以太网初始化设计（MDIO 控制器）

相关文章：
（1）千兆以太网网络层 ARP 协议的原理与 FPGA 实现
（2）千兆以太网硬件设计及链路层 MAC 协议格式
（3）CRC校验原理及实现
（4）RGMII 与 GMII 转换电路设计）
（5）千兆以太网网络层 IP 协议介绍与 IP 校 验和算法实现
（6）千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现（UDP发送）
（7）千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现（UDP接收）
（8）千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现（UDP回环）
（9）以太网初始化设计（MDIO 控制器）
（10）添加基于 OV2640 的以太网 RGMII 图像传输系统设计

---

前言

PHY芯片根据不同的需求，会有不同的工作模式，例如需要设置其以太网通信速率为千兆、百兆、十兆或自动协商，而处理器也需要知道其连接状态，例如需要知道网络是否已经连接通，以及当前的链接速率是多少。为了实现这些功能，IEEE 在以太网标准 IEEE 802.3 中使用若干条款定义了用处理器用来管理PHY 芯片的标准控制接口——MDIO。
本章，我们将学习 MDIO 接口相关知识，并设计相应的驱动模块，通过 MDIO接口带领大家学习如何配置 PHY 芯片。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、PHY 管理接口 MDIO 介绍

MDIO 是一种简单的双线串行接口，将管理器件(如 MAC 控制器、微处理器)与具备管理功能的 PHY芯片相连接，从而控制收发器并从收发器收集状态信息。可收集的信息包括链接状态、传输速度与选择、断电、低功率休眠状态、TX/RX 模式选择、自动协商控制、环回模式控制等。除了拥有 IEEE 要求的功能之外，收发器厂商还可添加更多的信息收集功能。MDIO 总线包含两个信号：MDC 和 MDIO。MDC 是管理数据的时钟信号，由管理器（如处理器或 MAC）输出给 PHY 芯片，最高速率可超过 5MHz。MDIO 则是管理数据的输入输出双向接口，其中的数据与 MDC 时钟同步。和大家熟悉的 I2C 接口相似，MDIO 总线也支持多设备模式，即一个 MDIO总线上最多可连接 32 个 PHY 芯片的 MDIO 接口，通过在传输过程中的 PHY 器件地址字段传输不同的器件地址值来指定具体操作哪个 PHY 芯片。

每个 PHY 芯片都有一个硬件地址，该地址为 5 位，由固定部分和可变部分组成，可变部分可以通过物理上拉或者接地设置。若多个 PHY 芯片同时连接在同一个 MDIO 总线上，需要设置不同的 PHY 器件地址以示区分。每个 PHY 芯片中都有最多 32 个寄存器可供读写（32 个寄存器，需要 5 位寄存器地址），包括由 IEEE 802.3 规范定义的前 16 个标准功能寄存器和后续最多 16 个由 PHY 芯片厂家自定义的功能寄存器。所有 PHY 芯片的前 16 个寄存器功能定义都必须相同，后续 0~16 个寄存器的功能由 PHY 芯片厂家根据实际需求自定义。
我使用的 开发板上使用的 PHY 芯片型号为Realtek 的 RTL8211 ，通过查询手册可以知道其器件地址由固定的 00+由引脚控制的 PHYAD[2:0]组成，为00001。

