基于FPGA的MDIO接口读写测试方案

本文开源一个FPGA项目：MDIO接口读写测试。以太网通信模块主要由 MAC （Media Access Control）控制器和物理层接口 PHY （Physical Layer）两部分构成。其中，MAC控制器和PHY可以整合到同一芯片内，也可以分开，即MAC控制器由FPGA实现，PHY由以太网芯片实现。PHY芯片内部寄存器数据读写是通过MDIO接口实现的，可以对PHY芯片工作模式进行配置并获取PHY芯片工作状态。

01PHY芯片

PHY芯片发送数据时，将MAC控制器发来的数据转化为串行数据流，按照物理层编码规则把数字信号转化为模拟信号发出去，接收数据反之。

另外，PHY芯片具有自协商功能。当连接好网线时，PHY芯片会自动检测对端设备，并通过协商确定连接速度、双工模式等。最终确定两个设备同时支持的最大数据传输速度和最佳双工模式。

PHY地址

本文以YT8511 PHY芯片为例。其PHY地址由LED_ACT和RXD[1:0]决定。PHY地址一共有5位，高2位固定为0，LED_ACT和RXD[1:0]表示低3位，可以通过硬件威廉希尔官方网站 进行配置。即地址范围从00001到00111。

复位

PHY芯片支持软硬件复位，硬件复位是通过将ETH_RST_N引脚拉低10ms实现，软件复位是通过向地址0x00寄存器的bit[15]写入1进行复位，复位完成后，该位会自动清零。

寄存器

YT8511共有22位寄存器，常用的就只有控制寄存器、基本状态寄存器、和PHY芯片特定状态寄存器：

控制寄存器用于控制芯片复位、内部回环模式、选择网速、自协商等功能;

基本状态寄存器用于获取PHY芯片自协商状态、连接状态;

PHY芯片特定状态寄存器用于获取PHY芯片连接速度。

02MDIO接口

MAC和PHY芯片之间有一个配置接口，FPGA通过MDIO接口对PHY芯片内部寄存器进行配置，一般来讲PHY芯片在默认寄存器配置下就可以正常工作。

MDIO接口也被成为SMI接口，即串行管理接口。具体包括时钟（ETH_MDC）和数据输入输出（ETH_MDIO）信号接口。其中，时钟信号频率应低于12.5Mhz。

通信协议

MDIO接口通信协议如上图所示，其中：

Preamble ：32位前导码，用于同步PHY芯片；

ST ：2位帧开始信号；

OP ：2位操作码，读10，写01；

PHYAD ：5位PHY地址，用于确定与那个PHY芯片进行通信；

REGAD ：5位寄存器地址；

TA （Turnaround）：2位转向。在读命令中，MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动，在第1位，MDIO引脚为高阻状态，第2位，PHY将MDIO引脚拉低，准备发送数据；在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，MAC固定输出10，随后开始写入数据；

DATA ：16位数据；

IDLE ：空闲状态，此时MDIO为无源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其上拉至高电平。

读时序

MDIO接口读时序如上图所示，以读取0x00地址下寄存器数据为例。整个读操作过程的MDC时钟由MAC驱动，同时MAC驱动MDIO引脚输出前导码+帧开始+操作码+PHY地址+寄存器地址，随后MDIO引脚切换至PHY驱动。在第一个TA位，MDIO引脚为高阻状态，第二个TA位为低电平，表示PHY芯片成功响应，并且接下来会输出16位寄存器数据；而如果第二个TA位处于高电平，则PHY芯片响应失败，有可能PHY地址不正确或者其它时序的错误。

需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿更新MDIO引脚的数据。当MDIO引脚切换至PHY驱动时，MDIO数据在MDC时钟的下降沿更新，因此MAC在MDC时钟的上升沿采集数据。在读操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。

写时序

MDIO接口写时序如上图所示，以往0x00地址下寄存器写入0x1340为例。在整个写操作过程中，MDC时钟和MDIO引脚一直由MAC端驱动，按照MDIO接口写通信协议开始传输数据。需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿将数据更新至MDIO引脚。在写操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。

03实现功能

本文开源的MDIO读写模块实现的功能主要是：FPGA通过MDIO接口每隔一定时间循环读取PHY芯片各个寄存器的值，并通过MDIO接口对PHY芯片进行软复位。其中，mdio_dri实现了MDIO接口数据读写驱动，mdio_ctrl实现了MDIO读写控制功能。使用Vivado软件仿真结果如下图所示：