【Ethernet】以太网卡LAN8720A分析和使用

文章目录
1. LAN8720A简介
2. PHYAD[0]: PHY地址配置
3. MODE[2:0]: Mode配置
4. nINTSEL: nINT/REFCLKO配置
5. REGOFF: 配置内部+1.2V电压源
6.SMI（MDC/MDIO）总线接口介绍
6.1 MDIO接口
6.2 MDIO数据传输协议
7. 相关寄存器描述
8. 参考资料


1. LAN8720A简介
LAN8720A 是 SMSC 公司(已被 Microchip公司收购)设计的一个体积小、功耗低、全能型 10/100Mbps 的以太网物理层收发器。它是针对消费类电子和企业应用而设计的。LAN8720A总共只有 24Pin，仅支持 RMII接口。由它组成的网络结构如下图所示：

 


      LAN8720A 通过 RMII与 MAC连接。RJ45是网络插座，在与 LAN8720A 连接之间还需要一个变压器，所以一般使用带电压转换和 LED 指示灯的 HY911105A型号的插座。一般来说，必须为使用 RMII接口的 PHY提供 50MHz的时钟源输入到 REF_CLK引脚，不过LAN8720A内部集成 PLL，可以将 25MHz的时钟源陪频到 50MHz 并在指定引脚输出该时钟，所以我们可以直接使其与 REF_CLK连接达到提供 50MHz时钟的效果。

LAN8720A 内部系统结构如下图所示：

       LAN8720A 有各个不同功能模块组成，最重要的是数据接收控制器和发送控制器，其它的基本上都是与外部引脚挂钩，实现信号传输。部分引脚是具有双重功能的，比如PHYAD0与 RXER 引脚是共用的，在系统上电后 LAN8720A 会马上读取这部分共用引脚的电平，以确定系统的状态并保存在相关寄存器内，之后则自动转入作为另一功能引脚。

2. PHYAD[0]: PHY地址配置

      PHYAD[0]引脚用于配置 SMI通信的 LAN8720A 地址，在芯片内部该引脚已经自带下拉电阻，默认认为 0(即使外部悬空不接)，在系统上电时会检测该引脚获取得到 LAN8720A的地址为 0 或者 1，并保存在特殊模式寄存器(R18)的 PHYAD位中，该寄存器的 PHYAD有 5个位，在需要超过 2个 LAN8720A 时可以通过软件设置不同 SMI通信地址。

    下面是LAN8720A实际中，硬件默认对PHY地址的配置如下：

3. MODE[2:0]: Mode配置

       MODE[2:0]引脚用于选择 LAN8720A 网络通信速率和工作模式，可选 10Mbps 或 100Mbps 通信速度，半双工或全双工工作模式。另外 LAN8720A 支持 HP Auto-MDIX 自动翻转功能，即可自动识别直连或交叉网线并自适应。一般将 MODE 引脚都设置为 1，可以让 LAN8720A 启动自适应功能，它会自动寻找最优工作方式。MODE[0]与 RXD0 引脚共用、MODE[1]与 RXD1 引脚共用、MODE[2]与 CRS_DV 引脚共用，具体如下：

MODE BIT PIN NAME
MODE[0]     RXD0/MODE0
MODE[1]    RXD1/MODE1
MODE[2]  CRS_DV/MODE2


通过以上的 MODE[2:0] 硬件配置引脚，可以支持以下几种模式： 

4. nINTSEL: nINT/REFCLKO配置

       通过nINTSEL来配置两个模式：REF_CLK输入模式（nINT）和REF_CLK输出模式。通过该引脚的高低电平决定了nINT / REFCLKO引脚的功能。

STRAP  VALUE MODE REF_CLK DESCRIPTION
nINTSEL0REF_CLK Out ModenINT/REFCLKO is the source of REF_CLK
nINTSEL1REF_CLK In Mode nINT/REFCLKO is the source of REF_CLK


      当 nINTSEL引脚为低电平时，它也可以被设置成 50MHz 时钟输出，这样可以直接与 主机MAC接口 的 REF_CLK引脚连接为其提供 50MHz时钟源，这种模式要求为 XTAL1 与 XTAL2 之间或为 XTAL1/CLKIN提供 25MHz时钟，由 LAN8720A内部 PLL电路陪频得到 50MHz 时钟，此时nIN/REFCLKO 引脚的中断功能不可用，用于 50MHz时钟输出。


       当 nINTSEL引脚为高电平时，LAN8720A 被设置为时钟输入，即外部时钟源直接提供 50MHz时钟接入 主机MAC接口的 REF_CLK引脚和 LAN8720A 的 XTAL1/CLKIN 引脚，此时 nINT/REFCLKO 可用于中断功能。nINTSEL与 LED2引脚共用。


