揭秘88E1518以太网芯片：比RTL8211更麻烦，配置多一步”

  本文通过讲解88e1518以太网芯片，该芯片会比RTL8211之类的麻烦那么一点，具体体现在内部寄存器的配置，会多一个步骤。

1、芯片引脚

  88E151X这个系列包含几种芯片，本文只讲解88E1518，其余芯片差不太多，存在细微区别。拿到一颗芯片，首先应该了解其管脚，因为我们只有给芯片的输入管脚提供正确的数据才能驱动芯片，同理输出管脚才能输出想要得到的数据。88E1510和88E1518这两颗芯片的封装相同，如图1所示，该芯片是包含48个引脚的QFN封装。

图1 88E1510或88E1518芯片

  其中（MDIP[0]和MDIN[0]）、（MDIP[1]和MDIN[1]）、（MDIP[2]和MDIN[2]）、（MDIP[3]和MDIN[3]）是与RJ45座子连接的四组物理差分线，对应原理图上如下图所示：

图2 物理差分线原理图

  该芯片只有RGMII接口与MAC传输数据，根据前文，RGMII接口包含TX_CLK、TX_CTL、TX_DATA[3:0]、RX_CLK、RX_CTL、RX_DATA[3:0]等12个端口。

  然后就是用于配置88E1518的MDIO端口，包含时钟信号MDC，和双向数据信号MDIO。注意MDC最大不能超过12MHz，MDIO需要一个1.5KΩ~10KΩ的上拉电阻。图2原理图中MDIO管脚使用4.7KΩ电阻上拉到1.8V电源电压。

  有三个LED信号，LED[2]可以被用作中断信号，但是FPGA不需要中断信号，一般ARM才会使用，所以图2该引脚悬空。LED[1]和LED[0]与RJ45座子对应信号连接，可以通过配置芯片内部寄存器，让这两个灯对一些状态进行指示。

  然后就是config引脚，这个引脚被用来设置PHY的地址，一个MDIO总线上可以挂载多个PHY芯片，通过PHY芯片的地址进行区分，PHY芯片的地址有5位，但是88E1518芯片的高四位地址恒定为0，最低位由芯片硬复位后config引脚状态决定，所以一根MDIO总线最多挂载两颗88E1518芯片，PHY地址最低位与config状态一致。

  这张底板的MDIO挂载两路88E1518芯片，一片config引脚接地，一片接电源电压，如图3所示。

图3 两片PHY芯片地址引脚

  Config引脚还有个设置VDDO支持电平的功能，如果该引脚硬复位(RESETn无效)后，出现上升沿或者下降沿，则VDDO支持1.8V或2.5V电平，如果一直保持不变，则VDDO支持1.8V和3.3V电平。

  CLK125是芯片内部输出的一个参考时钟，一般会使用外部的晶振时钟作为参考时钟信号，所以该引脚一般不会被使用，悬空即可。

  XTAL_IN和XTAL_OUT是与外部晶振连接，使用外部参考时钟时使用，接无源晶振时，两个引脚都要使用，如果连接有源晶振，则从XTAL_IN输入25MHz时钟信号，XTAL_OUT必须悬空，不能接地或者接电源。

  RESETn是硬件复位信号，低电平有效，正常工作时位高电平。

  RSET是电压源基准管脚，通过外部4.99 kΩ 1%电阻连接到地。

  HSDACN和HSDACP是测试引脚，正常工作时不会使用，所以一般悬空处理即可。

  至此就已经介绍了33个端口信号了，剩下的管脚均与供电电源相关，根据手册上的说明连接即可，是不是也比较简单。

  最后要注意，该芯片底部还有一个大焊盘，这个大焊盘必须接地， 在设计PCB电路是需要特别注意。

  该芯片的内部功能如图4所示，左侧是与RJ45连接的4对差分信号，右侧是与MAC进行通信的RGMII接口，下面是时钟、复位、测试、配置、LED、参考电压等模块。因为左侧RGMII接口传输的是数字信号，而右侧与RJ45传输的是模拟信号，所以内部存在ADC和DAC的结构。外部提供25MHz参考时钟，该芯片能够实现10Mbps、100Mbps、1000Mbps速率，就会存在锁相环DPLL生成对应的频率的时钟信号。

图4 88E1518内部结构图

2、内部寄存器

  上文熟悉了88E1518芯片的管脚功能以及原理图上对应管脚的连接，对于这颗芯片使用来说，更重要的是内部寄存器的功能以及配置，88E1518相对其余以太网PHY芯片来说，内部寄存器很多，并且实现的功能也比较多，本文只选几个重要的寄存器讲解配置方式，需要了解更多的请查看数据手册。

  88E1518芯片内往往会出现下面这种描述“寄存器0_18.12”之类的字样，其实表示的意思是第18页第0个寄存器的第12位数据。88E1518内部寄存器分了不同的页，每页存在多个寄存器，每个寄存器16位。但是每页的22号寄存器都只有一个功能，那就是切换页，如图5所示。

