【正点原子FPGA连载】第二十四章 MDIO接口读写测试实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V1.2

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第二十四章MDIO接口读写测试实验

     在以太网通信中，设备之间的物理层链路均由PHY芯片（物理层芯片，本文指B50610）建立。PHY芯片有一个配置接口，即MDIO接口，可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。本章我们来学习如何通过领航者ZYNQ开发板实现对PHY芯片的MDIO接口进行读写测试。

本章分为以下几个章节：  

1.1    简介

1.2    实验任务

1.3    硬件设计

1.4    程序设计

1.5    下载验证

1.1 简介

以太网概述

     以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网凭借其成本低、通信速率高、抗干扰性强等优点被广泛应用在网络远程监控、交换机、工业自动化等对通信速率要求较高的场合。

以太网是一种产生较早，使用相当广泛的局域网。其最初是由Xerox（施乐）公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，后来被电气与电子工程师协会（IEEE）所采纳作为802.3的标准。

     以太网的分类有标准以太网（10Mbit/s），快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网（1000Mbit/s）。随着以太网技术的飞速发展，市场上也出现了万兆以太网（10Gbit/s），它扩展了IEEE802.3协议和MAC规范，使其技术支持10Gbit/s的传输速率。在实际应用中，千兆以太网理论上最高通信速率为1000Mbit/s，可以胜任大部分的使用场景。

     以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有RJ45接口，RJ11接口（电话线接口），SC光纤接口等。其中RJ45接口是我们现在最常见的网络设备接口（如：电脑网口），我们开发板使用的就是这种接口。

     RJ45接口俗称“水晶头”，专业术语为RJ45连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成，属于双绞线以太网接口类型。RJ45插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与RJ45插槽卡住以防止脱落。

RJ45接口样式如图24.1.1所示：

图24.1.1RJ45插头（左）、插座（右）

RJ45接口定义以及各引脚功能说明如图24.1.2所示，在以太网中只使用了1、2、3、6这四根线，其中1、2这组负责传输数据（TX+、TX-），而3、6这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。

图24.1.2RJ45插座接口定义

从硬件的角度来说，以太网接口电路主要由MAC（Media AccessControl）控制器和物理层接口PHY（Physical Layer，PHY）两大部分构成。MAC指媒体访问控制子层协议，它和PHY接口既可以整合到单颗芯片内，也可以独立分开，对于本次设计来说，MAC控制器由FPGA实现，PHY芯片指开发板板载的以太网芯片。

PHY在发送数据的时候，接收MAC发过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟信号发送出去，接收数据时的流程反之。PHY还提供了和对端设备连接的重要功能，并通过LED灯显示出自己目前的连接状态和工作状态。当我们给网卡接入网线的时候，PHY芯片不断发出脉冲信号来检测对端是否有设备，它们通过标准的“语言”交流，互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto Negotiation，即自协商。

MDIO接口

MAC和PHY芯片有一个配置接口，即MDIO接口，可以配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息。PHY芯片内部包含一系列寄存器，用户通过这些寄存器来配置PHY芯片的工作模式以及获取PHY芯片的若干状态信息，如连接速率、双工模式、自协商状态等。FPGA通过MDIO接口对PHY芯片内部的寄存器进行配置。通常情况下，PHY芯片在默认状态下也可以正常工作，在做以太网通信实验时，对MDIO接口的配置不是必须的，本章旨在向大家介绍MDIO接口以及如何对MDIO接口进行读写操作。MAC和PHY连接示意图如下图所示。

图24.1.3 MDIO接口示意图

MDIO接口也称为SMI接口（SerialManagement Interface，串行管理接口），包括ETH_MDC（数据管理时钟）和ETH_MDIO（数据管理输入输出）两条信号线。ETH_MDC为ETH_MDIO提供时钟，ETH_MDC的最大时钟不能超过12.5Mhz。ETH_MDIO为双向数据引脚，既用于发送数据，也用于接收数据。

MDIO接口的读写通信协议如下图所示：

图24.1.4 MDIO接口通信协议

Preamble：32位前导码，由MAC端发送32位逻辑“1”，用于同步PHY芯片。

ST（Startof 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，MAC将要写入对应PHYAD的REGAD寄存器的值写入DATA中。