5. REGOFF: 配置内部+1.2V电压源

        REGOFF引脚用于配置内部+1.2V电压源，LAN8720A 内部需要+1.2V电压，可以通过VDDCR引脚输入+1.2V 电压提供，也可以直接利用 LAN8720A 内部+1.2V 稳压器提供。当REGOFF引脚为低电平时选择内部+1.2V稳压器。REGOFF与 LED1 引脚共用。

       由于REGOFF的配置与LED1引脚共享功能，因此还必须适当考虑LED的极性。下面是REGOFF引脚为低电平时的实例如下：

6.SMI（MDC/MDIO）总线接口介绍

 6.1 MDIO接口

    SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），也被称作MII管理接口（MII Management Interface），包括MDC和MDIO两条信号线。MDIO是一个PHY的管理接口，用来读/写PHY的寄存器，以控制PHY的行为或获取PHY的状态，MDC为MDIO提供时钟。

MDIO原本是为MII总线接口定义的，MII用于连接MAC和PHY，包含两种信号接口：

   1: 一个数据接口用于MAC和PHY之间接收和发送以太网帧数据。
   2: 一个PHY管理接口，即MDIO，用于读写每个PHY的控制寄存器和状态寄存器，以达到控制PHY行为和监控PHY状态的目的。

     MDIO是双向的，只支持一个MAC连接最多32个PHY的连接方式，且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。

    MDC要求由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，以在上升沿触发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。

6.2 MDIO数据传输协议

    MDIO数据格式定义在IEEE 802.3以太网标准中，如下图所示（数据传输顺序为从左至右）

      Preamble Start OP Code   PHYAD      REGAD   Turn Around    Data    Idle
     (32bits)(2bits) (2bits)  (5bits)	 (5bits)	(2bits)	   (16bits)	
Read     1…1	01	   10	 A4A3A2A1A0 R4R3R2R1R0	  Z0	    D15…D0	  Z*
Write    1…1	01	   01	 A4A3A2A1A0	R4R3R2R1R0	  10	    D15…D0	  Z*


上图中*表示高阻态，这时MDIO的状态由一个外部的1.5KΩ电阻决定。

Preamble+Start：32bits的前导码以及2bit的开始位。

OP Code：2bits的操作码，10表示读，01表示写。

PHYAD：5bits的PHY地址，一般PHY地址从0开始顺序编号，例如6口switch中PHY地址为0-5。

REGAD：5bits的寄存器地址，即要读或写的寄存器。

Turn Around：2bits的TA，在读命令中，MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动，并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，则只是等待两个时钟周期准备写入数据。

Data：16bits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无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

 

       需要注意的是，为了保证PHY能准确采样，当MAC向MDIO写数据的时候，需要在MDC的上升沿之前就把数据写到MDIO上，要求等待10ns以上再发出一个MDC的上升沿。而为了保证MAC能准确采样，当PHY向MDIO写数据时，这个clock-to-data的delay时间范围可以是0-300ns（小于上面提到的400ns）。这个规定使接口的实现变得简单，但一定程度上限制了总线带宽。
IEEE 802.3还定义了扩展的SMI数据格式，包括read，write以及set address和read increment，不过我们在此不做讨论。

7. 相关寄存器描述

    SMI支持寻址 32 个寄存器，LAN8720A 只用到其中 14 个，具体如下：

序号    寄存器名称   分组
0Basic Control Register          Basic
1Basic Status RegisterBasic  
2PHY Identifier 1Extended
3PHY Identifier 2Extended
4Auto-Negotiation Advertisement Register  Extended
5Auto-Negotiation Link Partner Ability Register Extended
6Auto-Negotiation Expansion Register Extended
17Mode Control/Status RegisterVendor-specific
18Special ModesVendor-specific
26Symbol Error Counter Register  Vendor-specific
27Control / Status Indication RegisterVendor-specific
29Interrupt Source RegisterVendor-specific
30Interrupt Mask RegisterVendor-specific
31PHY Special Control/Status Register Vendor-specific


    序号与 SMI数据帧中的 RADDR是对应的，这在编写驱动时非常重要。寄存器可规划为三个组：Basic、Extended和 Vendor-specific。

    Basic 是 IEEE802.3 要求的，R0 是基本控制寄存器，其位 15为 Soft Reset 位，向该位写 1启动LAN8720A 软件复位，还包括速度、自适应、低功耗等等功能设置。R1 是基本状态寄存器。
Extended 是扩展寄存器，包括 LAN8720A的 ID号、制造商、版本号等等信息。
Vendor-specific 是供应商自定义寄存器，R31 是特殊控制/状态寄存器，指示速度类型和自适应功能。
8. 参考资料
《零死角玩转STM32—F429挑战者.pdf》