MDIO 协议基础

MDIO，全称 Management Data Input/Output，是管理以太网 PHY 芯片的串行总线。说白了，就是主控（比如 MAC 或 CPU）通过两根线去读写 PHY 内部寄存器，用来配置速率、双工模式、协商结果啥的。我第一次接触它是在一个交换机项目中，当时以为只是个简单的串口，结果调试时波形总不对，跑了三回才把时序搞明白——嗯，这就是咱们这章要聊明白的东西。

1.1 MDIO 协议概述

IEEE 802.3 第 22 条款规定了 MDIO 协议。它采用主从结构：STA（Station Management Entity）是主设备，通常集成在 MAC 侧；PHY 是从设备，最多支持 32 个。

我个人习惯把 MDIO 想成一个“小扳手”，专门用来拧 PHY 内部寄存器这颗螺丝。读写操作通过固定帧结构完成，每个帧包含前导码、起始码、操作码、PHY 地址、寄存器地址、转态位和数据。我遇到过一个坑：某些 PHY 芯片对前导码长度要求比较严，少一个时钟周期就不响应，后来在示波器上一拍脑袋才发现的。

• 总线信号：MDC（时钟） + MDIO（数据）。MDC 由 STA 提供，最高频率 2.5 MHz（标准模式），快速模式可达 12.5 MHz。
• 数据方向：写操作由 STA 驱动 MDIO；读操作由 PHY 在 TA 之后驱动 MDIO。
• 地址空间：5 位 PHY 地址 + 5 位寄存器地址，共 32×32 个寄存器。

1.2 MDIO 接口定义

MDIO 总线只有两根线：MDC 和 MDIO。MDC 提供时钟，MDIO 是双向数据线。电气特性上，对外输出为推挽驱动，内部接上拉电阻，空闲时保持高电平。我建议画 PCB 时让 MDC 走线尽量短，MDIO 信号跨板时加个小电容滤毛刺。

信号名称	方向 (STA→PHY)	功能描述
MDC	输出	管理数据时钟，由 STA 驱动
MDIO	双向	管理数据线，写时 STA 驱动，读时 PHY 驱动

MDIO 帧格式很固定，每个帧 64 个时钟周期（写操作）或 64 个时钟周期（读操作）。帧结构如下表：

字段	长度 (bit)	说明
PREAMBLE	32	32 个连续的 1，用于同步
START	2	01，标志帧开始
OP	2	01 读，10 写
PHYAD	5	PHY 地址，范围 0–31
REGAD	5	寄存器地址，范围 0–31
TA	2	转态位，写时为 10，读时为 Z0（PHY 在第二位驱动）
DATA	16	读/写数据

1.3 MDIO 时序图解析

时序图是理解 MDIO 的关键。你想想看，示波器抓到一串波形，你得能一眼看出是哪一步出了问题。下面我画了一张 MDIO 帧结构图，把各个字段的位置和方向标清楚了。

结合这张图，我再说说读操作的具体过程：STA 先发送 32 个 1 做同步，然后发出 01（START），再发 01（读操作码），接着发 5 位 PHY 地址和 5 位寄存器地址，之后 TA 阶段第一个时钟 STA 释放 MDIO，第二个时钟 PHY 开始驱动数据线，最后 PHY 把 16 位数据发给 STA。写操作类似，只是 TA 为 10，STA 全程驱动 DATA。

你拿着示波器抓波形时可以按这个帧结构对号入座。我自己的习惯是先把 PREAMBLE 的 32 个连续 1 对齐，再找 START 的 01 跳变，这样后面的位就能逐个解出来了。嗯，这个基础打牢了，后面讲调试工具使用时你会觉得特别顺。

好了，这就是 MDIO 协议的基础内容。记住帧格式、两线定义、主从关系，后面咱们就能拿示波器真刀真枪地测了。