总线协议:GPIO模拟SMI(MDIO)协议:SMI协议介绍

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TN1305 Technical note
IEEE802.3-2018
STM32F4xx中文参考手册

1 SMI介绍

1.1 SMI总体框图

站管理接口SMI(Serial Management Interface),也可以称为MDIO接口(Management Data Input/Output Interface)。它允许应用程序通过时钟线(MDC)和数据线(MDIO)访问PHY寄存器,支持寻址最多32个PHY,也就是SMI总线上最多可以挂载32片PHY地址不一样的PHY设备。
SMI接口信号框图如下:
在这里插入图片描述
MDC:周期性时钟,提供最大2.5MHz的时钟频率。 MDC的最短高电平时间和最短低电平时间必须为160ns。MDC的最小周期必须为400ns。在空闲状态下,SMI管理接口将MDC时钟信号驱动为低电平。
MDIO:数据输入/输出,用于通过MDC时钟信号向/从PHY设备同步传输状态信息。

1.2 SMI硬件设计

通常主机MDC被配置为推挽输出,MDIO被配置为开漏输出,同时外接上拉电阻。在《IEEE802.3-2018》中MDIO接线的原理图如下:
在这里插入图片描述
MDC和MDIO接线示意图:
在这里插入图片描述
其实,在很多时候PHY设备的MDIO并没有硬件上拉,我们可以在需要读取数据时将MDIO端口配置为上拉输入模式,发送数据时将MDIO配置为推挽输出模式。

1.3 SMI时序

下图为《TN1305 Technical note》中关于MDIO和MDC的时序示意图:
在这里插入图片描述
上图提取出来几个关键信息:
(1)MDC空闲电平为低电平
(2)MDIO数据在MDC上升沿采样,下降沿切换数据

1.4 SMI帧格式

在《STM32F4XX中文参考手册》中给出的SMI帧格式如下:
在这里插入图片描述
SMI帧包括8个字段:
(1)前导码(Preamble):每次读写或写入PHY设备均需要先发送前导码,报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC上的32个周期。该字段用于和PHY设备建立同步。
(2)帧起始(ST):帧起始共2bit,值为01b。用于验证线路从默认逻辑“1”状态变为逻辑“0”状态,然后再从逻辑“0”状态变为逻辑“1”状态。
(3)操作(OP):定义正在进行的事件(读取或写入)的类型。01b表示写入,10b表示读取。
(4)PHY地址(PADDR):PHY地址一共有5位,因此可以寻址最多32个PHY设备。最先发送和接收地址的MSB位。
(5)寄存器地址(RADDR):寄存器地址一共有5位,因此可以最多对所选PHY设备的32个不同寄存器进行寻址。最先发送和接收地址的MSB位。
(6)周转(TA):周转字段一共有2位,它被定义在RADDR和DATA字段之间,避免在读取事件出现竞争现象。读取PHY设备时,主机将TA的2个位驱动为MDIO线上的高阻态。PHY设备必须将TA的第一位驱动为高阻态,将TA的第二位驱动为逻辑“0”。
写入PHY设备时,主机必须将TA字段设置为10b,PHY设备必须将TA的2个字段驱动为高阻态。
(7)数据(DATA):数据字段为16位。发送和接收的均是寄存器的MSB位。
(8)空闲:MDIO被驱动为高阻态。三态驱动器必须被禁止,PHY的上拉电阻使线路保持逻辑“1”状态。
最后,可以用以下2个图片表示SMI的写入和读取PHY设备寄存器报文格式:
写入报文:
在这里插入图片描述
读取报文:
在这里插入图片描述

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