图5 切换页寄存器

  芯片上电或复位后，默认是在0页的，如果想要读写其他页的寄存器，就必须先向22号寄存器写入想要访问寄存器所在页，然后芯片就会切换到该页，滞后才能对该页的寄存器进行读写访问。其余以太网芯片好像是没有这么多寄存器的，所以不要这么操作。

  比如上电后想要访问第6页的16号寄存器的5位到9位的数据，即16_6.9:5，那么首先需要往22号寄存器写入6，此时切换到第6页，然后向16号寄存器读写相应数据即可。

  但是上电或复位后，如果是对第0页的寄存器进行读写，那么可以不用切换页，直接访问该寄存器即可。

  在查看寄存器之前，首先需要了解一些寄存器类型简写，如下表1所示：

表1 寄存器类型

类型	含义
LH	该位数据为高电平时锁存高电平，直到寄存器被读取或寄存器复位时拉低。
LL	该位数据为低电平时锁存低电平，直到寄存器被读取或寄存器复位时拉高。
RES	保留位。
Retain	执行软件复位后，寄存器值将保留。
RO	只读寄存器。
ROC	只读寄存器，并且数据被读取后自动清除。
RW	可读可写寄存器。
RWC	可读可写，在复位或读取寄存器后被清除为零。
SC	将1写入此寄存器将立即执行其功能，然后在功能完成时将该寄存器字段自动清除为零。
Update	写入寄存器的值在软复位后才能执行。
WO	只写寄存器。
NR	与保留的位基本相同，不能使用。

  特别注意只读、只写、软复位后才能生效的寄存器了，还有SC及ROC这类寄存器，下文讲解几个常用的寄存器。

2.1 Copper Control Register(0_0)

  88E1518每个寄存器的数据位宽时16位，首先查看第0页第0个寄存器，这个寄存器可以对RGMII的接口的传输速率、双工模式、软复位、回环等进行设置，如下表2所示：

表2 Copper Control Register(0_0)寄存器

Bit	类型	含义
15	RW，SC	软复位，高电平有效，复位成功后自动清零。
14	RW	PHY芯片把来自MAC侧的数据回环给MAC，高电平启用回环。
13	RW，Update	与bit6共同决定RGMII接口速率。
12	RW，Update	高电平使能自动协商，低电平关闭自动协商。
11	RW，Retain	该位和16_0.2控制断电。在PHY从掉电过渡到正常工作之前，这两位必须设置为0。
10	RW	正常工作时设置为0，设置为1时起隔离作用。
9	RW，SC	高电平时重启自动协商。
8	RW，Update	高电平时PHY采用全双工模式，低电平时半双工模式。
7	RO	碰撞测试，正常工作时不会被使用。
6	RW，Update	与bit13共同决定RGMII接口速率。
5：0	Reserved	保留位，一直为0。

  下面对上表中一些位进行详细说明：

  首先第15位复位，该位为高电平可以对第0、2、3、5、7的寄存器进行软复位。0_1_15可以将第1页的寄存器进行软复位，20_18.15可以把第6、18页寄存器进行软复位，复位成功后，这些位自动清零。

  第14位用于回环测试，PHY芯片的回环测试由几种，其中0_0_14位控制的是PHY中回环MAC侧数据，用于测试MAC侧电路和代码是否正确，如下图所示：

图6 系统接口环回图

  其余回环可以在手册中进行查取，此处不做过多介绍。

  PHY芯片的真实工作速率和模式，与0_0_12自动协商是否开启，以及0_0.6和0_0.13和0_0.8有关。如果自动协商使能，那么PHY芯片就会与PC端的PHY自己协商使用何种速率和模式进行通信，比如MAC侧的PHY芯片最大支持1000Mbps全双工模式，而PC端有2.5Gbps的网卡，那么双方协商的结果就是使用1000Mbps全双工模式进行通信。

  因此自动协商使能时，通过设置0_0.6、0_0.13、0_0.8 寄存器来改变PHY芯片通信速率和工作模式是无效的。

  想要修改MAC侧PHY芯片通信速率就必须关闭自动协商，然后通过0_0.6、0_0.13设置通信速率，起真值表如下。通过设置0_0.8位高电平使用全双工模式，通过设置低电平使用半双工模式。

表3 PHY芯片工作速率

Bit6	Bit13	速率
1	1	保留
1	0	1000Mbps
0	1	100Mbps
0	0	10Mbps

  只对寄存器0_0.12、0_0.13、0_0.6和0_0.8的值进行修改是不会生效的，除非发生以下情况之一：软件复位(寄存器0_0.15为高电平)，重新启动自协商(寄存器0_0.9为高电平)，从断电到上电的转换（寄存器0_0.11为高电平）。

