通过MDIO接口管理PHY芯片的验证设计方案

作者：没落骑士

一、前言

本文设计思想采用明德扬至简设计法。以太网这一高效实用的数据传输方式应用于各个领域，如网络交换设备，高速网络相机等。虽然各FPGA厂商都提供MAC IP核，但大多收费，有时无法破解。不同厂家之间无法移植，而且为了通用性考虑牺牲了效率，因此自己动手写一个以太网MAC是个不错的选择。

本博文讨论通过MDIO接口管理PHY芯片来验证其正确工作，为在此基础上设计MAC逻辑开个头。PHY芯片采用RTL8211EGVB，选用GMII接口与MAC连接。下面我们来开始第一步，在此之前明确设计目的：检测PHY芯片是否完成自动协商 链路速率是否达到1000M。所以要从datasheet中了解到芯片引脚 寄存器地址 接口时序。

二、设计分析

管理帧格式如下：

读写操作时序：

MDC为MAC驱动时钟信号，MDIO是串行数据总线，需要连接上拉电阻保证idle状态下高电平。其中前导码包含32个比特“1”，PHY地址根据芯片引脚连接而定，此处为01.turn around域是为了防止读操作时数据冲突，在读操作过程中MAC和PHY均在第1比特处进入高阻态，PHY在第2比特处驱动MDIO接口为低电平以占据总线控制权。注意两点：第一如果时钟信号在读写操作后停止，时钟必须保证至少7个时钟周期持续翻转且MDIO高电平从而保证之前的操作完成。故在设计中可以等待一段时间后再拉低时钟使能信号。第二两个操作之间至少一个idle比特。

正确驱动接口时序需要关注AC characterisics.

很明显MAC驱动总线时，在MDC下降沿更新数据。而PHY驱动总线时，MDC上升沿后更新数据。根据datasheet中的timing参数设定MDC时钟周期是800ns，MAC接收PHY数据时下降沿采样。

接下来关注要访问的内部寄存器地址，首先读取PHY寄存器数据以检测其工作状态，若发现异常再考虑写入数据。这里读取基本模式状态寄存器0X01的bit5，若为1说明自动协商完成。第二个寄存器是PHY特定状态寄存器0X11中的[15:14]和13，分别是当前速率和全/半双工通信模式。若检测到自动协商完成，且工作在1000M全双工模式下，说明工作正确。

三、硬件架构与状态机设计

所有准备工作完成，现在开始设计。按照“自顶向下”设计原则，规划好整体结构和模块间接口，再设计内部状态机一步步实现逻辑功能。

Mdio_ctrl模块负责完成PHY芯片的配置与检测逻辑，Mdio接口模块完成读写操作时序。此处仅通过读操作简单检测PHY状态，暂不进行配置，故两模块工作状态跳转如图所示：

剩下的工作就是把两个状态机实现出来，非常简单。有需要的朋友可以参考一下，关于芯片的具体参数详见：Realtek RTL8211E(G)-VB(VL)-CG Datasheet 1.8.上代码！

四、代码编写

MDIO控制模块：
`timescale 1ns / 1ps

module mdio_ctrl(
input clk,//100M
input rst_n,

input en,
output reg chk_result =0,
output reg chk_vld =0,

input rdy,
output reg rd_en =0,
output reg [5-1:0] phy_addr =0,
output reg [5-1:0] reg_addr =0,
input [16-1:0] rd_data,
input rd_vld
);

parameter MS_CYC = 100_000;

localparam IDLE = 0 ;
localparam WAIT = 1 ;
localparam RD_PHY = 2 ;
localparam CHECK = 3 ;

localparam WAIT_MS = 10;

localparam BMSR = 5'h01,
PHYSR = 5'h11;

reg [4-1:0] state_c = 0,state_n = 0;
wire idle2wait,wait2rd_phy,rd_phy2check,check2idle,check2wait;
wire link_up;
reg [16-1:0] rd_memory [0:1];
reg [ (17-1):0] ms_cnt =0 ;
wire add_ms_cnt ;
wire end_ms_cnt ;
reg [ (4-1):0] wait_cnt =0 ;
wire add_wait_cnt ;
wire end_wait_cnt ;
reg [ (2-1):0] rd_cnt =0 ;
wire add_rd_cnt ;
wire end_rd_cnt ;
reg [ (2-1):0] rdata_cnt =0 ;
wire add_rdata_cnt ;
wire end_rdata_cnt ;
wire [5*2-1:0] registers;
reg rd_finish = 0;

initial begin
rd_memory[0] = 0;
rd_memory[1] = 0;
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
state_c end
else begin
state_c end
end