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。

MDIO接口读时序图如下图所示：

图24.1.5 MDIO接口读时序图

     上图是以PHY地址为0x01，从寄存器地址0x00读出数据为例。整个读操作过程的MDC时钟由MAC驱动，同时MAC驱动MDIO引脚输出前导码+帧开始+操作码+PHY地址+寄存器地址，随后MDIO引脚切换至PHY驱动。在第一个TA位，MDIO引脚为高阻状态，第二个TA位为低电平，表示PHY芯片成功响应，并且接下来会输出16位寄存器数据；而如果第二个TA位处于高电平，则PHY芯片响应失败，有可能PHY地址不正确或者其它时序的错误。

     需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿更新MDIO引脚的数据。当MDIO引脚切换至PHY驱动时，MDIO数据在MDC时钟的下降沿更新，因此MAC在MDC时钟的上升沿采集数据。在读操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。

MDIO接口写时序图如下图所示：

图24.1.6 MDIO接口写时序图

上图是以PHY地址为0x01，向寄存器地址0x00写入0x1340为例，在整个写操作过程中，MDC时钟和MDIO引脚一直由MAC端驱动，按照MDIO接口写通信协议开始传输数据。需要注意的是，PHY在MDC时钟的上升沿采集数据，为保证数据的稳定传输，MAC在MDC的下降沿将数据更新至MDIO引脚。在写操作结束后，MAC将MDIO引脚输出高阻，此时MDIO引脚的外部上拉电阻会将MDIO引脚拉高，此时MDIO接口处于空闲状态。

以太网PHY芯片（B50610）

1）PHY地址

B50610芯片的PHY地址由TEST[3:2]和PHYA[0]引脚决定，如下图所示：

图24.1.7 PHY地址选择

     从上图可以看出，PHY地址根据TEST[3:2]和PHYA[0]引脚的不同，共有4个不同的PHY地址。领航者ZYNQ开发板上的以太网PHY芯片TEST[3:2]和PHYA[0]均为高电平（原理图见本章硬件设计部分），因此PHY地址为5’h19。

2）复位

B50610芯片复位后，PHY内部寄存器的数据会恢复默认的状态，并且重新开始和MAC进行自协商。B50610支持两种复位方式，一种是硬件复位，另外一种是软件复位。硬件复位时通过ETH_RST_N引脚实现对PHY芯片的复位，当ETH_RST_N引脚持续2us的低电平时，即可实现对PHY芯片的复位。软件复位通过向寄存器地址0x00的Bit[15]写入1进行复位，并且在完成复位后，该位会自动清零。

3）寄存器

B50610共有32位寄存器，这里我们仅介绍常用的两个寄存器，控制寄存器和状态寄存器。

控制寄存器（地址：0x00）用于芯片的复位和其它功能的控制，各个位的说明如下图所示：

图24.1.8控制寄存器说明

部分常用位的说明如下：

Bit[15]：软件复位，1：PHY复位 0：正常模式；

Bit[14]：内部环回模式，1：本地环回模式0：正常模式；

Bit[12]：自动协商使能1：自动协商使能0：自动协商不使能；

Bit[9]：重启自协商，1：重新开始自协商0：自协商重启完成。

状态寄存器（0x19）用于获取当前芯片的工作状态，各个位的说明如下图所示：

图24.1.9:状态寄存器说明

部分常用位的说明如下：

Bit[15]：自协商完成1：自协商完成0：正在进行自协商；

Bit[10:8]：当前连接速度和双工模式；

        111：1000Mbps全双工传输；

         110：1000Mbps半双工传输；

        101：100Mbps，传输介质为2对高质量的双绞线，一对用于发送数据，一对用于接收数据，全双工传输；

         100：100Mbps，传输介质为4对3类非屏蔽（UTP)双绞线，仅支持半双工；

        011：100Mbps，传输介质为2对高质量的双绞线，一对用于发送数据，一对用于接收数据，半双工传输；

        010：10Mbps，全双工通信；

        001：10Mbps，半双工通信；

        000：未连接或者自协商尚未完成；

Bit[2]：连接状态，1：连接成功0：连接失败。

1.2 实验任务

本节实验任务是使用领航者ZYNQ开发板上的以太网接口，完成MDIO接口的读写测试实验。板载的触摸按键（TPAD）控制MDIO接口进行软复位，并通过两个LED灯实时指示当前网口的连接速度。

