【正点原子FPGA连载】第三十二章 MDIO接口读写测试实验-摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0_正点原子的博客-程序员信息网_mdio自协商

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第三十二章 MDIO接口读写测试实验

在以太网通信中,设备之间的物理层链路均由PHY芯片(物理层芯片,本文指YT8511)建立。PHY芯片有一个配置接口,即MDIO接口,可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。本章我们来学习如何通过领航者ZYNQ开发板实现对PHY芯片的MDIO接口进行读写测试。
本章分为以下几个章节:
1.1 简介
1.2 实验任务
1.3 硬件设计
1.4 程序设计
1.5 下载验证

1.1 简介
以太网概述
以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准,该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网凭借其成本低、通信速率高、抗干扰性强等优点被广泛应用在网络远程监控、交换机、工业自动化等对通信速率要求较高的场合。
以太网是一种产生较早,使用相当广泛的局域网。其最初是由Xerox(施乐)公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,后来被电气与电子工程师协会(IEEE)所采纳作为802.3的标准。
以太网的分类有标准以太网(10Mbit/s),快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网(1000Mbit/s)。随着以太网技术的飞速发展,市场上也出现了万兆以太网(10Gbit/s),它扩展了IEEE802.3协议和MAC规范,使其技术支持10Gbit/s的传输速率。在实际应用中,千兆以太网理论上最高通信速率为1000Mbit/s,可以胜任大部分的使用场景。
以太网通信离不开连接端口的支持,网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有RJ45接口,RJ11接口(电话线接口),SC光纤接口等。其中RJ45接口是我们现在最常见的网络设备接口(如:电脑网口),我们开发板使用的就是这种接口。
RJ45接口俗称“水晶头”,专业术语为RJ45连接器,由插头(接头、水晶头)和插座(母座)组成,属于双绞线以太网接口类型。RJ45插头只能沿固定方向插入,设有一个塑料弹片与RJ45插槽卡住以防止脱落。
RJ45接口样式如图 7.5.13.1所示:
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图 7.5.13.1 RJ45插头(左)、插座(右)
RJ45接口定义以及各引脚功能在不同通信速率下的定义有区别,图 7.5.13.2是在10M/100M通信速率下的定义,由下图可知,RJ45插座只使用了1、2、3、6这四根线,其中1、2这组负责传输数据(TX+、TX-),而3、6这组负责接收数据(RX+、RX-),另外四根线是备用的。
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图 7.5.13.2 RJ45插座10M/100M接口定义
而在1000M的通信速率下,RJ45插座的8根线都有用到,且都是双向引脚。需要说明的是,支持千兆网通信的RJ45接口是向下兼容的,即也支持10M/100M通信速率,只不过不同的通信速率,其引脚功能有区别。千兆网各引脚功能如下图所示:
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图 7.5.13.3 RJ45插座1000M接口定义
从硬件的角度来说,以太网接口电路主要由MAC(Media Access Control)控制器和物理层接口PHY(Physical Layer,PHY)两大部分构成。MAC指媒体访问控制子层协议,它和PHY接口既可以整合到单颗芯片内,也可以独立分开,对于本次设计来说,MAC控制器由FPGA实现,PHY芯片指开发板板载的以太网芯片。
PHY在发送数据的时候,接收MAC发过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,都是数据而不管什么地址,数据还是CRC),把并行数据转化为串行流数据,按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟信号发送出去,接收数据时的流程反之。PHY还提供了和对端设备连接的重要功能,并通过LED灯显示出自己目前的连接状态和工作状态。当我们给网卡接入网线的时候,PHY芯片不断发出脉冲信号来检测对端是否有设备,它们通过标准的“语言”交流,互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。通常情况下,协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto Negotiation,即自协商。
MDIO接口
MAC和PHY芯片有一个配置接口,即MDIO接口,可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。PHY芯片内部包含一系列寄存器,用户通过这些寄存器来配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息,如连接速率、双工模式、自协商状态等。FPGA通过MDIO接口对PHY芯片内部的寄存器进行配置。通常情况下,PHY芯片在默认状态下也可以正常工作,在做以太网通信实验时,对MDIO接口的配置不是必须的,本章旨在向大家介绍MDIO接口以及如何对MDIO接口进行读写操作。MAC和PHY连接示意图如下图所示。
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图 7.5.13.4 MDIO接口示意图
