GPIO模拟SMI[MDC/MDIO]协议

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GPIO模拟SMI[MDC/MDIO]协议

GPIO模拟SMI[MDC/MDIO]协议

• 背景
• 一、SMI概念
• 二、MDIO数据传输协议
• 三、实现代码示例

背景

在某些芯片上可能没有提供MDC/MDIO接口，可以通过GPIO（General Purpose Input/Output）来模拟，GPIO可实现串行输入输出，且一般CPU上会提供很多GPIO接口供用户自定义使用。

每组SMI需要两个GPIO口分别来模拟MDC和MDIO，首先需要保证这两个GPIO口不作其他用途，且相应的复用模式设置为GPIO模式。

一、SMI概念

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），通常直接被称为MDIO接口（Management Data Input/Output Interface）。MDIO最早在IEEE 802.3的第22卷定义，后来在第45卷又定义了增强版本的MDIO，其主要被应用于以太网的MAC和PHY层之间，用于MAC层器件通过读写寄存器来实现对PHY层器件的操作与管理。

MDIO主机（即产生MDC时钟的设备）通常被称为STA（Station Management Entity），而MDIO从机通常被称为MMD（MDIO Management Device）。通常STA都是MAC层器件的一部分，而MMD则是PHY层器件的一部分。

MDIO接口包括两条线，MDIO和MDC，其中MDIO是双向数据线，而MDC是由STA驱动的时钟线。MDC时钟的最高速率一般为2.5MHz，MDC也可以是非固定频率，甚至可以是非周期的。MDIO接口只是会在MDC时钟的上升沿进行采样，而并不在意MDC时钟的频率（类似于I2C接口）。MDIO是一个PHY的管理接口，用来读/写PHY的寄存器，以控制PHY的行为或获取PHY的状态，MDC为MDIO提供时钟。

MDIO原本是为MII总线接口定义的，MII用于连接MAC和PHY，包含两种信号接口：

1. 一个数据接口用于MAC和PHY之间接收和发送以太网帧数据。

2. 一个PHY管理接口，即MDIO，用于读写每个PHY的控制寄存器和状态寄存器，以达到控制PHY行为和监控PHY状态的目的。

MDIO是双向的，只支持一个MAC连接最多32个PHY的连接方式，且MAC作为master，PHY作为slave。在写PHY寄存器的时候，由MAC驱动MDIO向PHY写入数据；在读PHY寄存器时，前半段由MAC驱动发送寄存器地址，后半段由PHY驱动回复寄存器的值。

MDC要求由MAC输出，是非周期性的，即不要求提供固定频率的时钟，对于PHY芯片则作为输入，以在上升沿触发MDIO的读写。MDC的时钟频率可以是DC-2.5MHz，即最小的时钟周期为400ns。

MDIO接口有两个版本，通常被称为卷22版本和卷45版本。卷22版本的MDIO接口最多支持连接32个MMD（PHY层设备），每个设备最多支持32个寄存器。卷45版本的MDIO接口最多支持连接32个MMD，32个设备类型，每个设备最多支持64K个寄存器

二、MDIO数据传输协议

MDIO数据格式定义在IEEE 802.3以太网标准中，如下图所示（数据传输顺序为从左至右）：

上图中*表示高阻态，这时MDIO的状态由一个外部的1.5KΩ电阻决定。
Preamble+Start：32bits的前导码以及2bit的开始位。
OP Code：2bits的操作码，10表示读，01表示写。
PHYAD：5bits的PHY地址，一般PHY地址从0开始顺序编号，例如6口switch中PHY地址为0-5。
REGAD：5bits的寄存器地址，即要读或写的寄存器。
Turn Around：2bits的TA，在读命令中，MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动，并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，则只是等待两个时钟周期准备写入数据。
Data：16bits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，MAC将要写入对应PHYAD的REGAD寄存器的值写入Data中。
Idle：空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

三、实现代码示例

代码如下（示例）通过chat-gpt搜索，这个是好东西：

#include "stm32f4xx.h"#define SMI_CLK_Pin GPIO_Pin_8 // SMI CLK 引脚
#define SMI_DATA_Pin GPIO_Pin_9 // SMI DATA 引脚void SMI_Init_GPIO(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // Enable GPIOA clockGPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SMI_CLK_Pin | SMI_DATA_Pin;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; // 配置为推挽输出模式GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}uint16_t SMI_ReadRegister(uint32_t phy_addr, uint16_t reg_addr) {uint16_t data = 0;uint16_t command = 0;uint8_t i;// 发送PRE数据for(i = 0; i < 32; i++) {GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}// 发送ST数据GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_DATA_Pin);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_DATA_Pin);// 发送OP数据command = ((phy_addr & 0x1F) << 5) | ((reg_addr & 0x1F) << 0);for(i = 0; i < 14; i++) {GPIO_WriteBit(GPIOA, SMI_DATA_Pin, (command >> (13-i)) & 0x01);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}// 接收数据GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_DATA_Pin); // 配置DATA引脚为输入模式for(i = 0; i < 16; i++) {GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);data |= GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, SMI_DATA_Pin) << (15 - i);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}return data;
}void SMI_WriteRegister(uint32_t phy_addr, uint16_t reg_addr, uint16_t data) {uint16_t command = 0;uint8_t i;// 发送PRE数据for(i = 0; i < 32; i++) {GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}// 发送ST数据GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_DATA_Pin);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_DATA_Pin);// 发送OP数据command = ((phy_addr & 0x1F) << 5) | ((reg_addr & 0x1F) << 0) | 0x4000;for(i = 0; i < 14; i++) {GPIO_WriteBit(GPIOA, SMI_DATA_Pin, (command >> (13-i)) & 0x01);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}// 发送DATA数据for(i = 0; i < 16; i++) {GPIO_WriteBit(GPIOA, SMI_DATA_Pin, (data >> (15-i)) & 0x01);GPIO_SetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);GPIO_ResetBits(GPIOA, SMI_CLK_Pin);}
}