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外观

02、MDIO Interface Clause 45与Clause 22详解 ​

以太网MDIO接口的功能说明

MDIO（管理数据输入输出）接口的主要作用是配置网络物理层芯片（PHY）的工作状态，具体包括：

  1. 自动协商功能
    通过读写PHY芯片的内部寄存器，自动匹配网络设备间的通信参数（如速率、双工模式等）。

  2. PHY芯片识别
    通过地址识别确定连接的PHY芯片型号，确保后续配置操作针对正确的设备。

MDIO数据帧类型分为两种：

  • Clause22：用于百兆和千兆以太网设备

  • Clause45：专为千兆以上高速以太网设计

简单来说，MDIO就像一个"配置助手"，负责根据网络需求自动设置PHY芯片的工作参数，并通过不同协议（Clause22/45）适配不同速度的网络设备。

一、Clause 22 ​

Clause 22简介
Clause 22是最基础的MDIO通信协议，也叫MDC/MDIO协议。它通过两根线工作：

  • MDC线：提供时钟信号

  • MDIO线：传输数据

主要特点

  1. 速度低：最快25MHz，实际常用速度为2.5MHz（即2.5Mbps）

  2. 设备数量：最多可连接32个网络物理层芯片（PHY）

  3. 简单通用：电路设计简单，成本低，被大多数以太网设备广泛使用

优势
✅ 经过长期验证，稳定性好，适用于传统网络设备
✅ 硬件实现容易，生产成本比新协议更低

二、Clause 45 ​

Clause 45是IEEE 802.3an标准推出的新协议，主要特点包括：

  1. 四线通信：使用MDC、MDIO两根基础信号线，以及扩展的数据和时钟信号线。

  2. 高速传输：数据传输速度最高可达1 GHz，满足高带宽需求。

  3. 功能增强：支持远程设备管理、复杂控制等高级操作。

  4. 多设备支持：可管理最多128个物理设备（PHY），适合大规模网络部署。

优势：

  • 速度快：适合需要高速传输的场景，如数据中心或高清视频传输。

  • 扩展性强：能同时管理大量设备，特别适合大型网络或数据中心环境。

简单来说，它就是一款更快、更智能的通信协议，能高效管理更多设备并传输更大数据量。

三、Clause 22 vs. Clause 45 ​

  • MDIO（管理数据输入输出）是一种两线制的通信总线，专门用于配置网络设备中的物理层芯片（PHY芯片）。它的运作方式如下：

  1. 线缆构成

    • 一条是数据线（MDIO），负责双向收发数据

    • 另一条是时钟线（MDC），为数据传输提供同步时钟，速度通常在几兆赫兹（不同芯片可能有差异）

  2. 数据传输方式
    数据传输严格跟随MDC时钟信号同步进行，就像时钟滴答声控制数据的发送和接收节奏。

  3. 协议演变

    • 早期使用Clause22协议，但它的寄存器数量有限

    • 后来升级为Clause45协议，增加了更多寄存器空间，同时能兼容旧版Clause22设备

简单来说，MDIO就像一条双车道数据公路，其中一条车道负责运输数据，另一条车道提供导航信号。而协议的升级则像是拓宽了公路并保留了旧路标识，让新老车辆都能通行。

图 0

四、Clause 22数据帧格式 ​

图 1

  • STA：Station Management

  • MMD：MDIO Managed Device

  • PRE：帧前导码，为32个连续“1”比特。

  • ST：帧开始标志， Clause22 的开始标志为比特“01”。

  • OP：操作码，CL22中比特“10”表示此帧为一读操作帧，比特“01”表示此帧为一写操作帧。

  • PHYAD：MMD的物理地址，5个比特，每个MMD都把自己的地址与这5个比特进行比较，若匹配则响应后面的操作，若不匹配，则忽略掉后面的操作。

  • REGAD：用来选MMD的32个寄存器中的某个寄存器的地址。

  • TA：状态转换域，若为读操作，则第一比特时MDIO为高阻态，第二比特时由MMD使MDIO置“0”。若为写操作，则MDIO仍由STA控制，连续输出“10”两个比特。

  • DATA：帧的寄存器的数据域，16比特，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：帧结束后的空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态。

clause22里面的PHYAD 通常由PHY设备的硬件配置去决定的，值大小为0-31.注意PHYAD 与 PHY ID不要弄混了。 其中phy_addr可以通过ethtool eth0获取PHYAD值：

五、Clause 45数据帧格式 ​

图 2

  • STA：Station Management

  • MMD：MDIO Managed Device

  • PRE：帧前导码，为32个连续“1”比特。

  • ST：帧开始标志， 为了区别CL22，Clause45 的开始标志为比特“00”。

  • OP：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“11”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。

  • REGAD：用来选MMD的65536个寄存器中的某个寄存器的地址。

  • TA：状态转换域，若为读操作，则第一比特时MDIO为高阻态，第二比特时由MMD使MDIO置“0”。若为写操作，则MDIO仍由STA控制，连续输出“10”两个比特。

  • DATA：帧的寄存器的数据域，16比特，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：帧结束后的空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态。

六、如何通过Clause 22 方式访问Clause 45 ​

图 3

这种间接的访问方式，其实通过 REG13 和 REG14的配合访问，类似C语言的指针。

图 4

例如访问：device1， reg2的内容 第一步，设置 REG13，其中 bit15:14 = 0:0 表示这是地址，device对应 device=1 第二步，把需要操作的寄存器reg=2的地址写入 REG14 第三步，设置 REG13，其中 0x4000 表示 bit 15:14 = 0:1 表示这个是数据，并且地址不增加。 第四步，直接读取REG14，相当于间接读了REG2的内容，就是REG2的内容了。

C
device = 1;
reg = 2;
mdiobus_write(bus, addr, 0xd, device)
mdiobus_write(bus, addr, 0xe, reg)
mdiobus_write(bus, addr, 0xd, 0x4000 + device)
phy_id[i] = mdiobus_read(bus, addr, 0x0e) & 0xffff;