1.3 硬件设计

领航者ZYNQ开发板上有两个千兆网口，本次实验使用的是PL端的网口。PL端的RJ45接口用于连接网线，其原理图如下图所示：

图24.3.1 RJ45接口原理图

上图中的LEDG和LEDY是PHY输出的LED信号，用于控制RJ45接口上的LED灯，PHY0_MDIOP/N~PHY3_MDIOP/N是PHY和RJ45接口间的差分信号线，用于传输数据。

以太网的数据传输离不开以太网PHY（物理层）芯片的支持，物理层定义了数据发送与接收所需要的电信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。我们的领航者ZYNQ开发板上使用的PHY芯片为博通公司的B50610，其原理图如下图所示：

图24.3.2以太网接口原理图

B50610是一个千兆以太网物理层收发器，支持1000/100/10Mbps通信速率，该芯片内部的参数可以通过MDIO接口进行配置。由上图可知，TEST[3:2]和PHYA[0]引脚均连接高电平，结合图24.1.7可知，该PHY地址为5’h19。

原理图中的ETH_MDC和ETH_MDIO引脚均连接了上拉电阻，在空闲状态下，当FPAG控制ETH_MDIO引脚输出高阻状态时，ETH_MDIO会被上拉至高电平。

本章主要完成MDIO接口的读写测试功能，因此以太网的引脚只用到了ETH_RESET_N、ETH_MDC和ETH_MDIO引脚。本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：

表24.3.1MDIO接口读写测试实验管脚分配

对应的XDC约束语句如下所示：

1. set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports sys_clk]
   
2. set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
   
3. set_property -dict {PACKAGE_PIN K14 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports eth_mdc]
   
4. set_property -dict {PACKAGE_PIN D20 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports eth_mdio]
   
5. set_property -dict {PACKAGE_PIN G14 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports eth_rst_n]
   
6. set_property -dict {PACKAGE_PIN L19 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports touch_key]
   
7. set_property -dict {PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
   
8. set_property -dict {PACKAGE_PIN H18 IOSTANDARDLVCMOS33} [get_ports {led[1]}]

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1.4 程序设计

     根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：首先每隔一段时间通过MDIO接口从PHY内部寄存器中读取状态控制寄存器，从而获取到自协商完成状态、连接状态和连接速度，将网口的连接速度通过LED灯进行指示；当FPGA检测到TPAD触摸按键按下时，开始通过MDIO接口对PHY进行软复位，在软复位完成后，PHY会重新开始自协商，此时LED灯仍然会每隔一段时间获取当前网口的连接状态以及连接速度。由此画出系统的功能框图如下图所示：

图24.4.1MDIO接口读写测试系统框图

     MDIO接口驱动模块实现了对MDIO接口的读写驱动。MDIO接口控制模块根据输入的触摸按键，实现了对MDIO接口驱动模块的写操作，并每隔一段时间对MDIO接口驱动模块进行读操作，将获取到的网口连接状态与速度通过LED灯进行指示。

各模块端口及信号连接如下图所示：

图24.4.2顶层模块原理图

     由上图可知，FPGA顶层模块例化了以下两个模块，MDIO接口控制模块（mdio_ctrl）和MDIO接口驱动模块（mdio_dri），实现了各模块之间的数据交互。其中MDIO接口驱动模块预留了用户接口，方便对MDIO接口进行读写操作。

     当FPGA通过MDIO控制模块向MDIO驱动模式读写数据时，拉高触发控制信号op_exec来触发MDIO驱动模块，op_rh_wl用于表示读或者写操作，当op_rh_wl为低电平时，MDIO驱动模块执行写操作，当op_rh_wl为高电平时，MDIO驱动模块执行读操作。op_addr表示读写寄存器地址，op_wr_data信号表示写入的数据，op_rd_data信号表示从MDIO接口的寄存器中读到的数据。当读或者写操作完成时，MDIO驱动模块会产生一个时钟周期的op_done信号，表示MDIO驱动模块读或者写操作完成。

