ZYNQ网络通信之PHY详解（型号：88E1145）

PHY芯片详解（型号：88E1145）
一概述
1.1 PHY基本作用
（1）接收MAC过来的数据进行处理，并行数据转串行，按照物理层编码方式进行编码，再变为模拟信号发送出去。
（2）实现CSMA/CD（多点接入载波监听/冲突检测），检测网络上是否有数据在传输，如果有则等待，一旦检测到网络空闲，则发送下一个数据。冲突检测可以检测到数据冲突，然后各自等待一个随机的时间重新发送数据。

1.2 特性
① 四端口设备，定义为port0-port3，每个port对应一个net设备，且每个port支持10/100/1000传输速率。
② 对于port0的信号描述，例如pin 1，采用格式P0_CONFIG1。
③ PHY芯片型号是88E1145（引脚数：364-pin）。

1.3 功能模块框图

二设备接口描述
2.1媒体相关接口
2.2.1 铜接口：包含引脚P[3:0]_MDI[3:0]+、P[3:0]_MDI[3:0]-连接到外部RJ45，通过RJ45连接网线。
2.2.2光纤接口：光纤连接到光纤收发器，光纤收发器通过串行接口连接到PHY芯片，PHY芯片再通过GMII或者RGMII连接到MAC。包含引脚有S_IN+，S_IN-，S_OUT+，S_OUT-, SD+, SD-。
2.2 MAC接口
MAC接口支持GMII/MII，RGMII，SGMII和串行连接。这些接口连接到10/100/1000 Mbps MAC。
重点讲解RGMII和SGMII。
2.2.1 RGMII
通过12根线实现，将MAC层和PHY芯片连接，用于传输数据；对于GMII接口，数据和控制信号相对减少，并且一些控制信号被复用。
硬件连接方式：

引脚描述：

RGMII通过两种形式与外部进行数据传输，一种是转铜线，接RJ45，一种是转光纤，接光纤转接器。这里通过设置HWCFG_MODE[3:0]实现，

在包接收过程中，在高电平和低电平期间RX_CLK可以被拉伸，以适应自由时钟到数据同步时钟的过度，在PHY数据传输速度发生改变时，也可以在时钟正脉冲和负脉冲期间进行同样的拉伸，但是在整个速度转换过程中，时钟不能有任何的差错。
MAC必须确保TX_EN(TX_CTL)低，直到TX_EN(TX_CTL)确保MAC和PHY工作速度一样。

2.2.2 SGMII
在发送端，不需要TXCLK时钟输入，直接从输入数据中恢复时钟，有效减少引脚数。
在接收端，有两种操作模式，一种是提供接收时钟给MAC，一种不需要，实质就是看MAC在接收端有没有时钟恢复能力。串行接口（无时钟恢复能力）时钟选择通过设置HWCFG_MODE[3:0]=0000实现；串行接口不选择时钟（有时钟恢复能力）设置HWCFG_MODE[3:0]=0100实现。

接收端设置为无时钟模式连线方式：

接收端设置为有时钟模式连线方式：

当有时钟恢复能力的时候，可以禁用引脚S_CLK，为MAC省电。

三功能描述
3.1 数据速率配置

通过配置HWCFG_MODE[3:0]的值实现

3.2 MAC接口转铜线配置

工作在SGMII模式下，连接、双工和速度是通过自协商的形式表明。
MAC与铜线的连接示意图：

工作在SGMII接口下与MAC的连接示意图：

3.3 RGMII 转 SGMII配置
在自协商开启的时候，速率、双工和连接都会自动协商，通过PHY决定在以上参数下工作；在自协商关闭的状态下，速率和双工通过寄存器20.5:4决定速率和寄存器0_1_8决定双工模式，当接收到有效空闲时决定连接状态。
发送和接收FIFOs在RGMII模式下被使能，S_CLK默认被使能。
3.4 模式切换
操作模式可以在上电后通过写寄存器27.3:0改变，所有模式的改变必须在软件复位后进行，软件复位完成后在新模式下操作，对于某些模式更改不能自动完成，还有一些额外的寄存器要更改。
3.5 硬件配置
配置选项如PHY地址、工作模式、自动协商、MDI交叉和物理连接类型，通过使用配置引脚实现。
CONFIG[4:0]pin被连接到一些引脚，配置各种选项期望的选择，具体参考以下引脚连接映射值的表格。

CONFIG[4:0]配置port对应的示意图：

所有配置的对应关系：

这里重点讲解PHY地址和HWCFG_MODE。

由上图可知，PHY地址是5bit，低4Bit由CONFIG0决定，查看硬件原理图连接到哪个pin，对照《pin to constant mapping》表查看对应的bit[3:0]的值即为PHY地址的低4位。Bit5位由CONFIG3的最高位决定，获取方法同上。
例如：P0_CONFIG0引脚连接至P0_DUPLEX引脚，那么按照《pin to constant mapping》对照表可知，PHY_ADDR[3:0] = 0000，再查看P0_CONFIG3引脚连接至P3_LINK10，查表知此时P0_CONFIG3的bit3为1，表示PHY_ADDR的第五位PHY_ADDR[5]，连接PHY_ADDR[3:0]和PHY_ADDR[5]得到PHY_ADDR = 10000(二进制) = 16(十进制)。
CONFIG2配置HWCFG_MODE[3:0]直接影响PHY芯片很多方面的工作模式。具体表现为：

