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打工人日报#20251101

news 2025/11/2 17:50:33

打工人日报#20251101

SMI(MDC/MDIO)总线接口介绍

SMI（Serial Management Interface，串行管理接口），通常指通过 MDC（Management Data Clock，管理数据时钟）和 MDIO（Management Data Input/Output，管理数据输入 / 输出）两根线实现的总线接口，主要用于管理和配置以太网物理层设备（PHY）

接口组成

MDC（Management Data Clock）：即管理数据时钟线。由 MAC 输出，为 MDIO 提供时钟信号，是非周期性的，不要求提供固定频率的时钟，时钟频率范围为 DC-2.5MHz，最小的时钟周期为 400ns，其上升沿用于触发 MDIO 的读写操作。
MDIO（Management Data Input/Output）：即管理数据输入输出线，是双向的数据线。用于在 MAC 和 PHY 之间传输控制信息和状态信息，实现对 PHY 寄存器的读 / 写操作，只支持一个 MAC 连接最多 32 个 PHY 的连接方式，MAC 作为 master，PHY 作为 slave。

通信协议

数据传输协议：数据格式定义在 IEEE 802.3 以太网标准中，具体如下：
前导码（Preamble）：32bits，全为 1，用于标识数据帧的开始，使接收方能够同步到数据传输的起始位置。
开始位（Start）：2bits，固定为 01，表示数据帧开始。
操作码（OP Code）：2bits，10 表示读操作，01 表示写操作。
PHY 地址（PHYAD）：5bits，用于标识目标 PHY 设备，一般从 0 开始顺序编号。
寄存器地址（REGAD）：5bits，用于指定要读写的 PHY 寄存器。
转向位（Turn Around）：2bits，在读命令中，MDIO 在此时由 MAC 驱动改为 PHY 驱动，并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中，不需要 MDIO 方向发生变化，只是等待两个时钟周期准备写入数据。
数据（Data）：16bits，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，MAC 将要写入对应 PHYAD 的 REGAD 寄存器的值写入 Data 中。
空闲位（Idle）：数据传输结束后的空闲状态，此时 MDIO 无源驱动，处于高阻状态，一般用上拉电阻使其处在高电平。

工作流程

写操作：MAC 驱动 MDIO 线，按照顺序依次发送前导码、开始位、操作码（写操作 01）、PHY 地址、寄存器地址、转向位（10）和 16 位数据，PHY 在 MDC 时钟上升沿采样并接收数据，完成写操作。
读操作：MAC 发送前导码、开始位、操作码（读操作 10）、PHY 地址、寄存器地址，然后将 MDIO 置为高阻态，等待一个时钟周期后，PHY 驱动 MDIO 发送 16 位数据，MAC 在 MDC 上升沿采样接收数据，完成读操作。

应用场景

以太网设备：在以太网网络设备中，SMI 接口广泛应用于 MAC 层芯片与 PHY 芯片之间的通信。无论是网卡、交换机、路由器等设备，只要涉及以太网数据的物理层传输，都可能使用 SMI 接口来配置和监控 PHY 芯片。例如，在一个以太网交换机中，主控芯片（包含 MAC 层功能）通过 SMI 接口与各个端口的 PHY 芯片进行通信，配置 PHY 芯片的工作模式（如全双工 / 半双工、速率等），并获取 PHY 芯片的链路状态、错误统计等信息。
网络测试设备：用于网络测试的仪器，如网络分析仪等，也常使用 SMI 接口与被测设备的 PHY 进行交互，以便精确控制和监测被测设备的物理层参数，进行性能测试和故障诊断。

优缺点

优点

简单性：仅需两根线（MDC 和 MDIO）即可实现通信，硬件设计简单，减少了 PCB 布线的复杂性和成本。
灵活性：支持一条总线上连接多个 PHY 设备，通过设备地址进行区分，便于在一个系统中管理多个以太网物理层设备。
标准化：遵循 IEEE 802.3 等相关标准，具有良好的兼容性，不同厂商的 MAC 和 PHY 设备只要遵循该标准，即可相互通信。

缺点

传输速率有限：由于其设计初衷并非高速数据传输，MDC 时钟频率相对较低，导致数据传输速率受限，不适用于大数据量的快速传输场景。
功能局限性：主要用于 PHY 设备的管理和配置，对于更复杂的设备间通信需求，如高速数据传输、多设备间的复杂交互等，SMI 接口无法满足。

SMI 帧格式介绍

SMI 帧格式一般包含以下几个部分：
1.前导码（Preamble）：32 位，由连续的逻辑‘1’信号组成，用于 MAC 与 PHY 设备建立同步，使 PHY 设备能够识别数据帧的开始，确保后续数据传输的准确性和稳定性。
2.起始符（Start）：2 位，固定为‘01’，表示数据帧正式开始，标志着前导码结束，后续操作码等内容的开始。
3.操作码（OP Code）：2 位，‘10’表示读操作帧，‘01’表示写操作帧，用来告知 PHY 设备该帧是要进行读操作还是写操作。
4.PHY 地址（PHYAD）：5 位，用于标识目标 PHY 设备，MAC 通过这 5 位地址选择与之通信的具体 PHY 芯片，以便进行针对性的操作。
5.寄存器地址（REGAD）：5 位，用于指定要读写的 PHY 寄存器，确定对 PHY 设备中的哪个寄存器进行操作。
6.转向位（Turn Around）：2 位，在写操作时，MDIO 由 MAC 层芯片控制，输出 “10”；在读操作时，第一比特 MDIO 为高阻态，第二比特由物理层芯片使 MDIO 置 “0”，实现 MAC 和 PHY 之间数据传输方向的切换。
7.数据域（Data）：16 位，若为读操作，是 PHY 送到 MAC 层的数据；若为写操作，是 MAC 层送到物理层的数据，承载了 MAC 与 PHY 之间交互的具体内容。
8.空闲位（Idle）：帧结束后的空闲状态，此时 MDIO 无源驱动，处于高阻状态，一般通过上拉电阻使其保持高电平，等待下一次数据传输。