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一.前言

以太網驅動的編寫與調試往往從MDIO接口開始，MDIO是MAC訪問PHY的接口。實現通過MDIO對PHY進行操作才能配置PHY，所以實現MDIO讀寫是第一步。DWC_ether_qos提供了SMA模塊，操作兩個寄存器即可實現PHY寄存器的讀寫，比較簡單方便，且支持C45和C22兩種模式，另外有比較靈活的配置參數后面會詳講。

二.SMA模塊介紹

DWC_ether_qos中SMA(Station Management Agent)是一種雙線站管理接口（MIM:Station Management interface）,即MDIO管理接口，通過SMA模塊即MDIO接口可以訪問PHY的寄存器。

其具備以下特征:

l時鐘

IEEE 802.3中規定，MDC的最大操作頻率（gmi_MDC_o）是2.5MHz。在DWC_ether_qos中，gmii_mdc_o時鐘是從csr_i分頻得到的，通過MAC_MDIO_Address寄存器中的CR字段配置，

要注意該分頻值一般要使得MDC滿足不大于2.5MHz的要求。如果系統支持更高的頻率該分頻也可以分頻到大于2.5MHz的頻率。

l模式選擇:MAC_MDIO_Address 的C45E 配置使用C45還是C22格式。

l前導抑制:MAC_MDIO_Address的PSE控制是否發送只有一個bit的前導的幀。

l時鐘保持與連續傳輸:MAC_MDIO_Address 的NTC可以配置MDIO幀發送完后時鐘保持0~~7個CLK。在此基礎上還可以配置MAC_MDIO_Address 的BTB使能連續傳輸，此時不等0~~7個時鐘保持結束，Busy信號就會發送完幀后立即清除，軟件可以開始下一次傳輸，否則需要等到配置的0~7個保持時鐘之后Busy才會清除。BTB必須在NTC大于0時才能使能。

三. MDIO幀結構

MDIO幀的一些特征:

MDC一般是1MHz~2.5MHz。

MDIO引腳需要一個1.5k歐姆的上拉電阻，以在空閑和周轉期間保持MDIO高電平。

MDC下降沿修改數據，上升沿鎖存數據，這樣使得數據的建立和保持時間都是半個周期。

高位先發送，高字節先發送。

參考

IEEE 802.3,Section 22.2.4.5

3.1 Clause 45

SMA支持在該模式下操作時的讀后遞增地址。

MAC_MDIO_Address 的C45E 配置為1使用C45.

字段	描述
IDLE	gmii_mdc_o無時鐘,MDIO處于高阻態。通過外部MDIO上拉到高電平
PREAMBLE	32 個連續的1，前導抑制模式則只有一個bit。
START	包開始2’b00
OPCODE	操作碼■ 2’b00 讀寫地址寄存器■ 2’b01 讀寫數據, 讀寫完地址不遞增■ 2’b10 讀寫數據，讀寫完地址自動遞增■ 2’b11 讀寫數據，僅寫完地址自動遞增
PHY ADDR	5-bit 的PHY地址,可以編碼最多32 個PHY。
DEV ADDR	5-bit 設備地址可以編碼32個設備。
TA	Turnaround寄存器地址和幀的數據字段之間的2位時間間隔，以避免在讀取事務期間發生爭用。■ 2’bZ0: 讀時第一個bit MAC和PHY都處于高組態，第二個bit是PHY拉低?！?2’b10: 寫時 10都是MAC驅動。Z 表示三態
DATA/ADDRESS	16-bit 值: 對于地址周期(OPCODE = 2'b00), 表示下一個周期需要訪問的寄存器地址. 對于數據寫周期，表示需要寫入寄存器的數據內容. 對于read，post-read遞增幀，表示從PHY讀出的寄存器內容.

完成一次C45寄存器讀寫需要兩步，第一步發送地址包，第二步再讀寫

3.2 Clause 22

MAC_MDIO_Address 的C45E 配置為0使用C22.

幀結構如下

字段	描述
IDLE	gmii_mdc_o無時鐘,MDIO處于高阻態。通過外部MDIO上拉到高電平。
PREAMBLE	32 個連續的1，前導抑制模式則只有一個bit。
START	包開始2’b01
OPCODE	■ 2’b01 寫■ 2’b10 讀
PHY ADDR	5-bit 的PHY地址,可以編碼最多32 個PHY。
REG ADDR	5-bit 寄存器地址可以編碼32個寄存器。尋址對應指定MMD的某一個寄存器。
TA	Turnaround寄存器地址和幀的數據字段之間的2位時間間隔，以避免在讀取事務期間發生爭用?！?2’bZ0: 讀時第一個bit MAC和PHY都處于高組態，第二個bit是PHY拉低?！?2’b10: 寫時 10都是MAC驅動。Z 表示三態
DATA	16-bit 值:■ 寫時DWC_ether_qos 驅動MDIO■ 讀時PHY 驅動MDIO

