PHY_MDIO 接口设计
在以太网通信中，设备之间的物理局链路均由 PHY 芯片建立。PHY 芯片内部含有一些列寄存器，用户可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。PHY 内部寄存器的读写通过 MDIO 接口进行。
8.5.2.1 MDIO 接口
MDIO 接口由数据传输时钟 MDC 和双向数据信号 MDIO 组成，如下图所示
图8‑33 MDIO接口
MDIO 为双向接口，在 PHY 芯片外部需要连接上拉电阻， 1 个 MDIO 接口可以同时连接多个 PHY 芯片。由于 MDIO 协议中 PHY 芯片地址的位宽为 5bit，因此， 1 个 MDIO 接口最多可以同时连接 32 个PHY 芯片。
表8‑9 MDIO接口通信协议
Preamble | Start | Opcode | PHY address | Register address | Turn-around | Register data | Idle |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
32bit 1 | 01 | Read:10Write:01 | 5bit | 5bit | Read:z0Write:10 | 16 bit | z |
MDIO的寄存器读时序波形如下图所示。
图8‑34 MDIO的寄存器读时序波形
MDIO的寄存器写时序波形如下图所示。
图8‑35 MDIO的寄存器写时序波形
8.5.2.2 PHY关键参数
一般的PHY芯片最高可支持15Mhz的MDC时钟，本例程中使用了10Mhz的频率。
（1）PHY芯片地址
一般的PHY地址都是可以通过硬件进行设置，查看相关原理图就可以确定。
（2）控制寄存器
一般的PHY中地址为0x00的寄存器可用于芯片的复位以及其他功能的控制。本例程中用到了其中的bit9，用于使芯片重新进行自协商。寄存器描述如下图所示。
图8‑36 0x00的寄存器
（3）状态寄存器
一般PHY中地址为0x19的寄存器反映了芯片当前的状态。本例程中用到了bit15，bit10~8，bit2，用于判断芯片自协商、连接速率、双工状态等信息。寄存器描述如下图所示。
图8‑37 0x19的寄存器
8.5.2.1 模块设计
（一）模块结构
MDIO接口模块结构如下图所示，由模块mdio_top及其子模块mdio_control组成。
图8‑38 MDIO接口模块结构
（二）模块接口
（1）mdio_top模块
mdio_top模块各接口定义如下表所示。
表8‑10 mdio_top模块接口定义
接口名称 | 信号方向 | 接口说明 |
|---|---|---|
clk | input | 输入参考时钟 |
reset | input | 模块全局复位信号，高电平有效 |
mdio_en | input | MDIO接口使能信号，高电平有效 |
link_ok[1:0] | output | 2个PHY芯片链路状态正常指示信号，高电平有效 |
mdc | output | MDIO接口mdc时钟信号 |
mdio | inout | MDIO接口mdio双向数据信号 |
（2）mdio_control模块
mdio_control模块各接口定义如下表所示。
表8‑11 mdio_control模块接口定义
接口名称 | 信号方向 | 接口说明 |
|---|---|---|
mdc_clk | input | 输入参考时钟 |
reset | input | 模块全局复位信号，高电平有效 |
mdio_write_en | input | MDIO接口写寄存器使能信号，高电平有效 |
mdio_read_en | input | MDIO接口读寄存器使能信号，高电平有效 |
phy_address[4:0] | input | PHY芯片地址 |
register_address[4:0] | input | 需要读或写的寄存器地址 |
mdio_write_done | output | 写寄存器完成指示信号 |
mdio_read_done | output | 读寄存器完成指示信号 |
write_register_data[15:0] | input | 通过MDIO接口写入PHY芯片的寄存器值 |
read_register_data[15:0] | output | 通过MDIO接口从PHY芯片读取的寄存器值 |
