MDIO接口实现
一、前言
本文设计思想采用明德扬至简设计法。以太网这一高效实用的数据传输方式应用于各个领域，如网络交换设备，高速网络相机等。虽然各FPGA厂商都提供MAC IP核，但大多收费，有时无法破解。不同厂家之间无法移植，而且为了通用性考虑牺牲了效率，因此自己动手写一个以太网MAC是个不错的选择。
本博文讨论通过MDIO接口管理PHY芯片来验证其正确工作，为在此基础上设计MAC逻辑开个头。PHY芯片采用RTL8211EGVB，选用GMII接口与MAC连接。下面我们来开始第一步，在此之前明确设计目的：检测PHY芯片是否完成自动协商 链路速率是否达到1000M。所以要从datasheet中了解到芯片引脚 寄存器地址 接口时序。
二、设计分析
管理帧格式如下：
读写操作时序：
MDC为MAC驱动时钟信号，MDIO是串行数据总线，需要连接上拉电阻保证idle状态下高电平。其中前导码包含32个比特“1”，PHY地址根据芯片引脚连接而定，此处为01.turn around域是为了防止读操作时数据冲突，在读操作过程中MAC和PHY均在第1比特处进入高阻态，PHY在第2比特处驱动MDIO接口为低电平以占据总线控制权。注意两点：第一如果时钟信号在读写操作后停止，时钟必须保证至少7个时钟周期持续翻转且MDIO高电平从而保证之前的操作完成。故在设计中可以等待一段时间后再拉低时钟使能信号。第二两个操作之间至少一个idle比特。
正确驱动接口时序需要关注AC characterisics.
很明显MAC驱动总线时，在MDC下降沿更新数据。而PHY驱动总线时，MDC上升沿后更新数据。根据datasheet中的timing参数设定MDC时钟周期是800ns，MAC接收PHY数据时下降沿采样。
接下来关注要访问的内部寄存器地址，首先读取PHY寄存器数据以检测其工作状态，若发现异常再考虑写入数据。这里读取基本模式状态寄存器0X01的bit5，若为1说明自动协商完成。第二个寄存器是PHY特定状态寄存器0X11中的和13，分别是当前速率和全/半双工通信模式。若检测到自动协商完成，且工作在1000M全双工模式下，说明工作正确。
三、硬件架构与状态机设计
所有准备工作完成，现在开始设计。按照“自顶向下”设计原则，规划好整体结构和模块间接口，再设计内部状态机一步步实现逻辑功能。
Mdio_ctrl模块负责完成PHY芯片的配置与检测逻辑，Mdio接口模块完成读写操作时序。此处仅通过读操作简单检测PHY状态，暂不进行配置，故两模块工作状态跳转如图所示：
剩下的工作就是把两个状态机实现出来，非常简单。有需要的朋友可以参考一下，关于芯片的具体参数详见：Realtek RTL8211E(G)-VB(VL)-CG Datasheet 1.8.上代码！
四、代码编写
MDIO控制模块：
复制代码
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module mdio_ctrl(
4 input clk,//100M
5 input rst_n,
6
7 input en,
8 output reg chk_result =0,
9 output reg chk_vld =0,
10
11 input rdy,
12 output reg rd_en =0,
13 output reg phy_addr =0,
14 output reg reg_addr =0,
15 input rd_data,
16 input rd_vld
17 );
18
19 parameter MS_CYC = 100_000;
20
21
22 localparamIDLE = 0 ;
23 localparamWAIT = 1 ;
24 localparamRD_PHY = 2 ;
25 localparamCHECK = 3 ;
26
27 localparam WAIT_MS = 10;
28
29 localparam BMSR = 5'h01,
30 PHYSR = 5'h11;
31
32 reg state_c = 0,state_n = 0;
33 wire idle2wait,wait2rd_phy,rd_phy2check,check2idle,check2wait;
34 wire link_up;
35 reg rd_memory ;
36 reg [ (17-1):0]ms_cnt =0 ;
37 wire add_ms_cnt ;
38 wire end_ms_cnt ;
39 reg [ (4-1):0]wait_cnt=0 ;
40 wire add_wait_cnt ;
41 wire end_wait_cnt ;
42 reg [ (2-1):0]rd_cnt=0 ;
43 wire add_rd_cnt ;
44 wire end_rd_cnt ;
45 reg [ (2-1):0]rdata_cnt=0 ;
46 wire add_rdata_cnt ;
47 wire end_rdata_cnt ;
48 wire registers;
49 reg rd_finish = 0;
50
51 initial begin
52 rd_memory = 0;
53 rd_memory = 0;
54 end
55
56 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
57 if (rst_n==0) begin
58 state_c <= IDLE ;
59 end
60 else begin
61 state_c <= state_n;
62 end
63 end
64
65 always @(*) begin
66 case(state_c)
67 IDLE :begin
68 if(idle2wait)
69 state_n = WAIT ;
70 else
71 state_n = state_c ;
72 end
73 WAIT :begin
74 if(wait2rd_phy)
75 state_n = RD_PHY ;
76 else
77 state_n = state_c ;
78 end
79 RD_PHY :begin
80 if(rd_phy2check)
81 state_n = CHECK ;
82 else
83 state_n = state_c ;
84 end
85 CHECK :begin
86 if(check2idle)
87 state_n = IDLE ;
88 else if(check2wait)
89 state_n = WAIT ;
90 else
91 state_n = state_c ;
92 end