完成C22讀寫只需要一步

讀寫波形如下

3.3使用C22模式訪問C45寄存器

使用C22訪問C45寄存器

參考https://www.ieee802.org/3/efm/public/nov02/oam/pannell_oam_1_1102.pdf

用13號寄存器作為命令寄存器，14號寄存器作為寄存器/數據寄存器

步驟如下，分為4步完成:

1.C22模式寫寄存器13,高兩位FN為00，低5位DEV設備地址。

2.C22模式將16位寄存器地址寫入14號寄存器。

3.C22模式寫寄存器13,高兩位FN為01或者10或者11，低5位DEV設備地址。

4.讀：轉至步驟5。寫：轉至步驟6

5.C22模式讀14號寄存器的16位內容。

6.C22模式將16位寄存器內容寫入14號寄存器。

四.相關寄存器

MDIO操作僅需要兩個寄存器

MAC_MDIO_Address和MAC_MDIO_Data

4.1 MAC_MDIO_Address

Offset: 0x200

PSE[27]: bit27,置位則只發送1bit的前導，否則發送32位的前導

BTB **[26]: **bit26,NTC 不為0時生效，NTC為0時不能設置為1.

設置為1時，NTC不為0時，MDIO發送完幀不等NTC個時鐘就立即清除GB位，可以立即重新下一次讀寫。

設置為0，則等待NTC保持時鐘之后GB才清除。

**PA[25:21] **5位的PHY地址

RDA[22:16] 對于C22模式的寄存器地址，C45的設備地址MMD。

NTC[14:12] MDIO幀的發送完后，MDC再保持該配置個時鐘。

CR[11:8]:MDC時鐘選擇一般配置為1~2.5MHz

0000: CSR clock = 60-100 MHz; MDC clock = CSR clock/42
0001: CSR clock = 100-150 MHz; MDC clock = CSR clock/62
0010: CSR clock = 20-35 MHz; MDC clock = CSR clock/16
0011: CSR clock = 35-60 MHz; MDC clock = CSR clock/26
0100: CSR clock = 150-250 MHz; MDC clock = CSR clock/102
0101: CSR clock = 250-300 MHz; MDC clock = CSR clock/124
0110, 0111: Reserved

1000: CSR clock/4
1001: CSR clock/6
1010: CSR clock/8
1011: CSR clock/10
1100: CSR clock/12
1101: CSR clock/14
1110: CSR clock/16
1111: CSR clock/18

SKAP[4]:只有C45E使能時才有,置位時不發送地址包

GOC_1_0[3:2]：

00: Reserved
01: Write
10: Post Read Increment Address for Clause 45 PHY
11: Read

C45E[1]: 使能C45模式

GB[0]: 軟件寫1觸發讀寫操作，讀寫完硬件清零。

4.2 MAC_MDIO_Data

Offset: 0x204

RA[31:16]:C45E模式時指定16位寄存器地址。

GD[15:0]:讀出或者寫入寄存器的16位值。

五.MDIO讀寫驅動

5.1 寄存器操作接口

實現基本的寄存器級別的操作接口，

后面再對關鍵參數MDC時鐘，NTC，PSE等測試，抓取波形進行驗證。

/*
 * GB_MASK bit0 置位,觸發MDIO操作, 操作完GB_MASK位硬件清零
 */
GMAC_INLINE int gmac_cfg_mdio_address(uint8_t id, uint8_t pse, uint8_t btb, uint8_t phyadd, 
                                    uint8_t reg_dev, uint8_t ntc, uint32_t csrclk,
                                    uint8_t skap, uint8_t cmd, uint8_t c45)
{
    (void)id;
    uint32_t tmp = 0;
    uint8_t csr = GMAC_CLK_60_100MHZ;
    if(csrclk >= 250000000ul)
    {
        csr = GMAC_CLK_250_300MHZ;
    }
    else if(csrclk >= 150000000ul)
    {
        csr = GMAC_CLK_150_250MHZ;
    }
    else if(csrclk >= 100000000ul)
    {
        csr = GMAC_CLK_100_150MHZ;
    }
    else if(csrclk >= 60000000ul)
    {
        csr = GMAC_CLK_60_100MHZ;
    }
    else if(csrclk >= 35000000ul)
    {
        csr = GMAC_CLK_35_60MHZ;
    }
    else
    {
        csr = GMAC_CLK_20_35MHZ;
    }
    tmp = ((uint32_t)csr < < CR_OFFSET) 
            | ((uint32_t)cmd < < GOC_0_OFFSET) 
            | (uint32_t)GB_MASK 
            | (((uint32_t)reg_dev < < RDA_OFFSET) & RDA_MASK) 
            | (((uint32_t)phyadd < < PA_OFFSET) & PA_MASK)
            | (((uint32_t)pse < < PSE_OFFSET) & PSE_MASK)
            | (((uint32_t)btb < < BTB_OFFSET) & BTB_MASK)
            | (((uint32_t)ntc < < NTC_OFFSET) & NTC_MASK)
            | (((uint32_t)skap < < SKAP_OFFSET) & SKAP_MASK)
            | (((uint32_t)c45 < < C45E_OFFSET) & C45E_MASK);
    GMAC_WRITE_REG(CFG_MAC_MDIO_ADDRESS_ADDR, tmp);
    return 0;
}