always @(*) begin
case(state_c)
IDLE :begin
if(idle2wait)
state_n = WAIT ;
else
state_n = state_c ;
end
WAIT :begin
if(wait2rd_phy)
state_n = RD_PHY ;
else
state_n = state_c ;
end
RD_PHY :begin
if(rd_phy2check)
state_n = CHECK ;
else
state_n = state_c ;
end
CHECK :begin
if(check2idle)
state_n = IDLE ;
else if(check2wait)
state_n = WAIT ;
else
state_n = state_c ;
end
default : state_n = IDLE ;
endcase
end

assign idle2wait = state_c==IDLE && (en);
assign wait2rd_phy = state_c==WAIT && (end_wait_cnt);
assign rd_phy2check = state_c==RD_PHY && (end_rdata_cnt);
assign check2idle = state_c==CHECK && (link_up);
assign check2wait = state_c==CHECK && (!link_up);

assign link_up = rd_memory[0][5] == 1'b1 && rd_memory[1][15:13] == 3'b10_1;//auto_nego && gigabit && full_duplex

//计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
ms_cnt end
else if(add_ms_cnt) begin
if(end_ms_cnt)
ms_cnt else
ms_cnt end
end
assign add_ms_cnt = (state_c == WAIT);
assign end_ms_cnt = add_ms_cnt && ms_cnt == (MS_CYC)-1 ;//100MHZ时钟100_000

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
wait_cnt end
else if(add_wait_cnt) begin
if(end_wait_cnt)
wait_cnt else
wait_cnt end
end
assign add_wait_cnt = (end_ms_cnt);
assign end_wait_cnt = add_wait_cnt && wait_cnt == (WAIT_MS)-1 ;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
rd_cnt end
else if(add_rd_cnt) begin
if(end_rd_cnt)
rd_cnt else
rd_cnt end
end
assign add_rd_cnt = (state_c == RD_PHY && rdy && !rd_finish);
assign end_rd_cnt = add_rd_cnt && rd_cnt == (2)-1 ;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rd_finish end
else if(end_rd_cnt)begin
rd_finish end
else if(state_c == CHECK)
rd_finish end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
rdata_cnt end
else if(add_rdata_cnt) begin
if(end_rdata_cnt)
rdata_cnt else
rdata_cnt end
end
assign add_rdata_cnt = (rd_vld);
assign end_rdata_cnt = add_rdata_cnt && rdata_cnt == (2)-1 ;

//接口信号逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rd_en phy_addr reg_addr end
else if(add_rd_cnt)begin
rd_en phy_addr reg_addr end
else begin
rd_en phy_addr reg_addr end
end

assign registers = {BMSR,PHYSR};//5'h01,5'h11

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rd_memory[0] rd_memory[1] end
else if(add_rdata_cnt)begin
rd_memory[rdata_cnt] end
end

//用户侧输出检测结果
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
chk_vld end
else if(state_c == CHECK)begin
chk_vld end
else
chk_vld end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
chk_result end
else if(check2idle)begin
chk_result end
else if(check2wait)
chk_result end

endmodule

mdio_ctrl

MDIO时序接口模块：
`timescale 1ns / 1ps

module mdio_interface#(parameter MDC_CYC = 800)//ns
(
input clk,//100M时钟
input rst_n,

input rd_en,
input [5-1:0] phy_addr,
input [5-1:0] reg_addr,
output reg [16-1:0] rd_data =0,
output reg rd_vld =0,
output reg rdy =0,

output reg mdo =1,
output reg mdo_en =0,
input mdi,
output reg mdc =1
);

localparam N = MDC_CYC/10;

localparam IDLE = 0 ;
localparam WRI_COM = 1 ;
localparam RD_DATA = 2 ;

localparam PRE = 32'hffff_ffff,
START = 2'b01,
OP = 2'b10,
TA = 2'b11;

reg [3-1:0] state_c =0,state_n =0;
wire idle2wri_com,wri_com2rd_data,rd_data2idle;
reg [ (7-1):0] div_cnt =0 ;
wire add_div_cnt ;
wire end_div_cnt ;
reg [ (6-1):0] bit_cnt =0 ;
wire add_bit_cnt ;
wire end_bit_cnt ;
reg [6-1:0] M =0;
wire [48-1:0] command;
reg rd_flag =0 ;
reg [5-1:0] phy_addr_tmp = 0;
reg [5-1:0] reg_addr_tmp = 0;