93 default : state_n = IDLE ;
94 endcase
95 end
96
97 assign idle2wait = state_c==IDLE && (en);
98 assign wait2rd_phy= state_c==WAIT && (end_wait_cnt);
99 assign rd_phy2check = state_c==RD_PHY && (end_rdata_cnt);
100 assign check2idle = state_c==CHECK && (link_up);
101 assign check2wait = state_c==CHECK && (!link_up);
102
103
104 assign link_up = rd_memory == 1'b1 && rd_memory == 3'b10_1;//auto_nego && gigabit && full_duplex
105
106
107 //计数器
108 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
109 if (rst_n==0) begin
110 ms_cnt <= 0;
111 end
112 else if(add_ms_cnt) begin
113 if(end_ms_cnt)
114 ms_cnt <= 0;
115 else
116 ms_cnt <= ms_cnt+1 ;
117 end
118 end
119 assign add_ms_cnt = (state_c == WAIT);
120 assign end_ms_cnt = add_ms_cnt&& ms_cnt == (MS_CYC)-1 ;//100MHZ时钟100_000
121
122 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
123 if (rst_n==0) begin
124 wait_cnt <= 0;
125 end
126 else if(add_wait_cnt) begin
127 if(end_wait_cnt)
128 wait_cnt <= 0;
129 else
130 wait_cnt <= wait_cnt+1 ;
131 end
132 end
133 assign add_wait_cnt = (end_ms_cnt);
134 assign end_wait_cnt = add_wait_cnt&& wait_cnt == (WAIT_MS)-1 ;
135
136 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
137 if (rst_n==0) begin
138 rd_cnt <= 0;
139 end
140 else if(add_rd_cnt) begin
141 if(end_rd_cnt)
142 rd_cnt <= 0;
143 else
144 rd_cnt <= rd_cnt+1 ;
145 end
146 end
147 assign add_rd_cnt = (state_c == RD_PHY && rdy && !rd_finish);
148 assign end_rd_cnt = add_rd_cnt&& rd_cnt == (2)-1 ;
149
150 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
151 if(rst_n==1'b0)begin
152 rd_finish <= 0;
153 end
154 else if(end_rd_cnt)begin
155 rd_finish <= 1'b1;
156 end
157 else if(state_c == CHECK)
158 rd_finish <= 0;
159 end
160
161
162 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
163 if (rst_n==0) begin
164 rdata_cnt <= 0;
165 end
166 else if(add_rdata_cnt) begin
167 if(end_rdata_cnt)
168 rdata_cnt <= 0;
169 else
170 rdata_cnt <= rdata_cnt+1 ;
171 end
172 end
173 assign add_rdata_cnt = (rd_vld);
174 assign end_rdata_cnt = add_rdata_cnt&& rdata_cnt == (2)-1 ;
175
176 //接口信号逻辑
177 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
178 if(rst_n==1'b0)begin
179 rd_en <= 0;
180 phy_addr <= 0;
181 reg_addr <= 0;
182 end
183 else if(add_rd_cnt)begin
184 rd_en <= 1'b1;
185 phy_addr <= 5'b00001;
186 reg_addr <= registers;
187 end
188 else begin
189 rd_en <= 0;
190 phy_addr <= 0;
191 reg_addr <= 0;
192 end
193 end
194
195 assign registers = {BMSR,PHYSR};//5'h01,5'h11
196
197 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
198 if(rst_n==1'b0)begin
199 rd_memory <= 0;
200 rd_memory <= 0;
201 end
202 else if(add_rdata_cnt)begin
203 rd_memory <= rd_data;
204 end
205 end
206
207 //用户侧输出检测结果
208 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
209 if(rst_n==1'b0)begin
210 chk_vld <= 0;
211 end
212 else if(state_c == CHECK)begin
213 chk_vld <= 1'b1;
214 end
215 else
