MDIO 总线简介：MDIO/MDC 接口规范
为什么要有 MDIO？
MDIO（Management Data Input/Output）说白了，就是用来管理 PHY 芯片的串行总线。PHY 内部有几十个寄存器，像控制寄存器、状态寄存器、协商能力寄存器等等。没有这根线，CPU 怎么知道当前网线插没插？速率是 100M 还是 1000M？自动协商成功没？
我记得最早做交换机项目时，第一次看到 PHY 的数据手册，满篇的寄存器地址看得我头皮发麻。后来才明白，所有底层操作全靠 MDIO 这两根线（MDC + MDIO）来读写。你掌握了它，就等于拿到了 PHY 的遥控器。
信号定义
MDIO 总线只有两根信号线，外加一个可选的中断输出。我列个表，一看就清楚：
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| MDC | 主设备 → 从设备 | 管理时钟，由 MAC/控制器提供，最高频率通常 2.5 MHz |
| MDIO | 双向 | 管理数据，主设备驱动输出或 PHY 驱动输出（三态） |
| INT#（可选） | PHY → 主设备 | 中断请求，低电平有效，用于链路状态变化通知 |
很多初学者以为 MDIO 是 I²C，其实它更像 SPI 的单线半双工模式。区别在于：MDIO 只有一条数据线，方向靠帧中的“转向位”控制。
MDIO 帧结构
标准帧格式是 IEEE 802.3 第 22 条款定义的。嗯，你把它拆开看，实际上就是一段固定序列。记住这个结构，读写 PHY 寄存器就只剩细节问题了。
一句话：所有 MDIO 操作都从 32 个连续的 1（前导码）开始，后面紧跟着 起始码 01，然后才是真正的地址和数据。
下面这张图就是 MDIO 帧的完整组成，我把它按顺序画出来了：
操作码与转向
操作码（OP）只有两种：01 表示写，10 表示读。你想想看，为什么没有 00 和 11？因为这两个码被保留了，实际中你永远用不到。
转向位（TA）是很多新手掉坑的地方。写操作时，主设备必须持续驱动数据线，转向位填 10；读操作时，主设备在转向位前一个时钟释放 MDIO（输出高阻），由 PHY 接管，先拉低一位（Z0 状态）表示准备就绪，然后再输出 16 位数据。我曾经因为读操作忘记加转向位的等待时钟，结果数据全错位，查了好几天才找到问题。
注意：读帧的转向位中，PHY 输出 Z0 的意思是：在第 1 个 TA 时钟周期内，PHY 保持 MDIO 为高阻（由外部上拉拉高），第 2 个时钟周期拉低。你代码里必须预留这两个时钟的切换时间，不能直接读数据。
读写操作示例代码
下面这段 C 代码是我从之前一个项目中扒下来的核心逻辑，用 GPIO 模拟 MDIO 接口。实际芯片内部都集成有 MDIO 控制器，但理解模拟方式能帮你彻底搞懂时序。
// 伪代码：通过 GPIO 模拟 MDIO 读操作
uint16_t mdio_read(uint8_t phy_addr, uint8_t reg_addr)
{
uint16_t data = 0;
int i;
// 1. 前导码：32 个连续 1
for (i = 0; i < 32; i++) {
mdio_set(MDC, 0);
mdio_set(MDIO, 1);
mdio_set(MDC, 1);
}
// 2. 起始码 01
mdio_write_bit(0); // ST 第一位
mdio_write_bit(1); // ST 第二位
// 3. 操作码 10（读）
mdio_write_bit(1);
mdio_write_bit(0);
// 4. PHY 地址（5 位，高位先发）
for (i = 4; i >= 0; i--)
mdio_write_bit((phy_addr >> i) & 1);
// 5. 寄存器地址（5 位）
for (i = 4; i >= 0; i--)
mdio_write_bit((reg_addr >> i) & 1);
// 6. 转向位：主设备释放总线，PHY 接管
mdio_set_input(); // MDIO 切换为输入
mdio_set(MDC, 0);
mdio_set(MDC, 1); // TA 第一位（Z）
mdio_set(MDC, 0);
mdio_set(MDC, 1); // TA 第二位（0）
// 7. 读取 16 位数据（上升沿采样）
for (i = 15; i >= 0; i--) {
mdio_set(MDC, 0);
if (mdio_read_pin() == 1)
data |= (1 << i);
mdio_set(MDC, 1);
}
return data;
}实际工程中，如果 MDIO 挂载多个 PHY，每个 PHY 的地址由芯片引脚硬件决定（通常是 AD0～AD4 拉高/拉低）。读写前一定要先确认这个地址，否则操作无效。
时序要求与常见坑
- MDC 最大频率：标准规定 2.5 MHz（周期 400 ns）。现在很多 PHY 支持到 12.5 MHz，但兼容性起见，我建议你开始时用 1 MHz 验证。
- MDIO 上拉电阻：MDIO 是双向开漏？不对，它是推挽输出（主设备或 PHY 驱动），但总线空闲时需要一个外部上拉（4.7 kΩ 到 3.3 V）确保数据线保持高电平。
- 多 PHY 冲突：如果 PHY 地址冲突，两个 PHY 都会在 MDIO 上抢着响应，这时数据就会变成未知。我踩过这个坑——焊接时 PHY 地址引脚虚接，导致地址一直是 0，多个 PHY 同时响应，读回来的寄存器值完全不对。
终极建议：在调试 MDIO 时，先用逻辑分析仪抓一下波形。你看看前导码是不是 32 个 1？起始码对不对？地址是不是你期望的值？有了波形，所有问题一眼就能看出来。
好了，MDIO 的协议层面就这么多。你只要把帧结构刻在脑子里，读写 PHY 寄存器就是个机械活儿。下一节我们会用实战方式，在 Linux 用户空间直接操作 MDIO 总线读取实际 PHY 的 ID。