总线协议：GPIO模拟SMI（MDIO）协议（1）：SMI协议介绍

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TN1305 Technical note
IEEE802.3-2018
STM32F4xx中文参考手册

1 SMI介绍

1.1 SMI总体框图

站管理接口SMI（Serial Management Interface），也可以称为MDIO接口（Management Data Input/Output Interface）。它允许应用程序通过时钟线（MDC）和数据线（MDIO）访问PHY寄存器，支持寻址最多32个PHY，也就是SMI总线上最多可以挂载32片PHY地址不一样的PHY设备。
SMI接口信号框图如下：

MDC：周期性时钟，提供最大2.5MHz的时钟频率。 MDC的最短高电平时间和最短低电平时间必须为160ns。MDC的最小周期必须为400ns。在空闲状态下，SMI管理接口将MDC时钟信号驱动为低电平。
MDIO：数据输入/输出，用于通过MDC时钟信号向/从PHY设备同步传输状态信息。

1.2 SMI硬件设计

通常主机MDC被配置为推挽输出，MDIO被配置为开漏输出，同时外接上拉电阻。在《IEEE802.3-2018》中MDIO接线的原理图如下：

MDC和MDIO接线示意图：

其实，在很多时候PHY设备的MDIO并没有硬件上拉，我们可以在需要读取数据时将MDIO端口配置为上拉输入模式，发送数据时将MDIO配置为推挽输出模式。

1.3 SMI时序

下图为MDIO和MDC的时序示意图：

可以看到使用SMI写寄存器和读寄存器的时序是有细微差别的，我们分SMI写和SMI读2个方面对关键时序进行分析：
（1）SMI写
（1.1）MDC空闲电平为低电平
（1.2）主机均为写操作，MDIO数据在下降沿切换，在上升沿被PHY设备采样
（2）SMI读
（2.1）MDC空闲电平为低电平
（2.2）主机在写操作时，MDIO数据在下降沿切换，在上升沿被PHY设备采样
（2.3）主机在读操作时（从TA字段开始），MDIO数据在上升沿被切换，在下降沿被主机采样

1.4 SMI帧格式

在《STM32F4XX中文参考手册》中给出的SMI帧格式如下：

SMI帧包括8个字段：
（1）前导码（Preamble）：每次读写或写入PHY设备均需要先发送前导码，报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC上的32个周期。该字段用于和PHY设备建立同步。
（2）帧起始（ST）：帧起始共2bit，值为01b。用于验证线路从默认逻辑“1”状态变为逻辑“0”状态，然后再从逻辑“0”状态变为逻辑“1”状态。
（3）操作（OP）：定义正在进行的事件（读取或写入）的类型。01b表示写入，10b表示读取。
（4）PHY地址（PADDR）：PHY地址一共有5位，因此可以寻址最多32个PHY设备。最先发送和接收地址的MSB位。
（5）寄存器地址（RADDR）：寄存器地址一共有5位，因此可以最多对所选PHY设备的32个不同寄存器进行寻址。最先发送和接收地址的MSB位。
（6）周转（TA）：周转字段一共有2位，它被定义在RADDR和DATA字段之间，避免在读取事件出现竞争现象。读取PHY设备时，主机将TA的2个位驱动为MDIO线上的高阻态。PHY设备必须将TA的第一位驱动为高阻态，将TA的第二位驱动为逻辑“0”。
写入PHY设备时，主机必须将TA字段设置为10b，PHY设备必须将TA的2个字段驱动为高阻态。
（7）数据（DATA）：数据字段为16位。发送和接收的均是寄存器的MSB位。
（8）空闲：MDIO被驱动为高阻态。三态驱动器必须被禁止，PHY的上拉电阻使线路保持逻辑“1”状态。
最后，可以用以下2个图片表示SMI的写入和读取PHY设备寄存器报文格式：
写入报文：

读取报文：