顶层模块的代码如下：

1. module mdio_rw_test(
   
2. input          sys_clk  ,
   
3. input          sys_rst_n,
   
4. //MDIO接口
   
5. output         eth_mdc  ,//PHY管理接口的时钟信号
   
6. inout          eth_mdio ,//PHY管理接口的双向数据信号
   
7. output         eth_rst_n,//以太网复位信号
   
8. 
   
9. input          touch_key,//触摸按键
   
10. output[1:0  led        //LED连接速率指示
    
11. );
    
12. 
    
13. //wire define
    
14. wire          op_exec    ;//触发开始信号
    
15. wire          op_rh_wl   ;//低电平写，高电平读
    
16. wire[4:0   op_addr    ;//寄存器地址
    
17. wire[15:0  op_wr_data ;//写入寄存器的数据
    
18. wire          op_done    ;//读写完成
    
19. wire[15:0  op_rd_data ;//读出的数据
    
20. wire          op_rd_ack  ;//读应答信号 0:应答 1:未应答
    
21. wire          dri_clk    ;//驱动时钟
    
22. 
    
23. //硬件复位
    
24. assign eth_rst_n = sys_rst_n;
    
25. 
    
26. //MDIO接口驱动
    
27. mdio_dri #(
    
28. .PHY_ADDR    (5'h19),//PHY地址
    
29. .CLK_DIV     (6'd10)//分频系数
    
30. )
    
31.      u_mdio_dri(
    
32. .clk        (sys_clk),
    
33. .rst_n      (sys_rst_n),
    
34. .op_exec    (op_exec   ),
    
35. .op_rh_wl   (op_rh_wl  ),
    
36. .op_addr    (op_addr   ),
    
37. .op_wr_data (op_wr_data),
    
38. .op_done    (op_done   ),
    
39. .op_rd_data (op_rd_data),
    
40. .op_rd_ack  (op_rd_ack),
    
41. .dri_clk    (dri_clk   ),
    
42. 
    
43. .eth_mdc    (eth_mdc   ),
    
44. .eth_mdio   (eth_mdio  )
    
45. );
    
46. 
    
47. //MDIO接口读写控制   
    
48. mdio_ctrl  u_mdio_ctrl(
    
49. .clk           (dri_clk),
    
50. .rst_n         (sys_rst_n),
    
51. .soft_rst_trig (touch_key ),
    
52. .op_done       (op_done   ),
    
53. .op_rd_data    (op_rd_data),
    
54. .op_rd_ack     (op_rd_ack),
    
55. .op_exec       (op_exec   ),
    
56. .op_rh_wl      (op_rh_wl  ),
    
57. .op_addr       (op_addr   ),
    
58. .op_wr_data    (op_wr_data),
    
59. .led           (led       )
    
60. );
    
61. 
    
62. endmodule

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    顶层模块主要完成对其余模块的例化。在程序的第24行将系统复位（sys_rst_n）直接赋值给以太网的硬件复位信号（eth_rst_n），当复位按键按下时，会对PHY芯片进行硬件复位。

    在程序的第28行和29行代码例化了两个参数，分别表示PHY地址和ETH_MDC相对于输入时钟的分频系数。这里将PHY地址设置为5’h19，如果PHY地址设置错误，会导致对MDIO接口的读写操作失败。另外需要注意的是，ETH_MDC的时钟频率不能超过12.5Mhz。

    由前面的MDIO接口读写时序图我们可以发现，MDIO驱动模块非常适合采用状态机来编写。状态机的状态跳转图如图24.4.3所示，总共有6个状态，分别为st_idle（空闲状态）、st_pre（发送前导码状态）、st_start（发送帧开始+操作码）、st_addr（发送PHY地址+寄存器地址）、st_wr_data（发送TA+写入数据）和st_rd_data（接收TA+接收数据）。当状态机处于空闲状态时，如果触发信号拉高（op_exec=1），状态机进入发送前导码状态。另外当状态机处于st_addr时，在发送完PHY地址和寄存器地址之后，接下来状态机根据读或者写操作来跳转至st_wr_data状态或者st_rd_data状态。在读或者写完数据后，状态机重新跳转至空闲状态。

