MII/MDIO接口詳解

MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯技術，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數據傳輸速率，數據傳輸的位寬為4位。

提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名詞術語，下面講一下他們之間對應的關系。

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

MII接口的Management Interface可同時控制多個PHY，802.3協議最多支持32個PHY，但有一定的限制：要符合協議要求的connector特性。所謂Management Interface，即MDC信號和MDIO信號。

前面已經講過RS與PLS的關系，以及MII接口連接的對象。它們是通過MII接口進行連接的，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序關系都是一致的，唯一不同的是時鐘的頻率問題。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Management Interface反饋給MAC。

下面將詳細介紹MII接口的信號定義，時序特性等。由于MII接口有MAC和PHY模式，因此，將會根據這兩種不同的模式進行分析，同時還會對RMII/SMII進行介紹。

MII接口可分為MAC模式和PHY模式，一般說來MAC和PHY對接，但是MAC和MAC也是可以對接的。

以前的10M的MAC層芯片和物理層芯片之間傳送數據是通過一根數據線來進行的，其時鐘是10M，在100M中，如果也用一根數據線來傳送的話，時鐘需要100M，這會帶來一些問題，所以定義了MII接口，它是用4根數據線來傳送數據的，這樣在傳送100M數據時，時鐘就會由100M降低為25M，而在傳送10M數據時，時鐘會降低到2.5M，這樣就實現了10M和100M的兼容。

MII接口主要包括四個部分。一是從MAC層到物理層的發(fā)送數據接口，二是從物理層到MAC層的接收數據接口，三是從物理層到MAC層的狀態(tài)指示信號，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通道參考時鐘是TX_CLK，RX通道參考時鐘是RX_CLK，802.3-2005定義了它們之間的關系。

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TX通道上MAC這一側的發(fā)送特性作了定義，而對TX通道PHY那一側的接收特性并沒有定義。IC Vendor可在TX通道那一側的PHY的接收特性作適當調整，只要最終的時序滿足TX通道上MAC這一側的發(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RX通道上MAC這一側的接收特性作了定義，而對RX通道PHY那一側的發(fā)送特性并沒有定義。IC Vendor可在RX通道那一側的PHY的發(fā)送特性作適當調整，只要最終的時序滿足RX通道上MAC這一側的接收特性就可以。

<1>： TX_CLK (transmit clock)，TX_CLK (Transmit Clock)是一個連續(xù)的時鐘信號（即系統啟動，該信號就一直存在），它是TX_EN, TXD, and TX_ER(信號方向為從RS到PHY)的參考時鐘，TX_CLK由PHY驅動TX_CLK的時鐘頻率是數據傳輸速率的25%，偏差+-100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK時鐘頻率為25MHz，占空比在35%至65%之間。

<2>：對于同樣的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(信號方向是從PHY到RS)的參考時鐘。RX_CLK同樣是由PHY驅動，PHY可能從接收到的數據中提取時鐘RX_CLK，也有可能從一個名義上的參考時鐘(e.g., the TX_CLK reference)來驅動RX_CLK

<3>：TXD (transmit data)，TXD由RS驅動，同步于TX_CLK，在TX_CLK的時鐘周期內，并且TX_EN有效，TXD上的數據被PHY接收，否則TXD的數據對PHY沒有任何影響。

<4>：TX_ER (transmit coding error)，TX_ER同步于TX_CLK，在數據傳輸過程中，如果TX_ER有效超過一個時鐘周期，并且此時TX_ENTX_ER有效并不影響工作在10Mb/s的PHY或者TX_EN無效時的數據傳輸。在MII接口的連線中，如果TX_ER信號線沒有用到，必須將它下拉接地。

<5>：RX_DV (Receive Data Valid)，RXD_DV同步于RX_CLK，被PHY驅動，它的作用如同于發(fā)送通道中的TX_EN，不同的是在時序上稍有一點差別：為了讓數據能夠成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時間必須覆蓋整個FRAME的過程，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驅動，同步于RX_CLK，在RX_CLK的時鐘周期內，并且RX_DV有效，RXD上的數據被RS接收，否則RXD的數據對RS沒有任何影響。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通道中的作用類似于TX_ER對于TX通道數據傳輸的影響。

<8>：CRS (carrier sense)，CRS不需要同步于參考時鐘，只要通道存在發(fā)送或者接收過程，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(自動協商禁止，人工設為全雙工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。

<9>：COL (collision detected)，COL不需要同步于參考時鐘。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（自動協商禁止，人工設為全雙工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。

MDIO接口包括兩根信號線：MDC和MDIO，通過它，MAC層芯片（或其它控制芯片）可以訪問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），并通過這些寄存器來對物理層芯片進行控制和管理。MDIO管理接口如下：

MDC：管理接口的時鐘，它是一個非周期信號，信號的最小周期（實際是正電平時間和負電平時間之和）為400ns，最小正電平時間和負電平時間為160ns，最大的正負電平時間無限制。它與TX_CLK和RX_CLK無任何關系。

MDIO是一根雙向的數據線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數據與MDC時鐘同步，在MDC上升沿有效。MDIO管理接口的數據幀結構如：

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

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

PHYAD：物理層芯片的地址，5個比特，每個芯片都把自己的地址與這5個比特進行比較，若匹配則響應后面的操作，若不匹配，則忽略掉后面的操作。

REGAD：用來選擇物理層芯片的32個寄存器中的某個寄存器的地址。

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

DATA：幀的寄存器的數據域，16比特，若為讀操作，則為物理層送到MAC層的數據，若為寫操作，則為MAC層送到物理層的數據。

IDLE：幀結束后的空閑狀態(tài)，此時MDIO無源驅動，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數據幀的時序關系如下：

MII接口也有一些不足之處，主要是其接口信號線很多，發(fā)送和接收和指示接口有14根數據線(不包括MDIO接口的信號線，因為其被所有MII接口所共享)，當交換芯片的端口數據較多時，會造成芯片的管腳數目很多的問題，這給芯片的設計和單板的設計都帶來了一定的問題。為了解決這些問題，人們設計了兩種新的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接口的數據線，不過它們一般只用在以太網交換機的交換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以太網和100M以太網，但不可能用于1000M以太網，因為此時時鐘頻率太高，不可能實現。

下面這張圖是從DM368的datasheet上的：