//寄存地址
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
phy_addr_tmp reg_addr_tmp end
else if(rd_en)begin
phy_addr_tmp reg_addr_tmp end
end

always@(*)begin
if(state_c == IDLE && !rd_en && !rd_flag)
rdy else
rdy end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
state_c end
else begin
state_c end
end

always @(*) begin
case(state_c)
IDLE :begin
if(idle2wri_com)
state_n = WRI_COM ;
else
state_n = state_c ;
end
WRI_COM :begin
if(wri_com2rd_data)
state_n = RD_DATA ;
else
state_n = state_c ;
end
RD_DATA :begin
if(rd_data2idle)
state_n = IDLE ;
else
state_n = state_c ;
end
default : state_n = IDLE ;
endcase
end

assign idle2wri_com = state_c==IDLE && end_div_cnt && (rd_flag || rd_en);
assign wri_com2rd_data = state_c==WRI_COM && end_bit_cnt;
assign rd_data2idle = state_c==RD_DATA && end_bit_cnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
rd_flag end
else if(state_c == IDLE && rd_en)begin
rd_flag end
else if(state_c == WRI_COM)
rd_flag end

//分频计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
div_cnt end
else if(add_div_cnt) begin
if(end_div_cnt)
div_cnt else
div_cnt end
end
assign add_div_cnt = (1);
assign end_div_cnt = add_div_cnt && div_cnt == (N)-1 ;

//比特计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
bit_cnt end
else if(add_bit_cnt) begin
if(end_bit_cnt)
bit_cnt else
bit_cnt end
end
assign add_bit_cnt = (end_div_cnt && state_c != IDLE);
assign end_bit_cnt = add_bit_cnt && bit_cnt == (M)-1 ;

always@(*)begin
case(state_c)
WRI_COM:M = 48;
RD_DATA:M = 16;
default:M = 10;
endcase
end

//mdc时钟
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
mdc end
else if(add_div_cnt && div_cnt == (N>>1) - 1)begin
mdc end
else if(end_div_cnt)
mdc end

//mdio输出
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
mdo end
else if(add_bit_cnt && state_c == WRI_COM)begin
mdo end
else if(state_c != WRI_COM)
mdo end

assign command = {PRE,START,OP,phy_addr_tmp,reg_addr_tmp,TA};

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
mdo_en end
else if(state_c == WRI_COM && add_bit_cnt)
case(bit_cnt)
0: mdo_en 46:mdo_en default:;
endcase
end

//mdio输入
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
rd_data end
else if(add_bit_cnt && state_c == RD_DATA)begin
rd_data[16-1-bit_cnt] end
end

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin
if(rst_n==0) begin
rd_vld end
else if(rd_data2idle)begin
rd_vld end
else
rd_vld end

endmodule

mdio_interface

顶层封装：
`timescale 1ns / 1ps

module phy_manage(
input clk,
input rst_n,

input mdio_en,
output link_up,
output chk_done,

output mdc,
inout mdio
);

wire rdy;
wire rd_en;
wire [5-1:0] phy_addr;
wire [5-1:0] reg_addr;
(*DONT_TOUCH = "TRUE"*)wire [16-1:0] rd_data;
wire rd_vld;
wire mdo_en,mdo,mdi;

mdio_ctrl mdio_ctrl(
.clk (clk) ,//100M
.rst_n (rst_n) ,

.en (mdio_en) ,
.chk_result(link_up) ,
.chk_vld (chk_done) ,

.rdy (rdy) ,
.rd_en (rd_en) ,
.phy_addr (phy_addr) ,
.reg_addr (reg_addr) ,
.rd_data (rd_data) ,
.rd_vld (rd_vld)
);

mdio_interface#(.MDC_CYC(800))//ns
mdio_interface
(
.clk (clk) ,//100M时钟
.rst_n (rst_n) ,

.rd_en (rd_en) ,
.phy_addr (phy_addr) ,
.reg_addr (reg_addr) ,
.rd_data (rd_data) ,
.rd_vld (rd_vld) ,
.rdy (rdy) ,

.mdo (mdo) ,
.mdo_en (mdo_en) ,
.mdi (mdi) ,
.mdc (mdc)
);

//三态门
assign mdio = mdo_en ? mdo : 1'bz;
assign mdi = mdio;

endmodule

phy_manage

五、功能仿真

之后编写testbench进行行为仿真：
`timescale 1 ns/1 ps

`define BIT_CNT uut.mdio_interface.bit_cnt

module phy_manage_tb();

//时钟和复位
reg clk ;
reg rst_n;

//uut的输入信号
reg mdio_en;

//uut的输出信号
wire link_up;
wire chk_done;
wire mdc;
wire mdio;
wire [16-1:0] back_data1,back_data2;

//时钟周期，单位为ns，可在此修改时钟周期。
parameter CYCLE = 10;

//复位时间，此时表示复位3个时钟周期的时间。
parameter RST_TIME = 2 ;

defparam uut.mdio_ctrl.MS_CYC = 100;

//待测试的模块例化
phy_manage uut(
.clk (clk) ,
.rst_n (rst_n) ,

.mdio_en (mdio_en) ,
.link_up (link_up) ,
.chk_done (chk_done) ,

.mdc (mdc) ,
.mdio (mdio)
);