图24.4.3状态跳转图

     程序中我们采用的是三段式状态机，由于代码较长，这里仅贴出部分代码，代码如下：

1. //wire define
   
2. wire          mdio_in    ;//MDIO数据输入
   
3. wire[5:0  clk_divide ;//PHY_CLK的分频系数
   
4. 
   
5. assign eth_mdio = mdio_dir ?mdio_out :1'bz;//控制双向io方向
   
6. assign mdio_in = eth_mdio;//MDIO数据输入
   
7. //将PHY_CLK的分频系数除以2,得到dri_clk的分频系数,方便对MDC和MDIO信号操作
   
8. assign clk_divide = CLK_DIV >>1;
   
9. 
   
10. //分频得到dri_clk时钟
    
11. always@(posedge clk ornegedge rst_n)begin
    
12. if(!rst_n)begin
    
13.           dri_clk <=1'b0;
    
14.           clk_cnt <=1'b0;
    
15. end
    
16. elseif(clk_cnt == clk_divide[5:1]-1'd1)begin
    
17.           clk_cnt <=1'b0;
    
18.           dri_clk <=~dri_clk;
    
19. end
    
20. else
    
21.           clk_cnt <=clk_cnt +1'b1;
    
22. end
    
23. 
    
24. //产生PHY_MDC时钟
    
25. always@(posedge dri_clk ornegedge rst_n)begin
    
26. if(!rst_n)
    
27.           eth_mdc <=1'b1;
    
28. elseif(cnt[0]==1'b0)
    
29.           eth_mdc <=1'b1;
    
30. else
    
31.           eth_mdc <=1'b0;
    
32. end
    
33. 省略部分代码……
    
34.              st_wr_data :begin
    
35. case(cnt)
    
36. 7'd1: mdio_out <=1'b1;//发送TA,写操作(2'b10)
    
37. 7'd3: mdio_out <=1'b0;
    
38. 7'd5: mdio_out <= wr_data_t[15];//发送写寄存器数据
    
39. 7'd7: mdio_out <= wr_data_t[14];
    
40. 7'd9: mdio_out <= wr_data_t[13];
    
41. 7'd11: mdio_out <= wr_data_t[12];
    
42. 7'd13: mdio_out <= wr_data_t[11];
    
43. 7'd15: mdio_out <= wr_data_t[10];
    
44. 7'd17: mdio_out <= wr_data_t[9];
    
45. 7'd19: mdio_out <= wr_data_t[8];
    
46. 7'd21: mdio_out <= wr_data_t[7];
    
47. 7'd23: mdio_out <= wr_data_t[6];
    
48. 7'd25: mdio_out <= wr_data_t[5];
    
49. 7'd27: mdio_out <= wr_data_t[4];
    
50. 7'd29: mdio_out <= wr_data_t[3];
    
51. 7'd31: mdio_out <= wr_data_t[2];
    
52. 7'd33: mdio_out <= wr_data_t[1];
    
53. 7'd35: mdio_out <= wr_data_t[0];
    
54. 7'd37:begin
    
55.                          mdio_dir <=1'b0;
    
56.                          mdio_out <=1'b1;
    
57. end
    
58. 7'd39: st_done <=1'b1;
    
59. 7'd40:begin
    
60.                                 cnt <=7'b0;
    
61.                                 op_done <=1'b1;//写操作完成,拉高op_done信号
    
62. end
    
63. default:;
    
64. endcase
    
65. end
    
66.              st_rd_data :begin
    
67. case(cnt)
    
68. 7'd1:begin
    
69.                          mdio_dir <=1'b0;//MDIO引脚切换至输入状态
    
70.                          mdio_out <=1'b1;
    
71. end
    
72. 7'd2:;//TA[1]位,该位为高阻状态,不操作            
    
73. 7'd4: op_rd_ack = mdio_in;//TA[0]位,0(应答) 1(未应答)
    