216 chk_vld <= 0;
217 end
218
219 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
220 if(rst_n==1'b0)begin
221 chk_result <= 0;
222 end
223 else if(check2idle)begin
224 chk_result <= 1'b1;
225 end
226 else if(check2wait)
227 chk_result <= 0;
228 end
229
230 endmodule
复制代码
MDIO时序接口模块：
复制代码
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module mdio_interface#(parameter MDC_CYC = 800)//ns
4 (
5 input clk,//100M时钟
6 input rst_n,
7
8 input rd_en,
9 input phy_addr,
10 input reg_addr,
11 output reg rd_data =0,
12 output reg rd_vld =0,
13 output reg rdy =0,
14
15 output reg mdo =1,
16 output reg mdo_en =0,
17 input mdi,
18 output reg mdc =1
19 );
20
21 localparam N = MDC_CYC/10;
22
23
24 localparamIDLE = 0 ;
25 localparamWRI_COM = 1 ;
26 localparamRD_DATA = 2 ;
27
28 localparam PRE = 32'hffff_ffff,
29 START = 2'b01,
30 OP = 2'b10,
31 TA = 2'b11;
32
33 reg state_c =0,state_n =0;
34 wire idle2wri_com,wri_com2rd_data,rd_data2idle;
35 reg [ (7-1):0]div_cnt=0 ;
36 wire add_div_cnt ;
37 wire end_div_cnt ;
38 reg [ (6-1):0]bit_cnt=0 ;
39 wire add_bit_cnt ;
40 wire end_bit_cnt ;
41 reg M =0;
42 wire command;
43 reg rd_flag=0 ;
44 reg phy_addr_tmp = 0;
45 reg reg_addr_tmp = 0;
46
47
48 //寄存地址
49 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
50 if(rst_n==1'b0)begin
51 phy_addr_tmp <= 0;
52 reg_addr_tmp <= 0;
53 end
54 else if(rd_en)begin
55 phy_addr_tmp <= phy_addr;
56 reg_addr_tmp <= reg_addr;
57 end
58 end
59
60
61 always@(*)begin
62 if(state_c == IDLE && !rd_en && !rd_flag)
63 rdy <= 1;
64 else
65 rdy <= 0;
66 end
67
68 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
69 if (rst_n==0) begin
70 state_c <= IDLE ;
71 end
72 else begin
73 state_c <= state_n;
74 end
75 end
76
77 always @(*) begin
78 case(state_c)
79 IDLE :begin
80 if(idle2wri_com)
81 state_n = WRI_COM ;
82 else
83 state_n = state_c ;
84 end
85 WRI_COM :begin
86 if(wri_com2rd_data)
87 state_n = RD_DATA ;
88 else
89 state_n = state_c ;
90 end
91 RD_DATA :begin
92 if(rd_data2idle)
93 state_n = IDLE ;
94 else
95 state_n = state_c ;
96 end
97 default : state_n = IDLE ;
98 endcase
99 end
100
101
102 assign idle2wri_com = state_c==IDLE && end_div_cnt && (rd_flag || rd_en);
103 assign wri_com2rd_data= state_c==WRI_COM&& end_bit_cnt;
104 assign rd_data2idle = state_c==RD_DATA&& end_bit_cnt;
105
106
107 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
108 if(rst_n==0) begin
109 rd_flag <= (0);
110 end
111 else if(state_c == IDLE && rd_en)begin
112 rd_flag <= (1'b1);
113 end
114 else if(state_c == WRI_COM)
115 rd_flag <= 0;
116 end
117
118
119 //分频计数器
120 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
121 if (rst_n==0) begin
122 div_cnt <= 0;
123 end
124 else if(add_div_cnt) begin
125 if(end_div_cnt)
126 div_cnt <= 0;
127 else
128 div_cnt <= div_cnt+1 ;
129 end
130 end
131 assign add_div_cnt = (1);
132 assign end_div_cnt = add_div_cnt&& div_cnt == (N)-1 ;
