了解与MDIO/MDC接口相关的22号、45号条款

MDIO接口

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），也被称作MII管理接口（MII Management Interface），包括MDC和MDIO两条信号线。MDIO是用来对PHY芯片等物理层信息进行操作管理接口。

MDIO的历史

MDIO是Management Data Input/Output 的缩写，有两根线，分别为双向的MDIO和单向的MDC，用于以太网设备中上层对物理层的管理。之所以能够管理这些PHY芯片，是因为能够对PHY芯片的各类寄存器进行访问和修改。

MDIO接口最初是由IEEE RFC802.3中的22号条款定义的，在最初的定义中，一个单独的MDIO接口可以访问32个不同的PHY设备中的32个寄存器，这些寄存器提供状态和控制信息，例如：连接状态、传输速度能力、当前选择的传速、低压消耗时的下电情况、全双工还是半双工、自动协商、错误提示以及反馈信息等等。

为了满足10G以太网设备的普及发展，在IEEE 802.3ae 的45号条款中为MDIO接口提供了额外的规范：

1）能够通过32个端口访问32个不同设备的65536个寄存器；

2）为访问10G以太网提供额外的OP码和ST码，从而可以直接访问寄存器地址；

3）端到端的报错信号；

4）环回模式控制；

5）低压电气标准。

MDIO数据传输协议

22号条款

Frame	Preamble (32bits)	Start (2bits)	OP Code (2bits)	PHYAD (5bits)	REGAD (5bits)	Turn Around (2bits)	Data (16bits)	Idle
Read	1.......1	01	10	A4...A0	R4...R0	Z0	D15.......D0	Z*
Write	1.......1	01	01	A4...A0	R4...R0	10	D15.......D0	Z*

上图中*表示高阻态，这时MDIO的状态由一个外部的1.5KΩ电阻决定。

Preamble+Start： 32bits的前导码以及2bit的开始位。

OP Code： 2bits的操作码，10表示读，01表示写。

PHYAD： 5bits的PHY地址，一般PHY地址从0开始顺序编号，例如6口switch中PHY地址为0-5。

REGAD： 5bits的寄存器地址，即要读或写的寄存器。

Turn Around： 2bits的TA，在读命令中，MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动，并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，则只是等待两个时钟周期准备写入数据。

Data： 16bits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，MAC将要写入对应PHYAD的REGAD寄存器的值写入Data中。

Idle： 空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

帧格式中PHY的地址和寄存器的地址都是5bit，这就限制了STA可以连接到的MMD的数量。此外，22号条款仅支持5V设备，没有其他的低压选项。

45号条款

Frame	Preamble (32bits)	OP Code (2bits)	PHYAD (5bits)	DEVAD (5bits)	Turn Around (2bits)	Data (16bits)	Idle
Address	1.......1	00	PPPPP	EEEEE	10	A15.......A0	Z*
Write	1.......1	01	PPPPP	EEEEE	10	D15.......D0	Z*
Read	1.......1	11	PPPPP	EEEEE	Z0	D15.......D0	Z*
Read Inc.	1.......1	10	PPPPP	EEEEE	Z0	D15.......D0	Z*

上图中*表示高阻态，这时MDIO的状态由一个外部的1.5KΩ电阻决定。

Preamble+Start： 32bits的前导码以及2bit的开始位。帧开始标志，为了区别CL22，Clause45 的开始标志为比特“00”。

OP Code： 操作码，Clause45有4种操作码，比特“00”表示设置当前寄存器地址，比特“01”表示写当前寄存器。比特“10”表示读当前寄存器，比特“11”表示读当前寄存器读完后把当前寄存器的值加1，用于顺序读。

PRTAD： Port Address，端口地址，也称物理地址。

DEVAD：器件地址，CL45新增概念，各值与器件对应如下。

Value	Device
00000	Reserved
00001	PMD/PMA
00010	WIS
00011	PCS
00100	PHY XS
00101	DTE XS
------	------------------

REGAD： 用来选MMD的65536个寄存器中的某个寄存器的地址。

Data： 帧的寄存器的数据域，16bits，若为读操作，则为MMD送到STA的数据，若为写操作，则为STA送到MMD数据。

Idle： 空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

第45号条款的主要变化是如何访问寄存器。在第22中，一个单独的帧指定要读或写的地址和数据，同时完成了这些工作。45号中改变这种范式，第一个地址帧发送到指定的MMD和寄存器，然后发送第二帧来执行读或写。

添加这个依次循环访问的好处是45条款是向后兼容22条款的，允许设备的互操作。其次，通过创建一个框架的登记地址，地址空间从5位增加到16位，这使得STA访问65536个不同的寄存器。

为了做到这一点，在数据帧的组成部分进行了一些变化。定义了新的ST代码（00），用于标识第45号条款的数据帧。运算码扩展到指定地址帧，写帧，读帧，或读和读后增量地址帧。由于寄存器地址不再需要，这个字段被指定目标设备类型的内容代替。扩展后还允许STA接入除了PHY以外的其他设备。

读第45号条款的寄存器操作：

Write Address AAAAAAAAAAAAAAAA to Device VVVVV on Port PPPPP

Read Register From Device VVVVV on Port PPPPP

写第45号条款的寄存器操作：

Write Address AAAAAAAAAAAAAAAA to Device VVVVV on Port PPPPP

Write Register To Device VVVVV on Port PPPPP

每个操作都需要执行两个步骤。

如果STA只支持Clause22访问，但是PHY却是802.3ah PHY

802.3ah PHY 为了能支持Clause22 STA的访问。只预留的 Reg 13 和 Reg 14。STA能通过Clause22 访问Reg 13和14间接访问Clause45寄存器。

用第22号条款访问第45号条款的寄存器读操作：

Write FN = Address & EEEEE to C22 Register 13 on Port PPPPP

Write Address AAAAAAAAAAAAAAAA to C22 Register 14 on Port PPPPP

Write FN = Data & EEEEE to C22 Register 13 on Port PPPPP

Read Register From C22 Register 14 on Port PPPPP

用第22号条款访问第45号条款的寄存器写操作：

Write FN = Address & EEEEE to C22 Register 13 on Port PPPPP

Write Address AAAAAAAAAAAAAAAA to C22 Register 14 on Port PPPPP

Write FN = Data & EEEEE to C22 Register 13 on Port PPPPP

Write Register To C22 Register 14 on Port PPPPP

每个操作都需要执行四个步骤。

参考文献：

pannell_1_1102 (ieee802.org)