74. 7'd6: rd_data_t[15]<= mdio_in;//接收寄存器数据
    
75. 7'd8: rd_data_t[14]<= mdio_in;
    
76. 7'd10: rd_data_t[13]<= mdio_in;
    
77. 7'd12: rd_data_t[12]<= mdio_in;
    
78. 7'd14: rd_data_t[11]<= mdio_in;
    
79. 7'd16: rd_data_t[10]<= mdio_in;
    
80. 7'd18: rd_data_t[9]<= mdio_in;
    
81. 7'd20: rd_data_t[8]<= mdio_in;
    
82. 7'd22: rd_data_t[7]<= mdio_in;
    
83. 7'd24: rd_data_t[6]<= mdio_in;
    
84. 7'd26: rd_data_t[5]<= mdio_in;
    
85. 7'd28: rd_data_t[4]<= mdio_in;
    
86. 7'd30: rd_data_t[3]<= mdio_in;
    
87. 7'd32: rd_data_t[2]<= mdio_in;
    
88. 7'd34: rd_data_t[1]<= mdio_in;
    
89. 7'd36: rd_data_t[0]<= mdio_in;
    
90. 7'd39: st_done <=1'b1;
    
91. 7'd40:begin
    
92.                          op_done <=1'b1;//读操作完成,拉高op_done信号         
    
93.                          op_rd_data <= rd_data_t;
    
94.                          rd_data_t <=16'd0;
    
95.                          cnt <=7'd0;
    
96. end
    
97. default:;
    
98. endcase

复制代码

     在程序的第69行，通过mdio_dir（MDIO引脚方向选择）信号控制eth_mdio引脚的方向，当设置成输入时，FPGA将该引脚输出高阻（1’bz）；当设置成输出时，将FPGA驱动的mdio_out信号连接至eth_mdio。

     由于eth_mdc需要在输入时钟的基础上进行分频，为了方便操作，这里先对输入的时钟进行分频，得到一个dri_clk时钟，作为MDIO驱动模块和MDIO控制模块的操作时钟。eth_mdc在dri_clk的基础上进行2分频，由于输入的参数CLK_DIV为eth_mdc相对于输入时钟的分频系数，因此为了得到dri_clk的分频系数，需要将CLK_DIV除以2，如代码中第72行所示。

     程序中第74行至第86行根据分频系数（clk_divide），得到dri_clk的时钟。在程序的第88行至第96行代码，当cnt一直累加时，eth_mdc的时钟相当于对dri_clk进行2分频。当开始对MDIO接口进行读写操作时，cnt累加，此时才会产生eth_mdc时钟；当读写操作结束后，cnt等于0，eth_mdc将一直处于高电平。

     需要说明的是，由于clk_divide等于CLK_DIV除以2，程序中第74行至第86行代码只支持偶数分频，所以最终生成的eth_mdc的时钟频率相比于输入的CLK_DIV可能产生偏差。本次实验中，CLK_DIV等于10，因此clk_divide等于5，dri_clk的时钟频率为12.5Mhz，eth_mdc为6.25Mhz。

     程序的第255行至289行代码为状态机的st_wr_data（发送TA+写入数据）和st_rd_data（接收TA+接收数据）状态。在st_wr_data状态下，数据是在       eth_mdc的下降沿写入，而在st_rd_data状态，数据在erth_mdc的上升沿读出。值得一提是，在st_rd_data状态下，程序中根据TA的第二位，判断PHY芯片有没有应答，如果没有应答，则说明读取数据失败，如程序中第264行代码所示。

MDIO接口读操作的ILA波形图如下图所示：

图24.4.4 MDIO接口读操作ILA波形图

     由上图可知，op_exec的脉冲信号作为MDIO接口读写的触发信号，图中op_rh_wl为高电平，表示读操作，op_addr寄存器地址为5’h19。在TA位时，mdio_dir由高电平切换至低电平，表示MDIO引脚由输出切换至输入，随后op_rd_ack变为低电平，说明PHY芯片应答成功。在整个读操作结束后，MDIO驱动模块产生一个脉冲的op_done信号，此时从状态寄存器中读出的数据为0x871c。

