本文主要总结MDIO接口相关知识。
MII接口
MII（Media Independent Interface）(介质无关接口)或称为媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE802.3的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA（Station Management）之间的互联技术。“媒体独立”表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。它是一种用于将不同的PHY与相同的网络控制器（MAC）相连接的通用总线。
STA(Station management entity)：管理实体，一般为MAC或CPU，通过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。
MII和MDIO关系
MII接口包括一个数据接口和一个MAC和PHY之间的管理接口（MDIO接口）。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道，每条信道都有自己的数据时钟和控制信号。
管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。
其中时钟信号就是MDC，它是由MAC输出，是非周期性的，即不要求提供固定频率的时钟，对于PHY芯片则作为输入，在上升沿触发MDIO的读写。MDC的时钟频率可以是DC-2.5MHz，即最小的时钟周期为400ns。
数据信号就是MDIO，它是一根双向的数据线，MAC作为master，PHY作为slave。在写PHY寄存器的时候，由MAC驱动MDIO向PHY写入数据；在读PHY寄存器时，前半段由MAC驱动发送寄存器地址，后半段由PHY驱动回复寄存器的值。
以10M，100M端口为例，MII和MDIO结构图如下：
IEEE802.3在两个章节定义了PHY的管理接口：
1、22.2.4 Management functions
2、45. Management Data Input/Output (MDIO) Interface
Clause22和Clause 45
Clause22定义GE及以下速率（10/100/1000M）PHY的管理接口；
Clause45定义10G及以上速率PHY的管理接口；
STA通过管理接口对PHY寄存器进行读写操作。
Clause 22帧
Clause 22帧格式：
1）PRE
PRE即preamble。MAC访问PHY寄存器之前，连续发送32个”1“，用于和PHY进行同步。
2）ST
ST即Start of frame，是2个固定的比特0和1。
3）OP
OP即Operation Code。读操作的操作码是10，写操作的操作码是01。
4）PHYAD
PHYAD即PHY address，表示5个bit位的PHY地址。PHY地址是由硬件连接决定的。硬件设计时，把PHY芯片的引脚电平上拉或者下拉，就可以设定PHY的地址。首先发送接收高位地址。
5）REGAD
REGAD即Register Address，表示PHY内部的寄存器地址。MII管理接口中，寄存器地址是5位的。首先发送接收高位地址。
6）TA
TA即Turn Around。寄存器地址字段和管理帧的数据字段之间有2bit的转换间隙，以避免读操作时冲突。读操作的TA域从高阻态变为0，写操作的TA域则是从1变为0。如下图所示：
高阻态是一个数字电路里常见的术语，指的是电路的一种输出状态，既不是高电平也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路的话，对下级电路无任何影响，和没接一样，如果用万用表测的话有可能是高电平也有可能是低电平，随它后面接的东西定的。
7）DATA
数据域为16bit，和PHY寄存器的宽度一致。读操作中，DATA域是从PHY层读到的数据；写操作中，DATA域是要写入PHY寄存器的值。
Clause 22限制
由上可知，Clause 22只有5bit的寄存器空间和PHY地址空间，这样导致能访问的PHY寄存器只有32个。千兆以下的PHY比较简单，只有32个寄存器，MAC通过Clause 22管理接口访问这些PHY寄存器已经足够，但是10G以上的PHY比较复杂，PHY层被划分为多个子层，PCS子层、PMA子层、PMD子层，Clause 22很难满足要求。
Clause 22扩展
前期，对于PHY上述限制，采用的一个比较通用的做法是单独设立一个PAGE寄存器，然后将寄存器映射到不同的PAGE上，每个PAGE是32Word空间。
以88E1111为例，我们需要首先在Page寄存器22写值，选择对应的Page，然后再访问该Page上的寄存器。虽然这个方案暂时解决了寄存器空间不够的问题，但是由于IEEE没有对应的规范，各个厂商实现的都不一样，驱动需要根据不同的PHY芯片写不同的接口代码。
88E1111寄存器如下图：
Clause 45
终于在2000年的时候IEEE发布了IEEE 802.3 Clause 45规范来解决这个问题。
Clause 45帧格式：
Clause45 管理接口硬件上和Clause 22管理接口一致，但是管理帧结构发生了变化。通过MDIO接口访问PHY寄存器时，需要知道端口地址、MMD设备地址和寄存器地址。
和Clause 22管理接口相比，Clause 45接口的读和写操作变复杂了，操作一个寄存器需要完成两步，首先要传送寄存器地址信息，然后才能读或者写对应的寄存器。
和Clause 22管理接口的管理帧相比，Clause 45接口的管理帧的主要差异如下：
1）ST
ST即Start of frame。Clause 22管理接口的管理帧的ST域是01，Clause 45接口管理帧中的ST域的值是00。
