如何使用gpio模拟mdio通信？

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

• kernel 版本：

linux 4.14.55-xxxxx

• phy芯片

yt8521

• phy连接到

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。

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：

• 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

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

mdio-gpio.c
mdio-bitbang.c

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

 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
[    3.257270] libphy: GPIO Bitbanged MDIO: probed
[    3.274202] libphy: Fixed MDIO Bus: probed

# 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：