133
134 //比特计数器
135 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
136 if (rst_n==0) begin
137 bit_cnt <= 0;
138 end
139 else if(add_bit_cnt) begin
140 if(end_bit_cnt)
141 bit_cnt <= 0;
142 else
143 bit_cnt <= bit_cnt+1 ;
144 end
145 end
146 assign add_bit_cnt = (end_div_cnt && state_c != IDLE);
147 assign end_bit_cnt = add_bit_cnt&& bit_cnt == (M)-1 ;
148
149 always@(*)begin
150 case(state_c)
151 WRI_COM:M = 48;
152 RD_DATA:M = 16;
153 default:M = 10;
154 endcase
155 end
156
157 //mdc时钟
158 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
159 if(rst_n==0) begin
160 mdc <= (1'b1);
161 end
162 else if(add_div_cnt && div_cnt == (N>>1) - 1)begin
163 mdc <= (1'b1);
164 end
165 else if(end_div_cnt)
166 mdc <= 0;
167 end
168
169
170 //mdio输出
171 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
172 if(rst_n==0) begin
173 mdo <= (1'b1);
174 end
175 else if(add_bit_cnt && state_c == WRI_COM)begin
176 mdo <= command;
177 end
178 else if(state_c != WRI_COM)
179 mdo <= 1'b1;
180 end
181
182 assign command = {PRE,START,OP,phy_addr_tmp,reg_addr_tmp,TA};
183
184 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
185 if(rst_n==0) begin
186 mdo_en <= (0);
187 end
188 else if(state_c == WRI_COM && add_bit_cnt)
189 case(bit_cnt)
190 0: mdo_en <= 1'b1;
191 46:mdo_en <= 0;
192 default:;
193 endcase
194 end
195
196 //mdio输入
197 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
198 if(rst_n==0) begin
199 rd_data <= (0);
200 end
201 else if(add_bit_cnt && state_c == RD_DATA)begin
202 rd_data <= (mdi);
203 end
204 end
205
206 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
207 if(rst_n==0) begin
208 rd_vld <= (0);
209 end
210 else if(rd_data2idle)begin
211 rd_vld <= (1'b1);
212 end
213 else
214 rd_vld <= 0;
215 end
216
217
218 endmodule
复制代码
顶层封装：
phy_manage
五、功能仿真
之后编写testbench进行行为仿真：
复制代码
1 `timescale 1 ns/1 ps
2
3 `define BIT_CNT uut.mdio_interface.bit_cnt
4
5 module phy_manage_tb();
6
7 //时钟和复位
8 reg clk;
9 reg rst_n;
10
11 //uut的输入信号
12 reg mdio_en;
13
14 //uut的输出信号
15 wire link_up;
16 wire chk_done;
17 wire mdc;
18 wire mdio;
19 wire back_data1,back_data2;
20
21 //时钟周期，单位为ns，可在此修改时钟周期。
22 parameter CYCLE = 10;
23
24 //复位时间，此时表示复位3个时钟周期的时间。
25 parameter RST_TIME = 2 ;
26
27 defparam uut.mdio_ctrl.MS_CYC = 100;
28
29 //待测试的模块例化
30 phy_manage uut(
31 .clk (clk) ,
32 .rst_n (rst_n) ,
33
34 .mdio_en (mdio_en) ,
35 .link_up (link_up) ,
36 .chk_done(chk_done) ,
37
38 .mdc (mdc) ,
39 .mdio (mdio)
40 );
41
42
43 //生成本地时钟50M
44 initial begin
45 clk = 1;
46 forever
47 #(CYCLE/2)
48 clk=~clk;
49 end
50
51 //产生复位信号
52 initial begin
53 rst_n = 1;
54 #1;
55 rst_n = 0;
56 #(CYCLE*RST_TIME);
57 rst_n = 1;
58 end
59
60 //输入信号din0赋值方式
61 initial begin
62 #1;
63 //赋初值
64 mdio_en = 0;
65 #(10*CYCLE);
66 mdio_en = 1;
67 #(1*CYCLE);
68 mdio_en = 0;
69 //开始赋值
70 #100_000;
71 $stop;
72 end
73
74 //模拟PHY响应
75
76 //data
77 assign back_data1 = {16'b0000_0000_0010_0000};