2）PRTAD
PRTAD即Port Address。PRTAD和Clause 22管理接口的管理帧的PHY address一致。
3）DEVAD
DEVED是Device Address，该域是MMD设备的5位ID。这个域对应Clause 22管理接口的管理帧的寄存器地址域。
4）ADDRESS/DATA
MDIO接口的地址操作中，这个域用来传送需要访问的寄存器的16位地址。
Clause 22管理接口中，寄存器地址只有5位；Clause 45接口中，寄存器地址变为16位。
Clause 45接口的读写操作中，这个域是读出或者待写入的数据。
Clause 45接口，单个STA通过单个MDIO接口最多可以访问32个PHY，每个PHY最多支持32个MMD，每个MMD最多可支持65536个寄存器。
Clause 45结构：
MMD(MDIO Manageable Device):MDIO管理设备，通过IEEE802.3标准Clause 45规定的MDIO接口进行管理。在Clause 45接口的定义中，PHY层被划分为多个MMD设备，每个MMD内部的寄存器的地址分配和Clause 22管理接口中的地址类似，不过寄存器的数量多出很多。
IEEE 802.3标准规定的MMD设备地址：
读写时序
Clause 22
读时序：
1、MDIO master 驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发送32个“1”，用于和PHY进行同步。
2、发送2bit的固定的启动开始标志，01b
3、发送2bit的操作码，读是10b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的寄存器地址，寻址范围是32 Word
6、对于读时序的前半部分由MDIO master侧驱动 ，通过一个高阻态bit time切换到slave驱动，slave驱动后驱动一个bit的0
7、slave 输出寻址的寄存器和16bit的值
8、总线进入高阻态，读时序结束
写时序：
1、MDIO master 驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发生32个“1”，用于和PHY进行同步。
2、发送2bit的固定的启动开始标志，01b
3、发送2bit的操作码，写是01b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的寄存器地址，寻址范围是32 Word
6、发送2bit固定的周转码，为10b
7、输出要写入寄存器的16bit值
8、总线进入高阻态，写时序结束
Clause 45
设置地址时序：
1、MDIO master驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发送32个“1”，用于和PHY进行同步
2、发送2bit的固定的启动开始标志，00b
3、发送2bit的操作码，写地址是00b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的设备地址，寻址范围是32 Word。（可以理解为PHY的二级地址）
6、发送2bit固定的周转码，为10b
7、发送要写入的16bit的地址值
8、总线进入高阻态，写地址时序结束
写时序：
1、MDIO master驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发生32个“1”，用于和PHY进行同步
2、发送2bit的固定的启动开始标志，00b
3、发送2bit的操作码，写操作是01b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的设备地址，寻址范围是32 Word。（可以理解为PHY的二级地址）
6、发送2bit固定的周转码，为10b
7、发送要写入的16bit的地址值
8、总线进入高阻态，写时序结束
读时序：
1、MDIO master驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发送32个“1”，用于和PHY进行同步
2、发送2bit的固定的启动开始标志，00b
3、发送2bit的操作码，读操作是11b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的设备地址，寻址范围是32 Word。（可以理解为PHY的二级地址）
6、发送2bit固定的周转码，为Z0b
7、slave输出16bit的寄存器值
8、总线进入高阻态，读时序结束
增量读时序：
1、MDIO master驱动输出前导符，前导符为高电平1。连续发送32个“1”，用于和PHY进行同步
2、发送2bit的固定的启动开始标志，00b
3、发送2bit的操作码，对于增量读操作是10b
4、发送5bit的Phy addr，通过该地址来识别对应的PHY芯片
5、发送5bit的设备地址，寻址范围是32 Word。（可以理解为PHY的二级地址）
6、发送2bit固定的周转码，为Z0b
7、slave输出16bit的寄存器值（每次都较上一次多偏移一单位地址）
8、总线进入高阻态，增量读时序结束增量读：就是连续读出一段空间的地址，这时候先通过设置地址的时序写寄存器的地址，再依次重复调用增量读命令去读寄存器，每次在接收到增量读地址帧并完成读操作后，MMD将地址寄存器递增1。直到读完该空间最后一个寄存器。
总结
1、Clause 45寄存器地址从5bit扩展到16bit，既可以访问到65536个寄存器
2、Clause 45引入了MMD概念，每个PHY最多可支持32个MMD
3、Clause 22只需要1帧就可以完成读写，而Clause 45需要2帧（第一次发送地址协议帧指定寄存器，第二次发送帧去读写数据）才可以完成读写
