如何使用 gpio 模擬 mdio 通信？

一、前言

實際項目開發中，由於設計原因，會將 phy 的 mdio 引腳連接到 SoC 的 2 個空閒 gpio 上，

這樣就無法通過 Gmac 自有的架構實現修改 phy，

因此只能通過 GPIO 模擬的方式實現 MDIO，

好在 Linux 支持 MDIO via GPIO 功能。

該功能需要用到內核驅動 mdio-bitbang.c 和 mdio-gpio.c。

本例 ：

• 平臺：

復旦微

• kernel 版本：

linux 4.14.55-xxxxx

• phy 芯片

yt8521

• phy 連接到

gmac0

• mdio 總線連接到：

gpioc 2
portc 3

二、mdio 基礎概念

1、SMI 接口

SMI 是 MAC 內核訪問 PHY 寄存器接口，它由兩根線組成，雙工:

• MDC(Management Data Clock) 爲時鐘，

• MDIO(Management Data Input/Output) 爲雙向數據通信，

原理上跟 I2C 總線很類似，也可以通過總線訪問多個不同的 phy。

MDIO 協議是以太網標準 IEEE802.3 中專門用於 MAC 和 PYH 之間管理的串行接口總線，該接口主要用於 MAC 控制器對 PYH 層的狀態讀取和設置（寄存器操作）、獲取鏈路狀態，控制物理層協商等操作。

MDC/MDIO 基本特性：

• 兩線制    ：MDC（時鐘線）和 MDIO（數據線）。分主從設備。

• 時鐘頻率：2.5MHz

• 通信方式：總線制，可同時接入的 PHY 數量爲 32 個

• 通過 SMI 接口，MAC 芯片主動的輪詢 PHY 層芯片，獲得狀態信息，併發出命令信息。

其中主設備稱作 STA，從設備稱作 MDI，一個主設備可以對多個從設備進行命令讀寫操作。

三、mdio 協議波形

1、MDIO 接口數據幀

在 IEEE802.3 協議中，把 MDIO 接口數據幀分爲兩種，一種是 Clause22，另一種是 Clause45。

前者主要用於百兆千兆以太網，後者用於千兆以上的以太網。

2、Clause22

MDIO 接口的讀寫通信協議如下圖所示：

CLAUSE22 數據幀協議

• Preamble：

  32 位前導碼，由 MAC 端發送 32 位邏輯 “1”，用於同步 PHY 芯片。

• ST（Start of Frame）：

  2 位幀開始信號，用 01 表示。

• OP（Operation Code）：

  2 位操作碼，讀：10 寫：01。

• PHYAD（PHY Address）：

  5 位 PHY 地址，用於表示與哪個 PHY 芯片通信，因此一個 MAC 上可以連 接多個 PHY 芯片。

• REGAD（Register Address）：

  5 位寄存器地址，可以表示共 32 位寄存器。

• TA（Turnaround）：

  2 位轉向，

  在讀命令中，MDIO 在此時由 MAC 驅動改爲 PHY 驅動，在第一個 TA 位，MDIO 引腳爲高阻狀態，第二個 TA 位，PHY 將 MDIO 引腳拉低，準備發送數據；

  在寫命令中，不需 要 MDIO 方向發生變化，MAC 固定輸出 2’b10，隨後開始寫入數據。

• DATA：

  16 位數據，在讀命令中，PHY 芯片將讀到的對應 PHYAD 的 REGAD 寄存器的數據寫到 DATA 中；在寫命令中，PHY 芯片將接收到的 DATA 寫入 REGAD 寄存器中。需要注意的是，在 DATA 傳 輸的過程中，高位在前，低位在後。

• IDLE：

  空閒狀態，此時 MDIO 爲無源驅動，處於高阻狀態，但一般用上拉電阻使其上拉至高電平。

波形舉例

向phy：3 寄存器0x00 寫入 數據0x4140

3、Clause45

四、YT8521

YT8521S 是一款高度集成的以太網收發器，符合 10BASE-Te、100BASE-TX 和 1000BASE-T IEEE 802.3 標準。

1、引腳

其中與 mdio 相關引腳：

14  MDC         Management Data Clock
15  MDIO        Input/Output of Management Data.
      Pull up 3.3V/2.5V/1.8V for 3.3V/2.5V/1.8V I/O respectively

2、模塊圖

3、MDIO 協議時序 -[重要]

下面 YT8521 的 SMI 時序圖：

上升沿讀數據，下降沿寫數據

五、驅動移植

1、驅動文件及移植

mdio-gpio.c
mdio-bitbang.c

在這裏插入圖片描述

勾選 下面幾項：

  │ │                   <*>   Bitbanged MDIO buses                                            │ │  
  │ │                   <*>   GPIO controlled MDIO bus multiplexers                           │ │  
  │ │                   <*>   MMIO device-controlled MDIO bus multiplexers                    │ │

2、移植設備樹

 aliases {
    …………
     mdio-gpio0 = &mdio0;
 };
 
 mdio0: mdio {
     compatible = "virtual,mdio-gpio";
     gpios = <&portc 2 0 >,<&portc 3 0>;                                               
     #address-cells = <1>;
     #size-cells = <0>;
   
     phy0: ethernet-phy@7 {
         reg = <0x7>;
         yt,phy-delay = <0xfc>;
         phy-connection-type = "rgmii-id";
     };
 };
 &gmac0 {
  status = "okay";
  phy-handle = <&phy0>;
 };

由設備樹可知，

1. 我們創建了 1 個獨立的 mdio 設備節點，

2. 當用命令 mdio 修改 phy 時，就會根據 gmac0 的 phy-handle，

3. 找到 mdio0 節點從而調用 mdio-gpio 驅動模塊來配置 phy：8521。

下圖，是 phy 直接連接到 gmac0 的 mdio 接口，mdio 命令執行的通路：

下圖是 phy 連接到 gpio 口，mdio 命令執行的通路：

3、查看 log

開機有以下 log，說明驅動 移植成功：

# dmesg | grep MDIO
[    3.257270] libphy: GPIO Bitbanged MDIO: probed
[    3.274202] libphy: Fixed MDIO Bus: probed

# cd /sys/class/mdio_bus/
# ls
fixed-0   gpio-0    stmmac-0  stmmac-1
# cd gpio-0/
# ls
device     gpio-0:03  of_node    power      subsystem  uevent
# cd gpio-0\:03/
# ls
attached_dev    phy_has_fixups  power
driver          phy_id          subsystem
of_node         phy_interface   uevent

4、操作

修改 eth0 爲百兆速率，則設置 Speed_Selection 位爲 01，同時自動協商爲 Autoneg_En 要禁用，即設置該寄存器值爲 0x2140：

# mdio eth0 0x00 0x2140
 write phy addr: 0x3  reg: 0x0  value : 0x2140

抓取波形如下：

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/TYUAnNLTJuZ7swp2ULDZow