3. MDIO 通信帧结构：前导码、起始码、操作码、PHY 地址、寄存器地址、数据、空闲归纳总结

做 MDIO 读写的时候，我最开始就是被那一长串 0 和 1 搞懵的。后来踩过几次坑才明白，帧结构就像是 PHY 和 MAC 之间约定好的“暗号”，少一位或者多一位都能让通信乱套。这一节咱们就把这个帧掰开揉碎了讲清楚。

3.1 帧结构总览

MDIO 的每个读写操作都封装在一个固定格式的帧里。标准 IEEE 802.3 规范的帧长是 64 位，具体结构如下：

字段名称 位宽（bit） 值（读/写） 说明
PREAMBLE（前导码） 32 连续 32 个 '1' 同步时钟，建立通信
START（起始码） 2 00（帧开始标志） 标识真正帧的开始
OP（操作码） 2 01=写，10=读 指示本次操作类型
PHYAD（PHY 地址） 5 0x00 ~ 0x1F 选择目标 PHY 器件
REGAD（寄存器地址） 5 0x00 ~ 0x1F 选择 PHY 内部寄存器
TA（转向时间） 2 写: 10，读: Z0 地址与数据间的切换周期
DATA（数据） 16 寄存器值 读/写的数据内容
IDLE（空闲） ≥1 高阻（Z） 释放总线给下一帧

这张表我建议你直接截图放桌面。我每次写驱动时都拿它对照，省得记混。

3.2 前导码（PREAMBLE）—— 32 个 '1'

前导码就是一连串 32 个高电平脉冲。说白了，它在告诉 PHY："注意了，我要开始发数据了。" 我刚开始做 FPGA 时，以为前导码可以随便缩短，结果发现有些 PHY 对前 32 位非常敏感，少一位都不认。后来我养成了习惯：不管 PHY 支不支持跳过前导码，我每次都老老实实发满 32 个 1。

我的小技巧： 某些 PHY 支持“省略前导码”模式，可以只发 32 位帧。但如果你在调试还不确定对方的支持情况，千万别省这一步。省出来的时间往往不够填坑。

3.3 起始码（START）—— 固定 '00'

前导码之后接着就是 2 位 '00'。这个不是操作码，就是单纯告诉 PHY："前面那些 1 都是热身，现在开始才是正式内容。" 你想想看，如果没有这个标记，PHY 很容易把前导码的最后几位和操作码混淆。实际项目中，我在逻辑分析仪上看到有些控制器发的起始码是 '01'，结果 PHY 直接忽略整帧。嗯，这里一定要注意，起始码必须严格是 '00'，一个 bit 都不能错。

3.4 操作码（OP）—— '01' 写 / '10' 读

操作码只有 2 位，但它是整个帧的“指令”。

  • '01' = 写操作：MAC 向 PHY 寄存器写入数据。
  • '10' = 读操作：MAC 从 PHY 寄存器读取数据。

编码其实很简单。但我在项目中遇到过一个问题：我写了一个状态机，结果在发送读操作时错误地把 OP 码写成了 '11'。PHY 没有任何响应，我查了半天才发现是编码写反了。建议你在代码里用宏定义：#define MDIO_OP_WRITE 0b01 和 #define MDIO_OP_READ 0b10，这样一眼就能看出意图。

3.5 PHY 地址（PHYAD）与寄存器地址（REGAD）—— 各 5 位

PHY 地址用 5 位二进制，范围 0~31。每个 MDIO 总线上最多挂 32 个 PHY。寄存器地址同样 5 位，每个 PHY 内部有 32 个基本寄存器（0~31）。

地址顺序是先发 PHYAD 的高位（MSB），再发低位。我一直用左移操作来组织数据：

uint16_t mdiu_frame = (OP_WRITE << 28) | (phy_addr << 23) | (reg_addr << 18) | (data << 2);

但要注意，实际发送时需要串行逐位输出，上面的只是预组合。

避坑提示： 我曾经把 PHY 地址和寄存器地址搞反了顺序，结果对着 0x1F 寄存器写数据，实际却操作了 0x1E。调试了很久才发现是位顺序错了。建议写驱动时，先在纸上画一遍 bit 顺序再编码。

