3. MDIO帧格式：前导码 · 起始码 · 操作码 · 地址 · 数据 · 空闲

要跟MDIO总线打交道，你得先看懂它说话的方式。

帧格式，说白了就是MDIO线上每一条完整消息的结构。我刚开始接触时，老觉得这东西跟串口协议差不多，结果真去抓波形才发现——坑不少。你想想看，一条总线上挂着十几个PHY，谁在说、说什么、说给谁听，都得靠这个帧格式来约定。

3.1 标准帧结构一览

MDIO帧一共32位（加上空闲位），按顺序分为6个字段。我个人习惯把它们记成「前起操地数空」，调设备时脑子里过一遍这个口诀，就不容易看丢位了。

3.2 每个字段的细节

前导码（PREAMBLE）

前导码就是32个连续的"1"。它用来让总线上所有器件同步时钟边沿。MDIO是同步串行协议，时钟由MAC侧提供。如果MAC的时钟频率变了（比如从2.5MHz切到25MHz），前导码得保证所有从设备重新同步。

嗯，这里要注意：前导码并不是可选的。虽然IEEE 802.3里面提到有些管理帧可以省略前导码，但那属于非标用法。做产品时，老老实实发32个"1"最安全。

起始码（ST）

固定为"01"。它告诉PHY："准备，正式内容要来了。"

你可能会问，为什么不是"00"或"10"？其实协议这么设计，是为了跟前导码的"1"区分开。前导码全是1，突然变成0，就是一个清晰的切换信号。我在调试中遇到过一种情况——如果空闲状态的下拉电阻失效了，总线电平飘忽不定，起始码就可能被误判断。后来我总会在板级验证时测一下空闲状态的电平。

操作码（OP）

两位，决定这次传输是读还是写。

• 01 —— 写操作（MAC -> PHY）
• 10 —— 读操作（MAC -> PHY 先发地址，再从PHY读数据）

操作码错了，整个帧就废了。我记得有一次在调试时，代码里操作码的bit顺序写反了——把"01"写成了"10"。总线上一通乱抓，PHY明明在线就是没响应。这种低级错误，往往是最容易踩的。

PHY地址（PHYAD）

5位，范围0~31。MDIO支持最多32个PHY器件挂在同一条总线上。地址一般通过PHY芯片的硬件引脚（如AD0~AD4）配置。

实际调试时有个坑：很多PHY芯片的默认地址是0，但你板子上可能好几个器件都用了默认。冲突了怎么办？我遇到过，一片PHY回复数据时总线上另一片也抢答，结果读到的是乱码。解决办法是上电前确认每片的地址配置，或者写一个地址轮询脚本扫描总线。

器件地址/寄存器地址（DEVAD）

还是5位，范围0~31。它指明要访问PHY内部的哪个寄存器。别忘了，每个PHY内部有32个16位寄存器（00~1F），标准定义了前16个的用途，后面是厂商自定义的。

很多新手搞混PHYAD和DEVAD。我习惯这么记：PHYAD是找芯片，DEVAD是找寄存器。两个都必须对，错一个就读回0xFFFF。

数据（DATA）

16位，不多不少。MDIO传输的就是这16位数据。写操作时，MAC在数据段驱动这16位；读操作时，PHY在数据段驱动总线。

这里有个细节：读操作的最后两个时钟周期，总线从MAC驱动切换到PHY驱动。切换时会有短暂的高阻态。如果你的示波器探头电容太大，可能会看到一个小台阶。我一直用无源探头加短地线，这样毛刺少。

空闲（IDLE）

IDLE是三态。MDIO总线外部通常要有上拉电阻（一般4.7kΩ到10kΩ），空闲时总线被拉到高电平。具体是MDIO线上有上拉，MDC线没有。

那为什么需要空闲？很简单——MDIO是半双工。MAC和PHY只有一根数据线，当一方说完，必须释放总线，另一方才能发言。空闲段就是给总线换向用的。

3.3 帧传输时序

MDIO跟时钟MDC同步。数据在MDC的上升沿被采样，这是规矩。写操作时，MAC在每个上升沿前把数据准备好；读操作时，PHY在上升沿前驱动数据。

我们来看一个典型的写帧时序：

MDC  : ▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁...
MDIO : 11111111...11111111 01 01 00011 00101 0001001000110100 ZZZZ
       └───32个1──────┘ └ST┘└OP┘└PHYAD┘└DEVAD┘ └──DATA=0x1234──┘ └IDLE┘

读操作类似，只是数据段由PHY驱动。注意读操作时，MAC必须在数据段释放总线，让PHY来控制。

3.4 帧格式的变体：Clause 45 vs Clause 22

这里必须提一下，MDIO协议有两个版本：

我们课程主要讲Clause 22。不过你不用担心，基本概念懂了，Clause 45不过是帧里多了些字段而已。

3.5 帧格式的SVG图示

下面这张图把整个帧结构画出来了。我建议你对着波形图一块一块地看，特别关注时钟沿和数据变化的关系。

MDIO线: 1111...1111 01 01 0 0011 0 0101 0001 0010 0011 0100
字段拆解:
前导码: 32个1
起始码: 01
操作码: 01 (写)
PHYAD : 00011 (十进制3)
DEVAD : 00101 (十进制5)
数据  : 0001 0010 0011 0100 (十六进制0x1234)
空闲  : Z