MDIO接口也称为SMI接口(Serial Management Interface,串行管理接口),包括ETH_MDC(数据管理时钟)和ETH_MDIO(数据管理输入输出)两条信号线。ETH_MDC为ETH_MDIO提供时钟,ETH_MDC的最大时钟不能超过12.5Mhz。ETH_MDIO为双向数据引脚,既用于发送数据,也用于接收数据。
MDIO接口的读写通信协议如下图所示:
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图 7.5.13.5 MDIO接口通信协议
Preamble:32位前导码,由MAC端发送32位逻辑“1”,用于同步PHY芯片。
ST(Start of Frame):2位帧开始信号,用01表示。
OP(Operation Code):2位操作码,读:10 写:01。
PHYAD(PHY Address):5位PHY地址,用于表示与哪个PHY芯片通信,因此一个MAC上可以连接多个PHY芯片。
REGAD(Register Address):5位寄存器地址,可以表示共32位寄存器。
TA(Turnaround):2位转向,在读命令中,MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动,在第一个TA位,MDIO引脚为高阻状态,第二个TA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2’b10,随后开始写入数据。
DATA:16位数据,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,PHY芯片将接收到的DATA写入REGAD寄存器中。需要注意的是,在DATA传输的过程中,高位在前,低位在后。
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。
MDIO接口读时序图如下图所示:
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图 7.5.13.6 MDIO接口读时序图
上图是以PHY地址为0x01,从寄存器地址0x00读出数据为例。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。
MDIO接口写时序图如下图所示:
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图 7.5.13.7 MDIO接口写时序图
上图是以PHY地址为0x01,向寄存器地址0x00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。
以太网PHY芯片(YT8511)
1)PHY地址
YT8511芯片的PHY地址由LED_ACT和RXD[1:0]引脚决定,如下图所示:PHY地址一共有五位,其中高两位固定为00,LED_ACT和RXD[1:0]引脚表示低三位,我们可以通过硬件电路设置LED_ACT和RXD[1:0]引脚引脚为上拉或者下来,即分配为高低电平,0或1,从而表示不同的地址。
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图 7.5.13.8 PHY地址选择
LED_ACT和RXD[1:0]取不同的值表示的地址范围从00001到00111。领航者开发板上的以太网PHY芯片LED_ACT接上拉电阻,RXD[1:0]接下拉电阻,因此PHY地址为5’b00100。
2)复位
YT8511芯片复位后,PHY内部寄存器的数据会恢复默认的状态,并且重新开始和MAC进行自协商。YT8511支持两种复位方式,一种是硬件复位,另外一种是软件复位。硬件复位时通过ETH_RST_N引脚实现对PHY芯片的复位,当ETH_RST_N引脚持续10ms的低电平时,即可实现对PHY芯片的复位。软件复位通过向寄存器地址0x00的Bit[15]写入1进行复位,并且在完成复位后,该位会自动清零。
3)寄存器
YT8511共有22位寄存器,这里我们仅介绍本实验用到的三个寄存器,控制寄存器、状态寄存器以及PHY芯片具体状态寄存器。
控制寄存器(Basic Mode Control Register, Address 0x00),简写为:BMCR,用于芯片的复位和其它功能的控制,各个位的说明如下图所示:
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图 7.5.13.9 控制寄存器说明
部分常用位的说明如下:
Bit[15]:软件复位,1:PHY复位 0:正常模式;
Bit[14]:内部环回模式,1:内部环回模式 0:正常模式;
Bit[6] Bit[13]:选择网速带宽 只有在自动协商使能不开启的情况下有效,10:1000Mb/s 01:100Mb/s 00:10Mb/s;
Bit[12]:自动协商使能 1:自动协商使能 0:自动协商不使能;
Bit[9]:重启自协商,1:重新开始自协商 0:自协商重启完成。
基本状态寄存器(Basic Mode Status Register, Address 0x01),简写为:BMSR,各个位的说明如下图所示:

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图 7.5.13.10 :状态寄存器说明
对我们用位的说明如下:
Bit[5]:自协商完成 1:自协商完成 0:正在进行自协商;
Bit[2]:连接状态, 1:连接成功 0:连接失败。
PHY特定状态寄存器(PHY Specific Status Register ,Address 0x11),简写为:PHYSR,各个位的说明如下图所示:

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图 7.5.13.11 特定状态寄存器
Bit[15:14]:连接速度
11:保留
10:1000Mbps
01:100Mbps
00:10Mbps
1.2 实验任务
本节实验任务是使用领航者ZYNQ开发板上的以太网接口,完成MDIO接口的读写测试实验。板载的触摸按键(TPAD)控制MDIO接口进行软复位,并通过两个LED灯实时指示当前网口的连接速度。

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