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    • 二、mdio基础概念
    • 三、mdio协议波形
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如何使用gpio模拟mdio通信?

11/12 11:40
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一、前言

实际项目开发中,由于设计原因,会将phy的mdio引脚连接到SoC的2个空闲gpio上,这样就无法通过Gmac自有的架构实现修改phy,因此只能通过GPIO模拟的方式实现MDIO,好在Linux支持MDIO via GPIO功能。

该功能需要用到内核驱动mdio-bitbang.c和mdio-gpio.c。

本例 :

    平台:复旦微
    kernel 版本:linux 4.14.55-xxxxx
    phy连接到gmac0
    mdio总线连接到:gpioc 2、portc 3

二、mdio基础概念

1、SMI接口

SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口,它由两根线组成,双工:

MDC(Management Data Clock)为时钟,MDIO(Management Data Input/Output)为双向数据通信,原理上跟I2C总线很类似,也可以通过总线访问多个不同的phy。

MDIO协议是以太网标准IEEE802.3中专门用于MAC和PYH之间管理的串行接口总线,该接口主要用于MAC控制器对PYH层的状态读取和设置(寄存器操作)、获取链路状态,控制物理层协商等操作。

MDC/MDIO基本特性:
    两线制    :MDC(时钟线)和MDIO(数据线)。分主从设备。
    时钟频率:2.5MHz
    通信方式:总线制,可同时接入的PHY数量为32个通过SMI接口,MAC芯片主动的轮询PHY层芯片,获得状态信息,并发出命令信息。

其中主设备称作STA,从设备称作MDI,一个主设备可以对多个从设备进行命令读写操作。

三、mdio协议波形

1、MDIO接口数据帧

在IEEE802.3协议中,把MDIO接口数据帧分为两种,一种是Clause22,另一种是Clause45

前者主要用于百兆千兆以太网,后者用于千兆以上的以太网。

2、Clause22

MDIO 接口的读写通信协议如下图所示:

CLAUSE22 数据帧协议

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

波形举例
向phy:3 寄存器0x00 写入 数据0x4140

3、Clause45

四、YT8521

YT8521S是一款高度集成的以太网收发器,符合10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T IEEE 802.3标准。

1、引脚

其中与mdio相关引脚:

14  MDC         Management Data Clock
15  MDIO        Input/Output of Management Data.
      Pull up 3.3V/2.5V/1.8V for 3.3V/2.5V/1.8V I/O respectively

2、模块图

3、MDIO协议时序-[重要]

下面YT8521的SMI时序图

上升沿读数据,下降沿写数据

五、驱动移植

1、驱动文件及移植

mdio-gpio.c
mdio-bitbang.c

在这里插入图片描述

勾选 下面几项:

  │ │                   <*>   Bitbanged MDIO buses                                            │ │  
  │ │                   <*>   GPIO controlled MDIO bus multiplexers                           │ │  
  │ │                   <*>   MMIO device-controlled MDIO bus multiplexers                    │ │  

2、移植设备树

 aliases {
    …………
     mdio-gpio0 = &mdio0;
 };
 
 mdio0: mdio {
     compatible = "virtual,mdio-gpio";
     gpios = <&portc 2 0 >,<&portc 3 0>;                                               
     #address-cells = <1>;
     #size-cells = <0>;
   
     phy0: ethernet-phy@7 {
         reg = <0x7>;
         yt,phy-delay = <0xfc>;
         phy-connection-type = "rgmii-id";
     };
 };
 &gmac0 {
  status = "okay";
  phy-handle = <&phy0>;
 };

由设备树可知,

    我们创建了1个独立的mdio设备节点,当用命令mdio修改phy时,就会根据gmac0的phy-handle,找到mdio0节点从而调用mdio-gpio驱动模块来配置phy:8521。

下图,是phy直接连接到gmac0的mdio接口,mdio命令执行的通路:

下图是phy连接到gpio口,mdio命令执行的通路:

3、查看log

开机有以下log,说明驱动 移植成功:

# dmesg | grep MDIO
[    3.257270] libphy: GPIO Bitbanged MDIO: probed
[    3.274202] libphy: Fixed MDIO Bus: probed
# cd /sys/class/mdio_bus/
# ls
fixed-0   gpio-0    stmmac-0  stmmac-1
# cd gpio-0/
# ls
device     gpio-0:03  of_node    power      subsystem  uevent
# cd gpio-0:03/
# ls
attached_dev    phy_has_fixups  power
driver          phy_id          subsystem
of_node         phy_interface   uevent

4、操作

修改eth0为百兆速率,则设置Speed_Selection位为01,同时自动协商为Autoneg_En要禁用,即设置该寄存器值为0x2140:

# mdio eth0 0x00 0x2140
 write phy addr: 0x3  reg: 0x0  value : 0x2140

抓取波形如下:

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公众号『一口Linux』号主彭老师,拥有15年嵌入式开发经验和培训经验。曾任职ZTE,某研究所,华清远见教学总监。拥有多篇网络协议相关专利和软件著作。精通计算机网络、Linux系统编程、ARM、Linux驱动、龙芯、物联网。原创内容基本从实际项目出发,保持原理+实践风格,适合Linux驱动新手入门和技术进阶。