  为了启用或禁用自动协商，寄存器0_0.12应该与寄存器0_0.15或0_0.9同时更改。

  例如，要禁用自动协商并使用10Mbps半双工模式，寄存器0_0应该写入0x8000。

2.2、Copper Status Register（1_0）

  前文讲解了控制寄存器Copper Control Register，那么接下来讲解其对应的状态寄存器Copper Status Register，相应位如下表4所示。

表4 Copper Status Register（1_0）

Bit	类型	含义
15	RO	此协议不可用。
14	RO	1：PHY能够执行全双工100BASE-X
13	RO	1：PHY能够执行半双工100BASE-X
12	RO	1：PHY能够执行全双工10BASE-X
11	RO	1：PHY能够执行半双工10BASE-X
10	RO	此协议不可用。
9	RO	此协议不可用。
8	RO	1：寄存器15中的扩展状态信息。
7	RO	总是0。
6	RO	1：PHY接受带有前导抑制的管理帧。
5	RO	1：自协商进程完成。0：自协商进程未完成。
4	RO，LH	1：检测到远端故障状态。0：未检测到远端故障状态。
3	RO	1：PHY能够进行自动协商。
2	RO，LL	从上次读取该位后链路就断开了。当前的链路状态，1：链路已连通，0：链路未连通。
1	RO，LH	1：检测到Jabber条，0：未检测到Jabber条件
0	RO	1：扩展寄存器功能。

  上述就是一个只读寄存器，与通常的状态寄存器类似，就是可以查看一些控制寄存器的状态，比较关注的是bit5和bit2，一个用来判断自协商是否完成，能否传输数据了，另一个用来检测数据传输链路是否出错。

2.3、Copper Specific Status Register 1(17_0)

  Copper Control Register（0_0）寄存器能够对PHY的通信速率，工作模式进行设置，但是是否其效果，还与自动协商是否被使能有关，所以并不能通过读取Copper Control Register（0_0）的值获取当前PHY芯片给通信速率和工作模式。只能通过Copper Specific Status Register 1(17_0)来获取这些信息，该寄存器对应位的含义如图7所示（寄存器内容比较多，但是关注的也就几位，所以直接截图，一般读取黄色标记的几位数据判断即可。）：

图7 Copper Specific Status Register 1(17_0)

  上述十几个简单但比较常用的寄存器，均位于第0页，如果只需要对这几个寄存器进行配置，那么就不需要进行换页操作，直接读写即可，实测88E1518上电后默认停留在第0页。

3、MDIO接口时序

  既然可以通过配置PHY芯片内部寄存器对其功能进行调整，那如何读写内部寄存器呢？

  本文只简单讲解MDIO接口时序，后文将使用FPGA通过MDIO对内部寄存器进行配置，图8是MDIO的写时序。

  MDC是MAC侧输出给PHY芯片的串行时钟信号，最大不能超过12MHz，如果MDIO总线上挂载的PHY芯片过多，MDC可能达不到12MHz。

图8 MDIO写时序

  MDIO是MAC侧读写PHY芯片的双向数据线，写时序各阶段的数据含义如图9所示：

图9 串行管理接口协议

  首先需要发送32位的前导码1，然后发送2位起始码，接着如果是写操作，则依次发送01，然后就是5位PHY芯片的地址（MDIO总线可以挂载多个PHY芯片，PHY芯片就是通过MDIO发送的PHY地址来判断是不是发送给自己的数据，88E1518高4位PHY地址恒为0，最低位与config引脚复位后的初始状态），然后就是需要写入寄存器的地址，如果是写操作，接下来发送10，然后跟需要写入寄存器的16即可，写入数据完成后，释放总线，由于MDIO数据线外部会接上拉电阻，此时总线被拉高。

  其实对于写驱动程序来说，不管是什么协议，需要关注的点还有发送数据时先发高位还是先发低位，数据在时钟上升沿还是下降沿变化。由图8可知MDIO发送数据是先发高位，且数据在时钟下降沿发生变化。

  图10是MDIO读取寄存器数据时的时序图，前导码、起始位、PHY地址、寄存器地址与写时序均一致。但是起始位后的操作码变为了10，在发送寄存器地址后，MAC需要释放总线，输出高阻态，此时总线被外部上拉电阻拉高，PHY芯片会在下个时钟周期将总线拉低作为应答，然后从高到低输出16位寄存器数据。

图10 MDIO读时序

  了解上述内容就可以通过Verilog HDL实现驱动代码了，对于FPGA还需要知道该芯片端口寄存器的一些时间参数，便于时序约束。如图11所示。

图11 MDC/MDIO时序

  通过阅读数据手册可知，MDIO端口寄存器的建立时间TSU_MDIO为10ns，保持时间THD_MDIO同样为10ns。而寄存器输出延迟TDLY_MDIO最大值为20ns，最小值为0ns，如图12所示：

图12 MDC/MDIO时序参数

  本文对88E1518芯片管脚，硬件原理图，内部寄存器，MDIO做了详细讲解，需要了解更多，在公众号后台回复”以太网PHY芯片”（不包括引号）即可。