其他需要重点关注的寄存器配置如下：

关于table36中所有配置寄存器的定义不再一一描述，详见数据手册Page(89)开始均有介绍。
3.6 管理接口MDC/MDIO
MDC/MDIO接口类似于IIC接口，MDC为时钟线，时钟最大不超过8.3MHz，MDIO是数据线，进行地址和数据的传输。
在4个port口使用MDC/MDIO管理接口时候，可以采用两种方案设计，第一种是一个单一的串行管理接口支持四个port。另一种是4个独立的串行接口分别管理每个port。连接示意图如下所示：

当选择4个独立的串行接口分别管理每个port的时候，必须配置1/4 MDIO寄存器，关于这个寄存器的配置在3.5节硬件配置里面有讲解。
关于MDC/MDIO的读写时序如下所示：

MDC/MDIO协议仅支持32个寄存器，然而88E1145有32个以上的寄存器，因此采用分页机制管理进行寻址。具体参考后续寄存器描述。
MDC/MDIO也有中断功能，这里不做详细介绍。

3.7 自协商
支持5种类型的自动协商。

自动协商在以下任意一种情况下发起：
① 上电复位
② 硬件复位
③ 软件复位（寄存器 0.15）
④ 重启自动协商（寄存器 0.9）
⑤ 从掉电到上电的切换
⑥ 链路断开
当选择前两种自动协商类型的时候，通过硬件配置在复位的情况下，基于所使用的数字接口类型进行配置，具体的配置方法在前面3.5节硬件配置里面有详细的描述。
这里重点讲解第一种自动协商类型，10/100/1000BASE-T Copper Auto-Negotiation类型，也就是通过铜线接到RJ45进行外部数据传输方式。
使用协商机制协商传输线缆上的速率、双工和流量控制，一旦自协商功能发起，PHY决定远程设备是否发起自协商，如果是，PHY和远程设备协商速率、双工。如果远程设备不具备自协商能力，那么PHY将使用并行侦测远程设备的速率，通过侦察功能建立连接，这时候只需要在半双工模式下建立连接。
硬件复位后，自协商可以通过寄存器0.12启用和禁用，自动化MDI/MDIX和自协商可以单独被启用和禁用。当自协商被禁用时，可以通过寄存器0.13、0.6和0.8分别设置，启用自协商后，可以通过寄存器4和9更改新的功能。
自协商功可以通过寄存器配置，也能通过引脚CONFIG[2]配置，关于引脚CONFIG[2]的配置详见3.5节硬件配置详解。
总结：关于自协商功能可以启用和关闭，启用的时候可以通过硬件连接配置，也可以通过软件设置寄存器的值进行配置，一般根据工程应用决定。关闭的时候，可以通过软件配置寄存器的方式要求传输速率、双工和流量控制。
一旦自协商完成，寄存器1、5、6和10的状态值将被改变；速率、双工、页接收和自协商状态也可以被寄存器17和19使用。

3.8 收发延时使能
收发延时是指在接收或发送数据的时候，将时钟和数据同步的时间差关系，换句话说，就是数据在时钟的setup时刻进行跳变还是在时钟的hold时刻进行跳变。
PHY芯片专门设置一个寄存器来管理延时使能问题，寄存器20的bit7和bit1。查看这个寄存器的定义如下：

默认值为0，当设置为1即增加延时时间，即数据时钟呈现中间对齐。
是否需要设置收发延时需要根据对端具体情况，当对端发出的数据为沿对齐时候，需要phy设置数据接收延时；当对端接收数据没有说设置接收延时，需要phy设置发送延时。
具体到硬件层面，setup和hold时间是多少？如何进行的延时？这些问题将通过下面这组图展示出来。

四寄存器描述
4.1 寄存器表示方法
IEEE只为PHY芯片提供32个地址空间，为了扩展寄存器地址空间，采用分页机制表示。定义寄存器地址0至21，23至28寄存器，通过寄存器22的7bit-0bit来表示页数；30寄存器至31寄存器通过29寄存器的5bit-0bit确定分页。22寄存器和29寄存器不分页。
在数据手册里采用简短的方式表示一个寄存器。表示方法为 register_page.bit:bit。
例如：
寄存器0页数1的bit5-bit0表示为：0_1.5:0
寄存器2的bit3至bit0表示为：2.3:0
寄存器2的bit3表示为：2.3
Note：为了使分页机制正常工作，寄存器27.9必须设置为1，禁用自动介质寄存器选择。
4.2 寄存器地址映射

 这里的分页机制是page0为铜线外部接口，page1为光纤外部接口。前面章节也提到过，关于对PHY芯片的配置，可以依靠纯软件的形式进行，也可以通过硬件配置的方式完成绝大部分的配置工作，使其能正常工作，进行网络传输。值得注意的是，前面提到的所有的硬件配置，除了PHY地址以外，均可以通过软件配置寄存器的当时进行配置和后期更改、刷新。至于具体的配置工作需要根据工程实际需求进行。

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