PHY管理接口简介

以太网传输速率从10兆发展到今天的100G，MAC层和PHY层之间的硬件接口发生了很大的变化，但是其中用来管理PHY的物理引脚始终只有2个，即MDC和MDIO引脚。随着PHY层变得越来越复杂，PHY寄存器的组织方式和寻址方式发生了变化，PHY管理接口的名称也从“MII管理接口”变为“MDIO接口”。千兆以太网之前，PHY管理接口称为“MII管理接口”；从10G以太网开始使用“MDIO接口”。有的千兆和百兆PHY支持一些扩展功能，也需要使用MDIO接口进行管理。

MII管理接口和MDIO接口

IEEE802.3标准的Clause22中描述了MII管理接口，而MDIO接口则在Clause45中进行说明。

PHY管理接口只有2个引脚，即MDC和MDIO。MDC用于传送时钟信号。在MII管理接口中，MDIO引脚只用作数据I/O通道；在MDIO接口中，则作为地址和数据通道使用。在电气特性方面，MDIO接口使用了更低的电压。

在产品硬件设计中，一台设备可能需要插多种型号的子卡，不同子卡上可能使用不同的PHY芯片，这意味着MAC芯片既要支持MII管理接口也要支持MDIO接口，并且可以在两种接口之间自由切换。

寄存器的组织方式

千兆以下的PHY比较简单，只有32个寄存器，MAC通过MII管理接口访问这些PHY寄存器。

10G以上的PHY比较复杂，PHY层被划分为多个子层，PCS子层、PMA子层、PMD等子层都有各自对应的MMD设备。MMD设备是MDIOManageableDevice的缩写，通过IEEE802.3标准Clause45规定的MDIO接口进行管理。10G以上的PHY的寄存器数量大大增加，寄存器的组织方式和千兆PHY也有明显的差异。

MII管理接口的寄存器

MII管理接口的寄存器列表：

地址	寄存器名称	说明
Control	基本寄存器
1	Status
2,3	PHYIdentifier	扩展寄存器
4	Auto-NegotiationAdvertisement
5	Auto-NegotiationLinkPartnerBasePageAbility	扩展寄存器，用于自协商功能
6	Auto-NegotiationExpansion
7	Auto-NegotiationNextPageTransmit
8	Auto-NegotiationLinkPartnerReceivedNextPage
9	MASTER-SLAVEControlRegister
10	MASTER-SLAVEStatusRegister
11	PSEControlregister
12	PSEStatusregister
13	MMDAccessControlRegister
14	MMDAccessAddressDataRegister
15	ExtendedStatus	千兆以太网中，register15用作扩展的状态寄存器；百兆以太网中，保留未使用。
16~31	VendorSpecific	由PHY厂商自定义。这也意味着，这些寄存器需要参考芯片手册才能了解具体的含义。

MDIO接口的寄存器

在MDIO接口的定义中，PHY层被划分为多个MMD设备（MDIOManagableDevice），每个MMD内部的寄存器的地址分配和MII管理接口中的地址类似，不过寄存器的数量多出很多。

IEEE802.3标准规定的MMD设备地址：

设备地址	设备名称
保留
	PMA/PMD设备 10G以太网中，PMA和PMA通常集成在一起。
2	WIS
3	PCS
	PHYXS
	DTEXS
	TC
	Auto-Negotiation
	SeparatedPMA(1) 40G/100G以太网中，PMA和PMD是分开的。
	SeparatedPMA(2)
	SeparatedPMA(3)
	SeparatedPMA(4)
12~28
29	Clause22扩展
30	VendorSpecific1。这意味着，device30的寄存器需要参考厂商的芯片手册才能了解具体的含义。
31	VendorSpecific2

管理帧的结构

MAC访问PHY时，需要向PHY发送特定格式的信号，这些信号称为“管理帧”。

MII管理接口的帧结构

通过MII管理接口访问PHY寄存器时，知道PHY地址和寄存器地址即可。MII接口管理帧的结构如下：

操作类型	PRE	ST	OP	PHYAD	REGAD	TA	DATA
读操作	1......1			AAAAA	RRRRR	Z0	DDDDDDDDDDDDDDDD
写操作

1)PRE

PRE即preamble。MAC访问PHY寄存器之前，连续发送32个“1”，用于和PHY进行同步。

2)ST

ST即Startofframe，是2个固定的比特0和1。

3)OP

OP即OperationCode。读操作的操作码是10，写操作的操作码是01。

4)PHYAD

PHYAD即PHYaddress，表示5个bit位的PHY地址。PHY地址是由硬件连接决定的。硬件设计时，把PHY芯片的引脚电平上拉或者下拉，就可以设定PHY的地址。

5)REGAD

REGAD即RegisterAddress，表示PHY内部的寄存器地址。MII管理接口中，寄存器地址是5位的。

6)TA

TA即TurnAround。读操作的TA域从高阻态变为0，写操作的TA域则是从1变为0。

7)DATA

数据域为16bit，和PHY寄存器的宽度一致。读操作中，DATA域是从PHY层读到的数据；写操作中，DATA域是要写入PHY寄存器的值。

MDIO接口的管理帧

MDIO接口硬件上和MII管理接口一致，但是管理帧结构发生了变化。通过MDIO接口访问PHY寄存器时，需要知道端口地址、MMD设备地址和寄存器地址。

MDIO接口的管理帧如下：

				PRTAD	DEVAD		ADDRESS/DATA
地址操作		00		PPPPP	EEEEE		AAAAAAAAAAAAAAAA
Post-read-increment-address操作

和MII管理接口相比，MDIO接口的读和写操作变复杂了，操作一个寄存器需要两步完成，首先要传送寄存器地址信息，然后才能读或者写对应的寄存器。

和MII管理接口的管理帧相比，MDIO接口的管理帧的主要差异如下：

1)ST

ST即Startofframe。MII接口的管理帧的ST域是01，MDIO管理帧中ST域的值是00。

2)PRTAD

PRTAD即PortAddress。PRTAD和MII管理接口的管理帧的PHYaddress一致。

3)DEVAD

DEVAD是DeviceAddress，该域是MMD设备的5位ID。这个域对应MII管理接口的管理帧的寄存器地址域。

4)ADDRESS/DATA

MDIO接口的地址操作中，这个域用来传送需要访问的寄存器的16位地址。MII管理接口中，寄存器地址只有5位；MDIO接口中，寄存器地址变为16位。

MDIO接口的读写操作中，这个域是读出或者待写入的数据。