GMAC_INLINE int gmac_get_mdio_data(uint8_t id, uint16_t* data, uint16_t* regaddr)
{
    (void)id;
    uint32_t tmp = 0;
    tmp = GMAC_READ_REG(CFG_MAC_MDIO_DATA_ADDR);
    if(data != (void*)0)
    {
        *data = (tmp & GD_MASK) > > GD_OFFSET;
    }
    if(regaddr != (void*)0)
    {
        *regaddr = (tmp & REG_ADDR_MASK) > > REG_ADDR_OFFSET;
    }
    return 0;
}


GMAC_INLINE int gmac_set_mdio_data(uint8_t id, uint16_t data, uint16_t regaddr)
{
    (void)id;
    uint32_t tmp = 0;
    tmp = (((uint32_t)regaddr<

1 MDC時鐘

我這里時鐘是60MHz,設置CR為0，即分頻42，理論上60/42=1.429MHz

實測MDC頻率為1.449MHz

設置CR為3，即分頻26，理論上60/26=2.31MHz

實測MDC頻率為2.326MHz

2 NTC

NTC=0，幀發送完后MDC立即結束

NTC=7，幀發送完后MDC保持7個CLK

3 PSE

PSE=0,發送32個前導1

PSE=1，發送1個前導1，可以看到這個PHY是不支持前導抑制的，即發送1個前導時不能讀寫。

5.2 C22讀寫

驅動代碼如下

int iot_gmac_mdio_read(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t reg, uint16_t *data, uint32_t clk)
{
    int timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    gmac_cfg_mdio_address(id, 0, 0, phyadd, reg, 0, clk, 0, GMAC_CMD_PHY_RD, 0);


    timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    gmac_get_mdio_data(id, data, (void*)0);
    return 0;
}


int iot_gmac_mdio_write(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t reg, uint16_t data, uint32_t clk)
{
    int timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    gmac_set_mdio_data(id, data, 0);
    gmac_cfg_mdio_address(id, 0, 0, phyadd, reg, 0, clk, 0, GMAC_CMD_PHY_WR, 0);
    timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    return 0;
}

寫

如下是往0號寄存器寫0x9040即Reset軟復位PHY

讀

如下是讀0號寄存器為0x1040即Reset軟復位PHY完成，硬件自清零了Reset位。

5.3 C45讀寫

驅動代碼如下

int iot_gmac_mdio_readc45(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t dev, uint16_t reg, uint16_t *data, uint32_t clk)
{
    int timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }
    gmac_set_mdio_data(id, 0, reg);
    gmac_cfg_mdio_address(id, 0, 0, phyadd, dev, 0, clk, 0, GMAC_CMD_PHY_RD, 1);


    timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    gmac_get_mdio_data(id, data, (void*)0);
    return 0;
}


int iot_gmac_mdio_writec45(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t dev, uint16_t reg, uint16_t data, uint32_t clk)
{
    int timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    gmac_set_mdio_data(id, data, reg);
    gmac_cfg_mdio_address(id, 0, 0, phyadd, dev, 0, clk, 0, GMAC_CMD_PHY_WR, 1);
    timeout = IOT_GMAC_MDIO_TIMEOUT;
    while(gmac_is_mdio_busy(id) && (timeout-- > 0));
    if(timeout <= 0)
    {
        return -1;
    }


    return 0;
}

波形如下:兩個包，一個是地址包，一個是數據包

讀

寫

5.4 C22模式讀寫C45寄存器

以下是RTL8211F的MMD寄存器，不支持直接C45模式，但是支持C22模式讀C45寄存器，

通過13和14號寄存器實現。

驅動代碼如下

int dwc_mdio_c22readc45(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t dev, uint16_t reg, uint16_t *data, uint32_t clk)
{
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 13, (0< < 14) | dev, clk);
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 14, reg, clk);
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 13, (1u< < 14) | dev, clk);
    iot_gmac_mdio_read(id, phyadd, 14, data, clk);
    return 0;
}


int dwc_mdio_c22writec45(uint8_t id, uint8_t phyadd, uint8_t dev, uint16_t reg, uint16_t data, uint32_t clk)
{
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 13, (0< < 14) | dev, clk);
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 14, reg, clk);
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 13, (1u< < 14) | dev, clk);
    iot_gmac_mdio_write(id, phyadd, 14, data, clk);
    return 0;
}

測試代碼如下

uint16_t c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22writec45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,3,0,1u< < 10,p_ctrl.clk);
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,3,0,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("PC1R=%xrn",c45reg);
    c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,3,1,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("PS1R=%xrn",c45reg);
    c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,3,20,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("EEECR=%xrn",c45reg);
    c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,3,22,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("EEEWER=%xrn",c45reg);
    c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,7,60,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("EEEAR=%xrn",c45reg);
    c45reg = 0;
    dwc_mdio_c22readc45(p_ctrl.unit,p_ctrl.phy_addr,7,61,&c45reg,p_ctrl.clk);
    printf("EEELPAR=%xrn",c45reg);