//生成本地时钟50M
initial begin
clk = 1;
forever
#(CYCLE/2)
clk=~clk;
end

//产生复位信号
initial begin
rst_n = 1;
#1;
rst_n = 0;
#(CYCLE*RST_TIME);
rst_n = 1;
end

//输入信号din0赋值方式
initial begin
#1;
//赋初值
mdio_en = 0;
#(10*CYCLE);
mdio_en = 1;
#(1*CYCLE);
mdio_en = 0;
//开始赋值
#100_000;
$stop;
end

//模拟PHY响应

//data
assign back_data1 = {16'b0000_0000_0010_0000};
assign back_data2 = {16'b1010_0000_0000_0000};

integer i = 0,j = 0;
initial begin
forever begin
wait(uut.mdio_interface.state_c == 1 && `BIT_CNT == 47 );
@(posedge mdc);
force mdio = 0;
@(posedge mdc);
j = j+1;
if(j == 1)
force mdio = back_data1[16-1-i+1];
else
force mdio = back_data2[16-1-i+1];

wait(uut.mdio_interface.state_c == 0);
@(posedge mdc);
release mdio;
end
end

initial begin
forever begin
@(posedge mdc);
if(uut.mdio_interface.state_c == 2)begin
#10;
i = i+1;
end
else
i = 0;
end
end

endmodule

phy_manage_tb

testbench中利用force强迫更新mdio双向端口方式模拟PHY芯片响应。仿真波形上半部分为MDIO控制模块信号，下半部分则是MDIO时序接口模块信号。可见当读取寄存器数值满足PHY工作需求时，link_up信号拉高，证明此时MAC可以传输数据给PHY。

六、板级调试

完整的设计，板级调试是必不可少的。真正地将接口调通，PHY芯片正确响应才能说明达到设计目的。顶层封装测试工程，内部例化：差分时钟缓冲原语、PLL、PHY管理顶层封装以及VIO ILA调试IP。我们来看下原理图顶层：

测试工程顶层：
`timescale 1ns / 1ps

module mdio_test(
input sys_clk_p,
input sys_clk_n,
input rst_n,

output mdc,
inout mdio,

output phy_reset//PHY芯片复位信号 低有效
);

wire sys_clk_ibufg;
wire clk;
wire en;
wire chk_done;
wire link_up;

assign phy_reset = 1'b1;//始终不复位

IBUFGDS #
(
.DIFF_TERM ("FALSE"),
.IBUF_LOW_PWR ("FALSE")
)
u_ibufg_sys_clk
(
.I (sys_clk_p), //差分时钟的正端输入，需要和顶层模块的端口直接连接
.IB (sys_clk_n), // 差分时钟的负端输入，需要和顶层模块的端口直接连接
.O (sys_clk_ibufg) //时钟缓冲输出
);

clk_wiz_0 u_clk
(
// Clock out ports
.clk_out1(clk), // output clk_out1 100Mhz
// Clock in ports
.clk_in1(sys_clk_ibufg)); // input clk_in1

vio_0 u_vio (
.clk(clk), // input wire clk
.probe_out0(en) // output wire [0 : 0] probe_out0
);

phy_manage phy_manage(
.clk (clk) ,
.rst_n (rst_n) ,

.mdio_en (en) ,
.link_up (link_up) ,
.chk_done (chk_done) ,

.mdc (mdc) ,
.mdio (mdio)
);

endmodule

mdio_test

时钟引脚约束文件：
create_clock -period 5.000 [get_ports sys_clk_p]
set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]

set_property PACKAGE_PIN T6 [get_ports rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports rst_n]

set_property PACKAGE_PIN W10 [get_ports mdc]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports mdc]

set_property PACKAGE_PIN V10 [get_ports mdio]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports mdio]

set_property PACKAGE_PIN L15 [get_ports phy_reset]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports phy_reset]

clk_pin

有一点相信调试过以太网的人大多都跳过一个坑：没有驱动PHY的复位输入信号。本人也在此处栽过跟头，这里直接连续赋值拉高PHY芯片复位信号。关于板级调试还有个小技巧，根据高亚军老师的书籍得知，将set up debug生成的ILA探针相关约束命令单独放入一个约束文件便于调试IP的管理和修改，debug约束文件就不贴出来了。

查看debug波形，MDIO时序接口模块在释放MDIO串行总线时，由于存在上拉电阻为高电平，下一个MDC时钟上升沿时刻，PHY拉低MDIO信号响应并得到总线控制权，开始输出数据。

得到读取的两个寄存器数据，根据数值分析满足：PHY自动协商完成，且工作在全双工1000Mbps速率下。

最终RJ45接口绿色指示灯常亮，表明自动协商完成，网络连接正确。到此简易的PHY芯片检测管理模块设计完成。

编辑：hfy