MII/MDIO接口詳解

MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯(lián)技術(shù)，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粚挒?位。

提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名詞術(shù)語(yǔ)，下面講一下他們之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

所謂RS即Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一種MII和MAC/PLS之間的信號(hào)映射機(jī)制。它們(RS與MII)之間的關(guān)系如下圖：

MII接口的Management Interface可同時(shí)控制多個(gè)PHY，802.3協(xié)議最多支持32個(gè)PHY，但有一定的限制：要符合協(xié)議要求的connector特性。所謂Management Interface，即MDC信號(hào)和MDIO信號(hào)。

前面已經(jīng)講過(guò)RS與PLS的關(guān)系，以及MII接口連接的對(duì)象。它們是通過(guò)MII接口進(jìn)行連接的，示意圖如下圖。由圖可知，MII的Management Interface是與STA（Station Management）相連的。

接口支持10Mb/s以及100Mb/s，且在兩種工作模式下所有的功能以及時(shí)序關(guān)系都是一致的，唯一不同的是時(shí)鐘的頻率問(wèn)題。802.3要求PHY不一定一定要支持這兩種速率，但一定要描述，通過(guò)Management Interface反饋給MAC。

下面將詳細(xì)介紹MII接口的信號(hào)定義，時(shí)序特性等。由于MII接口有MAC和PHY模式，因此，將會(huì)根據(jù)這兩種不同的模式進(jìn)行分析，同時(shí)還會(huì)對(duì)RMII/SMII進(jìn)行介紹。

MII接口可分為MAC模式和PHY模式，一般說(shuō)來(lái)MAC和PHY對(duì)接，但是MAC和MAC也是可以對(duì)接的。

以前的10M的MAC層芯片和物理層芯片之間傳送數(shù)據(jù)是通過(guò)一根數(shù)據(jù)線來(lái)進(jìn)行的，其時(shí)鐘是10M，在100M中，如果也用一根數(shù)據(jù)線來(lái)傳送的話，時(shí)鐘需要100M，這會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，所以定義了MII接口，它是用4根數(shù)據(jù)線來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，這樣在傳送100M數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘就會(huì)由100M降低為25M，而在傳送10M數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘會(huì)降低到2.5M，這樣就實(shí)現(xiàn)了10M和100M的兼容。

MII接口主要包括四個(gè)部分。一是從MAC層到物理層的發(fā)送數(shù)據(jù)接口，二是從物理層到MAC層的接收數(shù)據(jù)接口，三是從物理層到MAC層的狀態(tài)指示信號(hào)，四是MAC層和物理層之間傳送控制和狀態(tài)信息的MDIO接口。

MII接口的MAC模式定義：

MII接口PHY模式定義：

在MII接口中，TX通道參考時(shí)鐘是TX_CLK，RX通道參考時(shí)鐘是RX_CLK，802.3-2005定義了它們之間的關(guān)系。

圖3 Transmit signal timing relationships at the MII

由圖3可知，即The clock to output delay shall be a min of 0 ns and a max of 25 nsSpec只對(duì)TX通道上MAC這一側(cè)的發(fā)送特性作了定義，而對(duì)TX通道PHY那一側(cè)的接收特性并沒(méi)有定義。IC Vendor可在TX通道那一側(cè)的PHY的接收特性作適當(dāng)調(diào)整，只要最終的時(shí)序滿足TX通道上MAC這一側(cè)的發(fā)送特性就可以。

圖4 Receive signal timing relationships at the MII

由圖4可知，The input setup time shall be a minimum of 10 ns and the input hold time shall be a minimum of 10 nsSpec只對(duì)RX通道上MAC這一側(cè)的接收特性作了定義，而對(duì)RX通道PHY那一側(cè)的發(fā)送特性并沒(méi)有定義。IC Vendor可在RX通道那一側(cè)的PHY的發(fā)送特性作適當(dāng)調(diào)整，只要最終的時(shí)序滿足RX通道上MAC這一側(cè)的接收特性就可以。

<1>： TX_CLK (transmit clock)，TX_CLK (Transmit Clock)是一個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘信號(hào)（即系統(tǒng)啟動(dòng)，該信號(hào)就一直存在），它是TX_EN, TXD, and TX_ER(信號(hào)方向?yàn)閺腞S到PHY)的參考時(shí)鐘，TX_CLK由PHY驅(qū)動(dòng)TX_CLK的時(shí)鐘頻率是數(shù)據(jù)傳輸速率的25%，偏差+-100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK時(shí)鐘頻率為25MHz，占空比在35%至65%之間。

<2>：對(duì)于同樣的RX_CLK，它與TX_CLK具有相同的要求，所不同的是它是RX_DV, RXD, and RX_ER(信號(hào)方向是從PHY到RS)的參考時(shí)鐘。RX_CLK同樣是由PHY驅(qū)動(dòng)，PHY可能從接收到的數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘RX_CLK，也有可能從一個(gè)名義上的參考時(shí)鐘(e.g., the TX_CLK reference)來(lái)驅(qū)動(dòng)RX_CLK

<3>：TXD (transmit data)，TXD由RS驅(qū)動(dòng)，同步于TX_CLK，在TX_CLK的時(shí)鐘周期內(nèi)，并且TX_EN有效，TXD上的數(shù)據(jù)被PHY接收，否則TXD的數(shù)據(jù)對(duì)PHY沒(méi)有任何影響。

<4>：TX_ER (transmit coding error)，TX_ER同步于TX_CLK，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，如果TX_ER有效超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，并且此時(shí)TX_ENTX_ER有效并不影響工作在10Mb/s的PHY或者TX_EN無(wú)效時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。在MII接口的連線中，如果TX_ER信號(hào)線沒(méi)有用到，必須將它下拉接地。