二、MDIO 时序介绍

介绍了 MDIO 接口之后，要想正确的使用 MDIO 接口来管理 PHY 芯片，还需要了解 MDIO 接口的时序流程。MDIO 的工作流程为：

1. 空闲：MDIO 接口在没有传输数据的空闲状态（IDLE）数据线 MDIO处于高阻态。
2. 开始：MAC 或处理器驱动 MDIO 产生一个 2bit 的开始标识码(01)，标志着一次读、写传输的开始。
3. 读写标记：MAC 或处理器驱动 MDIO 产生一个 2bit 数据来标识本次操作是读操作(10)还是写操作(01)。
4. PHY 器件地址：MAC 或处理器驱动 MDIO 产生 5 位的 PHY 器件地址数据，用来指明此次操作是针对的具体那一个 PHY 芯片。
5. PHY 寄存器地址：MAC 或处理器驱动 MDIO 产生 5 位的 PHY 寄存器地址数据，用来指明此次操作是针对的 PHY 中具体哪一个寄存器。
6. MDIO 控制权切换：在读操作中，由于在 PHY 移出寄存器中的数据时MDIO 信号将由 PHY 芯片接管驱动，既 MDIO 信号存在一个驱动切换的情形，为了避免切换过程中 MAC 或处理器驱动和 PHY 芯片同时驱动 MDIO 信号以出现冲突干扰，在传输完 PHY 寄存器地址后，需要传输 2bit 的 TA（Turnaround）信号，传输该信号时，MAC 或处理器MDIO 信号为高阻状态，即不驱动 MDIO 信号至低电平，对于读操作，PHY 芯片将在这 2bit 信号的第 2 个 bit 时将 MDIO 信号拉低以标记读出数据传输。同时，这第 2 个 bit 还将作为类似于 I2C 总线中的应答位，如果在读操作中，该 bit 没有被拉低，则表明读 PHY 芯片操作失败。对于写操作，第一个 bit 时 MAC 或处理器和 PHY 芯片都保持为高阻状态，MDIO 被上拉电阻拉为高电平，在第 2 个 bit 时由 MAC 或处理器将该位
   拉低。
7. 读写数据：MDIO 串行读出/写入 16bit 的寄存器数据。
8. IDLE 状态： MDIO 再次进入高阻状态，对于部分 PHY 芯片，MDC 将
   继续产生至少 7 个时钟周期之后方可停止。
   【注意】在空闲和开始状态之间，MDIO 需要保持高阻态至少 32 个 MDC 时钟周期，该段称为前导信号（preamble）。
   下表为一次读写操作的数据帧格式：
   
   其中各段的意义和功能如下表所示：
   
   MDIO 会在 MDC 的下降沿变化，变化后的数据会在 MDC 上升沿被采样，进而组成上述所说的数据帧。
   
   基于该时序图，我们便能很方便的写出对应的驱动模块，对 PHY 芯片进行读写操作。至于具体在什么模式下需要对什么寄存器进行操作，则需要读者查询 PHY 芯片手册中对应寄存器的说明。

三、MDIO 接口注意事项

1. 部分 PHY芯片（如 RTL8211）要求在一次读写操作完成，转为 IDLE状态之后，还需要 MDC 信号持续至少 7 个时钟周期以确保 PHY 芯片正常完成该操作。
2. PHY 芯片的 MDIO 引脚需要连接至少 1.5K Ohm 的上拉电阻。
3. 在 PHY 芯片成功 Link 之前，不得向 PHY 芯片提供发送使能信号，即TX_EN信号在 PHY芯片没有成功 Link之前不得出现高电平，否则可能会影响 PHY 芯片的自动协商和工作模式设置。
4. PHY 芯片一般都有一个硬件复位引脚 reset，一般 PHY 芯片都会做出说明，在该复位信号释放后需要等待至少多久的时间（例如，对于RTL8211，这个值为 30ms）才能开始使用 MDIO 接口对 PHY 芯片进行读写操作。

四、mdio_bit_shift 模块设计

4.1、mdio_bit_shift 模块设计

根据协议帧的格式和上面的读写时序图，我们发现这个协议帧里面的变化内容有 OP、PYHAD、REGAD、以及传输的数据（DATA）等字段，在这里我们可以把这些作为端口，同时加入传输开始 start 和传输完成 done 等握手信号来指示当前的模块工作状态，因此设计出图所示模块单元：



模块使用状态机来描述 MDIO 接口的读写时序，对于时序图中的每个字段都采样独热码定义了一个状态，如下：

localparam IDLE = 8'h01,
PRE = 8'h02,
ST = 8'h04,
OP = 8'h08,
PHYAD = 8'h10,
REGAD = 8'h20,
TA = 8'h40,
DATA = 8'h80;

在不同状态下，让状态机按照时序图对差异部分进行描述，从而实现对phy寄存器的配置和读取，该部分代码如下：

always @ (negedge mdc or negedge rst_n)
	if (!rst_n) begin
		rddata <= 'd0;
		mdio_oe <= 1'b0;
		mdio_o <= 1'b1;
		cnt <= 'd0;
		done <= 1'b0;
		state <= IDLE;
	end else begin
    case (state)
        IDLE:
            begin
                mdio_o <= 1'b1;
                mdio_oe <= 1'b0;
                done <= 1'b0;
                rddata <= 'd0;
                if (start)
                begin
                    cnt <= 'd0;
                    state <= PRE;
					mdio_oe <= 1'b1;
                end
            end
        PRE://PRE 32'hffff_ffff  32bit
            begin
                mdio_oe <= 1'b1;    
                mdio_o <= 1'b1;
                cnt <= cnt + 1'b1;
                if (cnt > 'd30)
                begin
                    cnt <= 'd0;
                    state <= ST;
                    mdio_o <= 1'b0;
                end