78 assign back_data2 = {16'b1010_0000_0000_0000};
79
80 integer i = 0,j = 0;
81 initial begin
82 forever begin
83 wait(uut.mdio_interface.state_c == 1 && `BIT_CNT == 47 );
84 @(posedge mdc);
85 force mdio = 0;
86 @(posedge mdc);
87 j = j+1;
88 if(j == 1)
89 force mdio = back_data1;
90 else
91 force mdio = back_data2;
92
93 wait(uut.mdio_interface.state_c == 0);
94 @(posedge mdc);
95 release mdio;
96 end
97 end
98
99 initial begin
100 forever begin
101 @(posedge mdc);
102 if(uut.mdio_interface.state_c == 2)begin
103 #10;
104 i = i+1;
105 end
106 else
107 i = 0;
108 end
109 end
110
111
112endmodule
复制代码
testbench中利用force强迫更新mdio双向端口方式模拟PHY芯片响应。仿真波形上半部分为MDIO控制模块信号，下半部分则是MDIO时序接口模块信号。可见当读取寄存器数值满足PHY工作需求时，link_up信号拉高，证明此时MAC可以传输数据给PHY。
六、板级调试
完整的设计，板级调试是必不可少的。真正地将接口调通，PHY芯片正确响应才能说明达到设计目的。顶层封装测试工程，内部例化：差分时钟缓冲原语、PLL、PHY管理顶层封装以及VIO ILA调试IP。我们来看下原理图顶层：
测试工程顶层：
复制代码
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3
4 module mdio_test(
5 input sys_clk_p,
6 input sys_clk_n,
7 input rst_n,
8
9 output mdc,
10 inout mdio,
11
12 output phy_reset//PHY芯片复位信号 低有效
13 );
14
15
16 wire sys_clk_ibufg;
17 wire clk;
18 wire en;
19 wire chk_done;
20 wire link_up;
21
22 assign phy_reset = 1'b1;//始终不复位
23
24 IBUFGDS #
25 (
26 .DIFF_TERM ("FALSE"),
27 .IBUF_LOW_PWR ("FALSE")
28 )
29 u_ibufg_sys_clk
30 (
31 .I (sys_clk_p), //差分时钟的正端输入，需要和顶层模块的端口直接连接
32 .IB (sys_clk_n), // 差分时钟的负端输入，需要和顶层模块的端口直接连接
33 .O (sys_clk_ibufg) //时钟缓冲输出
34 );
35
36clk_wiz_0 u_clk
37 (
38 // Clock out ports
39 .clk_out1(clk), // output clk_out1 100Mhz
40 // Clock in ports
41 .clk_in1(sys_clk_ibufg)); // input clk_in1
42
43vio_0 u_vio (
44 .clk(clk), // input wire clk
45 .probe_out0(en)// output wire probe_out0
46 );
47
48 phy_manage phy_manage(
49 .clk (clk),
50 .rst_n (rst_n),
51
52 .mdio_en(en),
53 .link_up(link_up),
54 .chk_done (chk_done),
55
56 .mdc (mdc),
57 .mdio (mdio)
58 );
59
60
61 endmodule
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时钟引脚约束文件：
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1 create_clock -period 5.000
2 set_property PACKAGE_PIN R4
3 set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15
4
5 set_property PACKAGE_PIN T6
6 set_property IOSTANDARD LVCMOS15
7
8 set_property PACKAGE_PIN W10
9 set_property IOSTANDARD LVCMOS33
10
11 set_property PACKAGE_PIN V10
12 set_property IOSTANDARD LVCMOS33
13
14 set_property PACKAGE_PIN L15
15 set_property IOSTANDARD LVCMOS33
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有一点相信调试过以太网的人大多都跳过一个坑：没有驱动PHY的复位输入信号。本人也在此处栽过跟头，这里直接连续赋值拉高PHY芯片复位信号。关于板级调试还有个小技巧，根据高亚军老师的书籍得知，将set up debug生成的ILA探针相关约束命令单独放入一个约束文件便于调试IP的管理和修改，debug约束文件就不贴出来了。
查看debug波形，MDIO时序接口模块在释放MDIO串行总线时，由于存在上拉电阻为高电平，下一个MDC时钟上升沿时刻，PHY拉低MDIO信号响应并得到总线控制权，开始输出数据。
得到读取的两个寄存器数据，根据数值分析满足：PHY自动协商完成，且工作在全双工1000Mbps速率下。
最终RJ45接口绿色指示灯常亮，表明自动协商完成，网络连接正确。到此简易的PHY芯片检测管理模块设计完成。
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