MDIO控制模块代码如下：

1. module mdio_ctrl(
   
2. input                clk           ,
   
3. input                rst_n         ,
   
4. input                soft_rst_trig ,//软复位触发信号
   
5. input                op_done       ,//读写完成
   
6. input[15:0  op_rd_data   ,//读出的数据
   
7. input  op_rd_ack    ,//读应答信号 0:应答 1:未应答
   
8. outputreg          op_exec       ,//触发开始信号
   
9. outputreg          op_rh_wl      ,//低电平写，高电平读
   
10. outputreg[4:0   op_addr      ,//寄存器地址
    
11. outputreg[15:0  op_wr_data   ,//写入寄存器的数据
    
12. output[1:0   led             //LED灯指示以太网连接状态
    
13. );
    
14. 
    
15. //reg define
    
16. reg          rst_trig_d0;
    
17. reg          rst_trig_d1;
    
18. reg          rst_trig_flag;//soft_rst_trig信号触发标志
    
19. reg[23:0  timer_cnt;//定时计数器
    
20. reg          timer_done;//定时完成信号
    
21. reg[1:0   flow_cnt;//流程控制计数器
    
22. reg[1:0   speed_status;//连接速率
    
23. 
    
24. //wire define
    
25. wire         pos_rst_trig;//soft_rst_trig信号上升沿
    
26. 
    
27. //采soft_rst_trig信号上升沿
    
28. assign pos_rst_trig =~rst_trig_d1 &rst_trig_d0;
    
29. //连接速率00:未连接或连接失败 01:10Mbps 10:100Mbps  11:1000Mbps
    
30. assign led = speed_status;
    
31. 
    
32. //对soft_rst_trig信号延时打拍
    
33. always@(posedge clk ornegedge rst_n)begin
    
34. if(!rst_n)begin
    
35.           rst_trig_d0 <=1'b0;
    
36.           rst_trig_d1 <=1'b0;
    
37. end
    
38. elsebegin
    
39.           rst_trig_d0 <= soft_rst_trig;
    
40.           rst_trig_d1 <= rst_trig_d0;
    
41. end
    
42. end
    
43. 
    
44. //定时计数
    
45. always@(posedge clk ornegedge rst_n)begin
    
46. if(!rst_n)begin
    
47.           timer_cnt <=1'b0;
    
48.           timer_done <=1'b0;
    
49. end
    
50. elsebegin
    
51. if(timer_cnt ==24'd1_000_000-1'b1)begin
    
52.               timer_done <=1'b1;
    
53.               timer_cnt <=1'b0;
    
54. end
    
55. elsebegin
    
56.               timer_done <=1'b0;
    
57.               timer_cnt <= timer_cnt +1'b1;
    
58. end
    
59. end
    
60. end
    
61. 
    
62. //根据软复位信号对MDIO接口进行软复位,并定时读取以太网的连接状态
    
63. always@(posedge clk ornegedge rst_n)begin
    
64. if(!rst_n)begin
    
65.           flow_cnt <=2'd0;
    
66.           rst_trig_flag <=1'b0;
    
67.           speed_status <=1'b0;
    
68.           op_exec <=1'b0;
    
69.           op_rh_wl <=1'b0;
    
70.           op_addr <=1'b0;
    
71.           op_wr_data <=1'b0;
    
72. end
    
73. elsebegin
    
74.           op_exec <=1'b0;
    
75. if(pos_rst_trig)
    
76.               rst_trig_flag <=1'b1;//拉高软复位触发标志
    
77. case(flow_cnt)
    
78. 2'd0:begin
    
79. if(rst_trig_flag)begin//开始对MDIO接口进行软复位
    
80.                       op_exec <=1'b1;
    
81.                       op_rh_wl <=1'b0;
    
82.                       op_addr <=5'h00;
    
83.                       op_wr_data <=16'hB100;//Bit[15]=1'b1,表示软复位
    
84.                       flow_cnt <=3'd1;
    
