ;//空闲状态；
localparam ADDR = 5'b00010 ;//发送前导码，地址，读写方式的状态；
localparam TA = 5'b00100 ;//根据读写转换总线状态；
localparam WR_DATA = 5'b01000 ;//写数据状态；
localparam RD_DATA = 5'b10000 ;//读数据状态；
reg mdio_out ;//mdio输出数据；
//reg mdio_out_en ;//mdio三态门使能信号，高电平有效；
reg start_r ;//将开始信号暂时保存，与mdc信号对齐；
reg rw_en_r ;//将读写指示信号暂存；
reg [15 : 0] wr_data_r ;//将写数据暂存；
reg [4 : 0] state_n ;//状态机的次态；
reg [4 : 0] state_c ;//状态机的现态；
reg [45 : 0] start_addr ;//将32位前导码，2位起始位，2位读写指示位，5位PHY地址，5位寄存器地址拼接；
reg [5 : 0] cnt_data_num ;//计数器cnt_data在不同状态下需要发送或读取数据的个数；
reg [DIV_NUM_W - 1 : 0] cnt_div ;//分频计数器，用于生成mdc时钟；
reg [5 : 0] cnt_data ;//用于计数状态机不再空闲状态下发送的数据位数；
wire add_cnt_data ;
wire end_cnt_data ;
wire end_cnt_div ;
wire mdio_in ;
wire idl2addr_start ;
wire addr2ta_start ;
wire ta2wr_start ;
wire ta2rd_start ;
wire wr2idl_start ;
wire rd2idl_start ;
//mdio的三态接口；
assign mdio = mdio_out_en ? mdio_out : 1'bz;
assign mdio_in = mdio;
//自动计算位宽函数；
function integer clogb2(input integer depth);begin
if(depth == 0)
clogb2 = 1;
else if(depth != 0)
for(clogb2=0 ; depth>0 ; clogb2=clogb2+1)
depth=depth >> 1;
end
endfunction
//分频计数器，计数到分频系数减一清零；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt_div <= 0;
end
else if(end_cnt_div)
cnt_div <= 0;
else
cnt_div <= cnt_div + 1;
end
//分频计数器结束条件，计数到分频系数减一时清零；
assign end_cnt_div = cnt_div == DIV_NUM - 1;
//MDIO的时钟信号，当分频计数器计数结束时拉低，计数到一半时拉高；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdc <= 1'b0;
end
else if(cnt_div == DIV_NUM - 1)begin
mdc <= 1'b0;
end
else if(cnt_div == DIV_NUM/2 - 1)begin
mdc <= 1'b1;
end
end
//把开始读写信号暂存，为了mdio的数据与mdc时钟对齐；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
start_r <= 1'b0;
end
else if(start)begin
start_r <= 1'b1;
end
else if(end_cnt_div)begin
start_r <= 1'b0;
end
end
//将读写指示信号、写数据暂存，状态机不在空闲时，外部输入数据无效；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
rw_en_r <= 1'b0;
wr_data_r <= 16'd0;
end
else if(start && state_c == IDLE)begin
rw_en_r <= rw_en;
wr_data_r <= wr_data;
end
end
//The first section: synchronous timing always module, formatted to describe the transfer of the secondary register to the live register ?
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin
state_c <= IDLE;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
//The second paragraph: The combinational logic always module describes the state transition condition judgment.
always@(*)begin
case(state_c)
IDLE:begin
if(idl2addr_start)begin
state_n = ADDR;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
ADDR:begin
if(addr2ta_start)begin
state_n = TA;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
TA:begin
if(ta2wr_start)begin
state_n = WR_DATA;
end
else if(ta2rd_start)begin
state_n = RD_DATA;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
WR_DATA:begin
