如何使用gpio模拟mdio通信？

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一、前言

实际项目开发中，由于设计原因，会将phy的mdio引脚连接到SoC的2个空闲gpio上，

这样就无法通过Gmac自有的架构实现修改phy，

因此只能通过GPIO模拟的方式实现MDIO，

好在Linux支持MDIO via GPIO功能。

该功能需要用到内核驱动mdio-bitbang.c和mdio-gpio.c。

本例 ：

• 平台：

复旦微 

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• kernel 版本：

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!linux 4.14.55-xxxxx 

• phy芯片

yt8521 

• phy连接到

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!gmac0 

• mdio总线连接到：

gpioc 2 portc 3 

二、mdio基础概念

1、SMI接口

SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口，它由两根线组成，双工:

• MDC(Management Data Clock)为时钟，
• MDIO(Management Data Input/Output)为双向数据通信，

原理上跟I2C总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。

MDIO协议是以太网标准IEEE802.3中专门用于MAC和PYH之间管理的串行接口总线，该接口主要用于MAC控制器对PYH层的状态读取和设置（寄存器操作）、获取链路状态，控制物理层协商等操作。

MDC/MDIO基本特性：

• 两线制 ：MDC（时钟线）和MDIO（数据线）。分主从设备。
• 时钟频率：2.5MHz
• 通信方式：总线制，可同时接入的PHY数量为32个
• 通过SMI接口，MAC芯片主动的轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。

其中主设备称作STA，从设备称作MDI，一个主设备可以对多个从设备进行命令读写操作。

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三、mdio协议波形

1、MDIO接口数据帧

在IEEE802.3协议中，把MDIO接口数据帧分为两种，一种是Clause22，另一种是Clause45。

前者主要用于百兆千兆以太网，后者用于千兆以上的以太网。

2、Clause22

MDIO 接口的读写通信协议如下图所示：

CLAUSE22 数据帧协议

• Preamble：32 位前导码，由 MAC 端发送 32 位逻辑“1”，用于同步 PHY 芯片。
• ST（Start of Frame）：2 位帧开始信号，用 01 表示。
• OP（Operation Code）：2 位操作码，读：10 写：01。
• PHYAD（PHY Address）：5 位 PHY 地址，用于表示与哪个 PHY 芯片通信，因此一个 MAC 上可以连 接多个 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 位转向，在读命令中，MDIO 在此时由 MAC 驱动改为 PHY 驱动，在第一个 TA 位，MDIO 引脚为高阻状态，第二个 TA 位，PHY 将 MDIO 引脚拉低，准备发送数据；在写命令中，不需 要 MDIO 方向发生变化，MAC 固定输出 2’b10，随后开始写入数据。
• DATA：16 位数据，在读命令中，PHY 芯片将读到的对应 PHYAD 的 REGAD 寄存器的数据写到 DATA 中；在写命令中，PHY 芯片将接收到的 DATA 写入 REGAD 寄存器中。需要注意的是，在 DATA 传 输的过程中，高位在前，低位在后。
• IDLE：空闲状态，此时 MDIO 为无源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其上拉至高电平。

波形举例

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!向phy：3 寄存器0x00 写入 数据0x4140 

3、Clause45

四、YT8521

YT8521S是一款高度集成的以太网收发器，符合10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T IEEE 802.3标准。

1、引脚

其中与mdio相关引脚：

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、模块图

3、MDIO协议时序-[重要]

下面YT8521的SMI时序图：

上升沿读数据，下降沿写数据

五、驱动移植

1、驱动文件及移植

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!mdio-gpio.c mdio-bitbang.c 

在这里插入图片描述

勾选 下面几项：

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

2、移植设备树

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧! 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>; }; 

由设备树可知，

1. 我们创建了1个独立的mdio设备节点，
2. 当用命令mdio修改phy时，就会根据gmac0的phy-handle，
3. 找到mdio0节点从而调用mdio-gpio驱动模块来配置phy：8521。

下图，是phy直接连接到gmac0的mdio接口，mdio命令执行的通路：

下图是phy连接到gpio口，mdio命令执行的通路：

3、查看log

开机有以下log，说明驱动 移植成功：

# dmesg | grep MDIO [ 3.] libphy: GPIO Bitbanged MDIO: probed [ 3.] libphy: Fixed MDIO Bus: probed 

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!# 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为百兆速率，则设置Speed_Selection位为01，同时自动协商为Autoneg_En要禁用，即设置该寄存器值为0x2140：

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

抓取波形如下：