85. end
    
86. elseif(timer_done)begin//定时完成,获取以太网连接状态
    
87.                       op_exec <=1'b1;
    
88.                       op_rh_wl <=1'b1;
    
89.                       op_addr <=5'h19;
    
90.                       flow_cnt <=3'd2;
    
91. end
    
92. end
    
93. 2'd1:begin
    
94. if(op_done)begin//MDIO接口软复位完成
    
95.                       flow_cnt <=3'd0;
    
96.                       rst_trig_flag <=1'b0;
    
97. end
    
98. end
    
99. 2'd2:begin
    
100. if(op_done)begin//MDIO接口读操作完成
     
101. if(op_rd_ack ==1'b0)//MDIO接口成功应答
     
102.                          flow_cnt <=3'd3;
     
103. else
     
104.                          flow_cnt <=3'd0;
     
105. end
     
106. end
     
107. 2'd3:begin
     
108.                  flow_cnt <=2'd0;
     
109. //根据MDIO接口读到的数据,解析以太网的连接状态
     
110. if(op_rd_data[15]==1'b1&&op_rd_data[2]==1'b1)begin
     
111. if(op_rd_data[10:9]==2'b11)
     
112.                          speed_status <=2'b11;//1000Mbps
     
113. elseif((op_rd_data[10:9]==2'b10)||(op_rd_data[10:8]==3'b011))
     
114.                          speed_status <=2'b10;//100Mbps
     
115. elseif((op_rd_data[10:8]==3'b010)||(op_rd_data[10:8]==3'b001))
     
116.                          speed_status <=2'b01;//10Mbps
     
117. else
     
118.                          speed_status <=2'b00;//连接失败或者自协商尚未完成
     
119. end
     
120. else
     
121.                      speed_status <=2'b00;//连接失败或者自协商尚未完成
     
122. end
     
123. endcase
     
124. end
     
125. end
     
126. 
     
127. endmodule

复制代码

     程序中第44至第60行代码实现计数定时的功能，每当计数器计数到1000000-1时，会产生一个周期的脉冲信号（timer_done）。该模块输入的时钟频率为6.25Mhz，因此定时周期为160ms。

     程序中第62行至第125行代码根据软复位信号对MDIO接口进行软复位，并定时读取以太网的连接状态。其中程序中第107行至122行代码，根据状态寄存器的值，为连接速率状态位（speed_status）赋值。

1.5 下载验证

     将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，将网线一端连接开发板的PL网口（GE_PL），另一端连接电脑的网口或者路由器，接下来连接电源线，并打开开发板的电源开关。GE_PL网口的位置如下图所示。

图24.5.1 GE_PL网口位置

     点击Vivado左侧“FlowNavigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，此时Vivado软件识别到下载器，点击“Hardware”窗口中“Program Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程序。

程序下载完成后，等待几秒即可看到底板PL LED灯的点亮状态，如下图所示：

图24.5.2开发板实验现象

     如上图可知，PL的两个LED灯都处于点亮状态，因此通信速率为1000Mbps。如果按下复位按键可以对PHY进行硬件复位，按下TPAD触摸按键会对PHY进行软复位，此时PHY芯片会重新开始与另一端设备进行自协商，等待几秒后，PL LED灯重新点亮。

     另外，如果开发板另一端连接的是电脑的网口，此时可以查看自协商后的通信速率。查看方法是点击电脑右下角的网络图标，会看到本地连接刚开始显示的是正在识别，一段时间之后显示未识别的网络，打开方式如下图所示（WIN7和WIN10操作可能存在差异，但基本相同）。

图24.5.3点击网络图标

点击图24.5.3中的“未识别的网络（无Internet）”，弹出如下图所示界面。

图24.5.4网络设置界面

点击“更改适配器”选项，弹出如下图所示界面。

图24.5.5“网络适配器界面”

如果看到上图“以太网”显示未识别的网络之后，说明硬件连接是没有问题的，接下来鼠标右击以太网，选择“连接”，如图24.5.6和图24.5.7所示。

图24.5.6鼠标右击后选择“状态

图24.5.7以太网连接速度

由上图可知，开发板和电脑自协商的通信速率为1Gbps（1000Mbps）。