if(wr2idl_start)begin
state_n = IDLE;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
RD_DATA:begin
if(rd2idl_start)begin
state_n = IDLE;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
default:begin
state_n = IDLE;
end
endcase
end
// Third paragraph: Design transfer conditions;
assign idl2addr_start = state_c==IDLE && start_r && end_cnt_div;//状态机处于空闲状态，接收到上游模块发送的开始信号且分频计数器计数结束；
assign addr2ta_start = state_c==ADDR && end_cnt_data;//处于发送地址，前导码状态，且数据发送完成（计数器cnt_data计数结束）；
assign ta2wr_start = state_c==TA && end_cnt_data && (~rw_en_r);//处于TA状态，且经过固定时钟周期后，如果进行写操作，则跳转到写数据阶段；
assign ta2rd_start = state_c==TA && end_cnt_data && rw_en_r;//处于TA状态，且经过固定时钟周期后，如果进行读操作，则跳转到读数据阶段；
assign wr2idl_start = state_c==WR_DATA && end_cnt_data;//处于写数据状态，且写完所有数据；
assign rd2idl_start = state_c==RD_DATA && end_cnt_data;//处于读数据状态，且读完所有数据；
//cnt_data计数器，用来计数状态机不处于空闲状态时，在各个状态下发送的数据个数；
//初始值为0，当状态机不处于空闲状态且分频计数器计数结束时加1。
//当计数器计数到cnt_data_num-1时表示该状态的数据已经写入或读取完成，此时计数器清零；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt_data <= 0;
end
else if(add_cnt_data)begin
if(end_cnt_data)
cnt_data <= 0;
else
cnt_data <= cnt_data + 1;
end
end
assign add_cnt_data = ((state_c != IDLE) && end_cnt_div);
assign end_cnt_data = add_cnt_data && cnt_data == cnt_data_num - 1;
//状态机各个状态需要发送数据或者读取数据的个数；
always@(posedge clk)begin
if(state_c == TA)begin//此处最多需要发送2位数据；
cnt_data_num <= 6'd2;
end
else if(state_c == WR_DATA || state_c == RD_DATA)begin//读取或者写入的数据都是16位,但是手册里让每次数据发送完成和接收完成后，需要释放总线一段时间才能进行下次读写，所以在这个阶段多加几个时钟周期。
cnt_data_num <= 6'd25;
end
else begin//在ADDR状态下，需要发送32位前导码，2位起始位，2位读写指示位，5位PHY地址，5位寄存器地址；
cnt_data_num <= 32+2+2+5+5;
end
end
//当状态机处于空闲状态且开始信号有效时，将状态机需要在ADDR状态发送的数据拼接；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值全为高电平；
start_addr <= 46'h3fff_ffff_ffff;
end
else if(start && state_c == IDLE)begin//状态机在空闲状态下，检测到开始发送信号时，将前导码，起始位，读写状态，PHY地址，寄存器地址拼接。
start_addr <= {32'hffff_ffff,2'b01,{rw_en,~rw_en},PHY_ADDR,addr_reg};
end
end
//输出mdio的数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
mdio_out <= 1'b0;
end
else if(state_c == ADDR)begin//输出前导码，地址等数据；
mdio_out <= start_addr[45 - cnt_data];
end
else if(state_c == TA)begin//此过程输出2'b10，读的时候将三态使能信号拉低即可释放总线，与数据线状态无关，所以不会影响。
if(cnt_data == 0)
mdio_out <= 1'b1;
else
mdio_out <= 1'b0;
end
else if(state_c == WR_DATA && (cnt_data < 16))begin//写状态时，将16位数据输出，先输出高位数据；
mdio_out <= wr_data_r[15 - cnt_data];
end
end
//三态门使能信号；
always@(posedge clk)begin//当状态机处于ADDR 或者 写数据 或者 TA状态且写有效时将三态门使能；
if(state_c == ADDR || (state_c == WR_DATA && (cnt_data < 16)) || (state_c == TA && ~rw_en_r))begin
mdio_out_en <= 1'b1;
end
else begin//其余时间三态门使能关闭，释放总线；
mdio_out_en <= 1'b0;
end
end
//读应答，只有在TA阶段，MDC下降沿当数据线被PHY芯片拉低时，表示PHY芯片应答了，此时将应答标志拉高，其余时间均为低电平；
always@(posedge clk)begin