3.6 转向时间（TA）—— 关键的安全切换周期

这个字段特别容易被人忽略。TA 有 2 位：

  • 写操作： MAC 必须发送 '10'。因为写操作只需要单方向传输，MAC 一直驱动。
  • 读操作： MAC 先发送 'Z0'。第一个 bit 是高阻（Z），让 MAC 释放数据线；第二个 bit '0' 由 PHY 驱动，表示 PHY 已准备好输出数据。

实际波形上，读操作的 TA 位会出现一个“三态切换点”。如果驱动没有正确释放总线，PHY 和 MAC 同时驱动就会导致冲突。我亲测过，强行把 TA 写成 '00' 会导致读数据全部错乱。这是“MDIO 经典老坑”之一。

3.7 数据（DATA）—— 16 位寄存器内容

写操作时，MAC 在 TA 之后连续发送 16 位数据；读操作时，PHY 在 TA 的第二个 bit 之后开始发送 16 位数据。数据位顺序也是 MSB first。绝大多数 PHY 寄存器位宽是 16 位，但也有一些非标 PHY 用了更宽或更窄的寄存器，不过那属于特例，在此不展开。

关于数据拷贝，我习惯在驱动层准备一个 uint16_t 的数组，每次读写直接操作。这样可以减少位操作错误。

3.8 空闲（IDLE）—— 让你的总线喘口气

帧结束后，MAC 或 PHY 必须把 MDIO 线置为高阻态（Z）。空闲时间至少一个 MDC 时钟周期。少了这个空闲，下一帧的前导码可能被上一帧的残余信号污染。

我一直强调：不要在最后一拍之后立刻拉低时钟。我曾经吃过亏——急着发下一帧，空闲没给够，结果 PHY 把上一帧的数据当成下一帧的前导码，连续读错 3 个寄存器。最后在寄存器值里加了个延迟计数器才解决。

3.9 完整帧时序示例（写操作）

下面是一个写操作的真实时序示例（MDC 时钟未画出，只标数据线上的值）：

MDIO: 11111111111111111111111111111111 00 01 00010 00101 10 1010101010101010 Z
       ↑ 前导码 32 个 1 ↑  ↑  ↑ PHY ↑  ↑  ↑  ↑  数据 16 位        ↑
                          ST OP ADDR  REG TA                             空闲

其中 PHY 地址 = 00010（0x02），寄存器地址 = 00101（0x05），数据 = 0xAAAA。

3.10 知识结构图

MDIO 帧结构（64位） PREAMBLE 32位 '1' ST OP PHYAD REGAD TA DATA 16位 IDLE 同步阶段 地址/控制阶段 数据阶段 释放总线 写操作 MDIO MAC 驱动全程 TA = 10 读操作 MDIO MAC 驱动至 TA 第1位 TA = Z0，PHY 驱动数据

3.11 常见坑点与个人心得

我曾经犯过的错： 读操作时忘记释放总线。我写了一个状态机，在 TA 第一个 bit 时没有把 MDIO 设为高阻，结果 MAC 继续拉低，PHY 看到的是 '00'，认定是写操作，于是不送数据。导致读回来的数据全是 0xFF。排查了整整一个下午才意识到是总线冲突。

另外，PHY 地址通常由外部上拉/下拉电阻设定。有些开发板把 PHY 地址设为 0x01，但代码里写死成 0x00，结果读不到任何数据。我建议在驱动初始化时先发一个空读帧（读寄存器 0x00），然后检查返回数据是否为 0xFFFF（未连接）或 0x3100（常见 PHY ID 低 16 位）来判断 PHY 是否存在。

调试小神器： 用逻辑分析仪抓 MDIO 和 MDC 波形，一眼就能看出帧结构哪里不对。我在项目里常把触发条件设为 START 位，然后看 OP 码和地址是否正确。基本 5 分钟能定位 80% 的问题。

最后提一句，空闲位的长度没有严格上限，但建议至少给 1 个 MDC 周期。我在写 FPGA 驱动时，会在帧尾插入一个计数状态，延时 5 个时钟后再开始下一帧。这样既留有裕量，又不会影响吞吐。

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