mdc | output | MDIO接口mdc时钟信号 |
mdio | inout | MDIO接口mdio双向数据信号 |
（三）模块原理
（1）mdio_top模块
本模块主要完成PHY芯片状态监控和配置，并控制子模块mdio_control完成2个PHY芯片的寄存器的写入和读取。本模块的工作状态机如下图所示。
图8‑39 mdio_top模块工作状态机
IDLE状态
本模块复位后随即进入本状态。在本状态，本模块等待外部模块输入MDIO启动信号mdio_en拉高，若接收到启动信号为1，则进入READ PHY STATUS状态，否则在本状态循环。
READ PHY STATUS状态
在本状态时，本模块向子模块mdio_control发送所要读取的PHY芯片地址phy_address和寄存器地址register_address，并将mdio_read_en使信号置1，使能mdio_control模块接收数据，随后进入WAIT AUTO NEG DONE状态。在本例程中，读取的为1.2.2节中所述地址为0x19的状态寄存器的bit15，bit10~8，bit2。该寄存器包含了当前以太网链路的连接速率、双工模式、连接状态等信息。
WAIT AUTO NEG DONE状态
在本状态时，本模块等待mdio_control模块返回寄存器读取完成信号mdio_read_done。当寄存器读取完成后，根据寄存器的值判断PHY芯片是否完成自协商，连接速率是否为1000Mbps，且传输模式是否为全双工。若满足上述条件，则将链路状态指示信号link_ok信号置1，并进入DELAY状态；若不满足条件，则将link_ok信号置0，并进入PHY RE AUTO NEG状态。若寄存器未读取完毕则在本状态循环。
PHY RE AUTO NEG状态
在本状态时，本模块向子模块mdio_control发送所需写入的PHY芯片地址phy_address和寄存器地址register_address，并将mdio_write_en使信号置1，使能mdio_control模块发送数据，随后进入DELAY状态。在本例程中，写入的为1.2.1节中所述的地址为0x00的控制寄存器的bit9，使PHY芯片重新进行自协商，重新建立以太网连接。
DELAY状态
在本状态时，本模块进行延时操作，等待以太网链路的重新建立。延时完成后进入READ PHY STATUS状态。该延时值可根据实际需求进行设置。
（2）mdio_control模块
本模块在mdio_top模块的控制下，完成MDIO接口协议的实现，以及PHY芯片相应寄存器的读写操作。
模块中，通过ODDR实现PHY芯片mdc时钟的输出。如下图。
通过IOBUF实现mdio双向端口，如下图。其中mdio_direction用于控制mdio接口的方向。
本模块的工作状态机如下图所示。
图8‑40 mdio_control模块工作状态机
IDLE状态
本模块复位后随即进入本状态。在本状态时，本模块等待mdio_top模块拉高读寄存器使能信号mdio_read_en或写寄存器使能信号mdio_write_en。若读或写使能信号拉高则进入SEND PREAMBLE状态，否则在本状态循环。
SEND PREAMBLE状态
在本状态时，本模块通过MDIO接口发送32bit的MDIO通信前缀“1”，若mdio_top拉高是的读寄存器使能信号，则进入READ REG状态，若为写寄存器使能信号则进入WRITE REG状态。
READ REG状态
在本状态时，本模块根据mdio_top模块输入的PHY芯片地址phy_address和寄存器地址register_address，按照MDIO通信协议从PHY芯片读出相应地址的寄存器值read_register_data，输出至mdio_top模块，同时将读寄存器完成信号mdio_read_done拉高一个时钟周期，随后进入IDLE状态。
WRITE REG状态
在本状态时，本模块根据mdio_top模块输入的PHY芯片地址phy_address、寄存器地址register_address和寄存器值write_register_data，按照MDIO通信协议将配置值写入PHY芯片相应地址的寄存器中，寄存器配置完成后将寄存器配置完成信号mdio_write_done拉高一个时钟周期，随后进入IDLE状态。
这样基于UDP/IP协议的电口通信所有需要的原理就结束了，实例就演示就不演示了，后面工程完善一下后，会开源出来，请大家持续关注。