if(state_c == TA && rw_en_r && (cnt_div == DIV_NUM - 1))begin
rd_ack <= ~mdio_in;
end
else begin
rd_ack <= 1'b0;
end
end
//读取采集到的数据；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
rd_data <= 16'd0;
end//状态机处于读取状态时，在分频时钟上升沿沿读取数据，先读取高位数据；
else if(state_n == RD_DATA && (cnt_div == DIV_NUM/2 - 1) && (cnt_data < 16))begin
rd_data[15 - cnt_data] <= mdio_in;
end
end
//生成读取数据有效指示信号；
always@(posedge clk)begin//当读取完所有数据时，输出有效指示信号拉高，其余时间拉低；
rd_data_vld <= ((state_c == RD_DATA) && (cnt_data == 15) && (cnt_div == DIV_NUM/2 - 1));
end
//忙闲指示信号，
always@(*)begin
if(start || start_r || (state_c != IDLE))
rdy = 1'd0;
else
rdy = 1'b1;
end
endmodule
该模块的仿真读寄存器的整体时序如下图所示：
放大后如图14所示，首先前导码输出32个高电平。
然后依次发送2为起始位，2为读指示信号，5位PHY地址（本次使用88E1518的PHY地址设置为5’d0和5’d1，由硬件电路决定），5位寄存器地址，然后释放总线，mdio_out_en是三态门的使能信号，低电平表示释放总线。之后经过在16个MDC时钟的下降沿读取mdio数据线上的信号，读取完毕后将rdata_vld拉高，表示读取数据有效。
写寄存器的总体仿真时序如下图所示：
起始时序如下图所示：
前导码发送之后的时序如下图所示，当数据发送完毕后把总线释放。
4、上板测试
为了查看MDIO接口时序，所以在顶层文件中加入了一个ILA模块，用来抓取需要查看的一些信号，便于调试。然后开发板插上千兆网线，串口数据线，下载器，最后打开电源下载程序，如下所示。
串口助手读写PHY寄存器
程序下载完成后，查看电脑上此时网口的传输速率，在搜索栏中搜索“查看网络连接”，如下图所示。
如下图所示，如果将电脑通过网线与开发板的网口连接，则会出现以太网字样，选中后鼠标右键，点击状态。
如果电脑网卡速率大于等于1Gbps，那么此时会如下图显示一致，使用1Gbps进行传输，因为此时PC和FPGA的PHY芯片的通信速率是通过自动协商完成的，所以会选择都支持的最高通信速率。
PC端的最大通信速率可以手动修改，如图所示，鼠标右击以太网，选中属性。
然后点击配置，如下图所示：
如下图所示，选择高级，然后下拉点击连接速度和双工模式，之后可以发现默认是自动侦测，此时我们手动修改位100Mbps 全双工。
之后在查看以太网的通信速率，结果如图所示，此时就是100Mbps 全双工通信模式了。
这是PC端进行修改，本文需要实现FPGA通过修改内部寄存器实现以太通信速率的修改，所以先将PC端修改回自动侦测，然后我们通过配置PHY芯片寄存器达到修改通信速率的效果。
首先打开串口调试助手，将波特率设置为115200（代码中默认设置的115200，使用其他波特率需要修改顶层文件的波特率数值），将数据位设置为8位，起始位1位，无校验位，1位停止位，接收和发送的数据均以16进制数据进行显示，设置如下图所示：
首先将ILA的start位高电平作为触发条件，然后通过串口调试助手发送读取指令，首先读取17_0号寄存器的数据，通过bit15和bit14判断当前PHY工作速率，如下图所示，发送帧头5A，然后读指示数据01，然后跟读取寄存器地址，17的16进制为11。发送指令后，上面会返回读取到该寄存器的数据为16‘hAC48，bit15:14为2’b10，则表示此时的通信速率为1000Mbps，bit13为高电平表示全双工模式。
此时可以通过PC端查看，也为1Gbps传输速率，然后查看ILA触发的波形时序，如下图所示，FPGA释放MDIO总线后，MDIO总线会被上拉电阻拉高，然后下个时钟会被PHY芯片拉低，然后就在MDC时钟上升沿输出对应寄存器的数据，FPGA接收到的数据也是16’hAC48，与串口助手返回的数据一致。
所以PHY芯片默认会使用1000Mbps全双工模式进行通信，然后我们要修改PHY芯片通信模式，则需要将PHY芯片的自动协商关闭(0_0.12写入0)，此时将通信速率更改为10Mbps，则0_0.13和0_0.6均写入0。并且使用半双工模式，那么0_0.8写入0，想要0_0.13和0_0.6，0_0.8写入生效，就必须在0_0.15或者0_0.9写入1，此处在0_0.9写入1重启自动协商，所以需要写入的数据是16’h0200，串口助手发送写指令的格式如下所示。
向0号寄存器吸入16’h0200，ILA抓取的时序如下所示：
上述时序图可能太小，将图放大，如下面两图所示：
然后继续读取17_0.15:13寄存器，查看PHY芯片此时的通信速率，以及工作模式，读取的数据如下图所示，返回数据为16’h0C08，表明此时PHY芯片以10Mbps半双工模式进行通信，表示写入0_0寄存器的数据有效。
此时查看PC端以太网的通信速率如下图所示，也为10Mbps的通信速率，因此也可以判断数据的正确性。
注意在设置0_0寄存器时，需要重点关注自动协商是否被关闭，如果没有关闭自动协商，对PHY通信速率设置是不会起作用的。
综上所述，本文通过串口调试助手间接读写PHY芯片内部的寄存器，这种方式对于开始了解一个接口时非常有效，可以对你的猜想快速进行验证，可以对内部任何寄存器进行读写操作，只需要通过串口助手修改发送的数据和地址即可，不需要对代码做出任何调整。
本文也是对MDIO的时序以及实现做了充分验证，由兴趣的可以读取其他页寄存器数据验证换页的操作，只需要提前向22号寄存器写入对应页即可跳转到指定页。工程文件可以在公众号后台回复“FPGA实现MDIO控制器”（不含引号）即可。
对了，放一个我刚开始读写这些寄存器的视频，由于开始没注意自动协商，怎么改寄存器都达不到效果，浪费了一些时间。
串口助手调试PHY芯片