<5>：RX_DV (Receive Data Valid)，RXD_DV同步于RX_CLK，被PHY驅(qū)動(dòng)，它的作用如同于發(fā)送通道中的TX_EN，不同的是在時(shí)序上稍有一點(diǎn)差別：為了讓數(shù)據(jù)能夠成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時(shí)間必須覆蓋整個(gè)FRAME的過(guò)程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter，如下圖7。

<6>：RXD (receive data)，RXD由RS驅(qū)動(dòng)，同步于RX_CLK，在RX_CLK的時(shí)鐘周期內(nèi)，并且RX_DV有效，RXD上的數(shù)據(jù)被RS接收，否則RXD的數(shù)據(jù)對(duì)RS沒(méi)有任何影響。While RX_DV is de-asserted, the PHY may provide a False Carrier indication by asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。

<7>：RX_ER (receive error)，RX_ER同步于RX_CLK，其在RX通道中的作用類(lèi)似于TX_ER對(duì)于TX通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

<8>：CRS (carrier sense)，CRS不需要同步于參考時(shí)鐘，只要通道存在發(fā)送或者接收過(guò)程，CRS就需要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit 0.8 in the control register is set to a logic one(自動(dòng)協(xié)商禁止，人工設(shè)為全雙工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半雙工模式信號(hào)有效，全雙工模式信號(hào)無(wú)效。

<9>：COL (collision detected)，COL不需要同步于參考時(shí)鐘。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit 0.8 in the control register is set to a logic one（自動(dòng)協(xié)商禁止，人工設(shè)為全雙工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半雙工模式信號(hào)有效，全雙工模式信號(hào)無(wú)效。

MDIO接口包括兩根信號(hào)線：MDC和MDIO，通過(guò)它，MAC層芯片（或其它控制芯片）可以訪問(wèn)物理層芯片的寄存器（前面100M物理層芯片中介紹的寄存器組，但不僅限于100M物理層芯片，10M物理層芯片也可以擁有這些寄存器），并通過(guò)這些寄存器來(lái)對(duì)物理層芯片進(jìn)行控制和管理。MDIO管理接口如下：

MDC：管理接口的時(shí)鐘，它是一個(gè)非周期信號(hào)，信號(hào)的最小周期（實(shí)際是正電平時(shí)間和負(fù)電平時(shí)間之和）為400ns，最小正電平時(shí)間和負(fù)電平時(shí)間為160ns，最大的正負(fù)電平時(shí)間無(wú)限制。它與TX_CLK和RX_CLK無(wú)任何關(guān)系。

MDIO是一根雙向的數(shù)據(jù)線。用來(lái)傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數(shù)據(jù)與MDC時(shí)鐘同步，在MDC上升沿有效。MDIO管理接口的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如：

PRE：幀前綴域，為32個(gè)連續(xù)“1”比特，這幀前綴域不是必要的，某些物理層芯片的MDIO操作就沒(méi)有這個(gè)域。

OP：幀操作碼，比特“10”表示此幀為一讀操作幀，比特“01”表示此幀為一寫(xiě)操作幀。

PHYAD：物理層芯片的地址，5個(gè)比特，每個(gè)芯片都把自己的地址與這5個(gè)比特進(jìn)行比較，若匹配則響應(yīng)后面的操作，若不匹配，則忽略掉后面的操作。

REGAD：用來(lái)選擇物理層芯片的32個(gè)寄存器中的某個(gè)寄存器的地址。

TA：狀態(tài)轉(zhuǎn)換域，若為讀操作，則第一比特時(shí)MDIO為高阻態(tài)，第二比特時(shí)由物理層芯片使MDIO置“0”。若為寫(xiě)操作，則MDIO仍由MAC層芯片控制，其連續(xù)輸出“10”兩個(gè)比特。

DATA：幀的寄存器的數(shù)據(jù)域，16比特，若為讀操作，則為物理層送到MAC層的數(shù)據(jù)，若為寫(xiě)操作，則為MAC層送到物理層的數(shù)據(jù)。

IDLE：幀結(jié)束后的空閑狀態(tài)，此時(shí)MDIO無(wú)源驅(qū)動(dòng)，處高阻狀態(tài)，但一般用上拉電阻使其處在高電平，即MDIO引腳需要上拉電阻。

MDIO數(shù)據(jù)幀的時(shí)序關(guān)系如下：

MII接口也有一些不足之處，主要是其接口信號(hào)線很多，發(fā)送和接收和指示接口有14根數(shù)據(jù)線(不包括MDIO接口的信號(hào)線，因?yàn)槠浔凰蠱II接口所共享)，當(dāng)交換芯片的端口數(shù)據(jù)較多時(shí)，會(huì)造成芯片的管腳數(shù)目很多的問(wèn)題，這給芯片的設(shè)計(jì)和單板的設(shè)計(jì)都帶來(lái)了一定的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)了兩種新的MII接口，它們是RMII接口(Reduced MII接口)和SMII接口(StreamMII接口)。

這兩種接口都減少了MII接口的數(shù)據(jù)線，不過(guò)它們一般只用在以太網(wǎng)交換機(jī)的交換MAC芯片和多口物理層芯片中，而很少用于單口的MAC層芯片和物理層芯片中。RMII接口和SMII接口都可以用于10M以太網(wǎng)和100M以太網(wǎng)，但不可能用于1000M以太網(wǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)時(shí)鐘頻率太高，不可能實(shí)現(xiàn)。

下面這張圖是從DM368的datasheet上的：