Marvell交换芯片88E6321/88E6320驱动总结-寄存器篇

2023-05-16

由于我在项目中将该芯片作为PHY和SERDES使用，因此本文内容主要还是围绕PHY和SERDES的相关功能，至于其他功能则没有进行深入研究。

工作模式

在之前的硬件篇中有提到，该芯片有两种寻址模式：单芯片寻址和多芯片寻址。

多芯片寻址
对于多芯片寻址，需要给芯片设置一个非零的SMI地址（ADDR[4:0]的反码）。在多芯片寻址模式下，仅有两个寄存器（0x00:SMI Command Register 0x01:SMI Data Register）能够使用，内部各PORT的寄存器均由这两个寄存器间接访问。

通过向SMI Command Register的[9:5]写入内部SMI设备地址，[4:0]写入内部SMI寄存器地址来访问各个Port的内部寄存器，[11:10]决定决前是写入还是读出操作。
请输入图片描述

通过向SMI Data Register的[15:0]位写入或读取SMI Command Register设定的寄存器内容。
请输入图片描述

单芯片寻址
对于单芯片寻址，其SMI地址为0x00（针对整个芯片），即ADDR[4:0]=0x1F。

在单芯片寻址模式下，每个Port都有各自的SMI地址（针对内部每个Port），Port0-Port6对应的SMI地址分别为0x10-0x16（直接访问）。
若Port0、1、2、5、6接有外部PHY，则必须使用以下SMI地址，0x00对应Port0，0x01对应Port1，0x02对应Port2，0x05对应Port5，0x06对应Port6，这样PPU才能自动的轮询各个PHY获取各自的连接状况，速度，双工情况，流控状态等信息，这些外部PHY需要使用Global2 offset 0x18、0x19进行访问。对于Port3、Port4的内部PHY地址映射为0x03、0x04；Port0、Port1的内部SERDES映射为0x0C、0x0D，同样的，也是需要使用Global2 offset 0x18、0x19进行访问。

Global2 寄存器的 Offset24，25 寄存器

前文提到，两个非常重要的寄存器，即Global2 offset 0x18、0x19寄存器，在单芯片寻址模式下PHY和SERDES寄存器的访问都必须通过这两个寄存器间接访问。

Global2 offset 0x18 (SMI PHY Command Register)寄存器

与多芯片存储能够访问的Command Register寄存器一样，[9:5]写入SMI设备地址，[4:0]写入SMI寄存器地址来访问各个Port的内部寄存器，[11:10]决定当前是写入还是读出操作。

Global2 offset 0x19 (SMI PHY Data Register)寄存器

与SMI Data Register相同，通过[15:0]位写入或读取SMI Command Register设定的寄存器内容。

PHY读写函数（伪代码）
对于单纯的PHY器件，如LAN8720A，我们对于PHY寄存器的访问（按照Clauses 22）直接通过SMI接口设置phy地址，和内部寄存器地址就可以访问了。

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

而这里，对于88E6321的访问就不那么直接了，下面通过伪代码形式讲述如何正确读写内部PHY寄存器：
首先必须实现最直接的SMI读写函数，不同的平台实现方式可能不同，在STM32的HAL库下，提供了

HAL_StatusTypeDef HAL_ETH_WritePHYRegister(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t PHYReg, uint32_t RegValue)
HAL_StatusTypeDef HAL_ETH_ReadPHYRegister(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t PHYReg, uint32_t RegValue)

但是这个函数的PhyAddress是由heth带入的，而我们要频繁在各个Port与Global寄存器间切换，因此改写该库函数，PhyAddress主动传入。

HAL_StatusTypeDef HAL_ETH_WritePHYRegister_New(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t DevAddr, uint16_t PHYReg, uint32_t *RegValue)
HAL_StatusTypeDef HAL_ETH_ReadPHYRegister_New(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t DevAddr, uint16_t PHYReg, uint32_t *RegValue)
//具体实现就是把原来heth传入的地址替换为DevAddr

有了最基础读写的函数，我们来构建内部PHY读写函数：

/*!
 * \fn write_smi_phy_reg
 * \brief PHY寄存器设置
 *          
 * \param [in] ETH_HandleTypeDef *heth STM32以太网结构体定义
 * \param [in] uint16_t dev_addr PHY地址，单芯片寻址模式下为0x03或0x04
 * \param [in] uint16_t reg_addr 寄存器地址
 * \param [in] uint32_t reg_value 写入值
 * 
 * \retval error_code_t  
 */
error_code_t write_smi_phy_reg(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t dev_addr, uint16_t reg_addr, uint32_t reg_value)
{
    volatile uint16_t time_out;
    uint32_t smi_reg;
    time_out = 100;

    /*!
     *  检测当前PHY是否Busy
     */
    do {
        if (HAL_ETH_ReadPHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR(0x1C), SMI_PHY_CMD_REG(0x18), &smi_reg) != ok) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register failed");
            return error;
        }
        if (time_out-- < 1) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register timed out");
            return error;
        }
    } while (smi_reg & SMI_BUSY(0x8000));

    /*!
     *  先将需要写入的数据写入SMI_PHY_DATA_REG，待后续写命令时完成传输
     */
    if (HAL_ETH_WritePHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR, SMI_PHY_DATA_REG, reg_value) != ok) {
        return error;
    }

    smi_reg = SMI_BUSY | (dev_addr << 5) | (SMI_WRITE(0x01) << 10) | (reg_addr << 0) | (SMI_CLAUSE22 << 12);//!< 设置需要写入的命令（写命令、smi地址、phy寄存器地址、条款） By: Ouqichen 2019年2月11日
    
    /*!
     *  写入命令
     */
    if (HAL_ETH_WritePHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR, SMI_PHY_CMD_REG, smi_reg) != ok) {
        ERROR_MSG("Write PHY_QD_REG_SMI_PHY_CMD Register Failed");
        return error;
    }

    return ok;
}

/*!
 * \fn read_smi_phy_reg
 * \brief PHY寄存器读取
 *          
 * \param [in] ETH_HandleTypeDef *heth STM32以太网结构体定义
 * \param [in] uint16_t dev_addr PHY地址，单芯片寻址模式下为0x03或0x04
 * \param [in] uint16_t reg_addr 寄存器地址
 * \param [out] uint32_t *reg_value 读出值
 * 
 * \retval error_code_t 
 */
error_code_t read_smi_phy_reg(ETH_HandleTypeDef *heth, uint16_t dev_addr, uint16_t reg_addr, uint32_t reg_value)
{
    volatile uint16_t time_out;
    uint32_t smi_reg;

    time_out =100;
    /*!
     *  检测当前PHY是否Busy
     */
    do {
        if (HAL_ETH_ReadPHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR(0x1C), SMI_PHY_CMD_REG(0x18), &smi_reg) != ok) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register failed");
            return error;
        }
        if (time_out-- < 1) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register timed out");
            return error;
        }
    } while (smi_reg & SMI_BUSY(0x8000));

    smi_reg = SMI_BUSY | (dev_addr << 5) | (SMI_READ_22(0x02) << 10) | (reg_addr << 0) | (SMI_CLAUSE22 << 12);//!< 设置需要写入的命令（读命令、smi地址、phy寄存器地址、条款） By: Ouqichen 2019年2月11日

    /*!
     *  写入命令
     */
    if (HAL_ETH_WritePHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR, SMI_PHY_CMD_REG, smi_reg) != ok) {
        ERROR_MSG("Write PHY_QD_REG_SMI_PHY_CMD Register Failed");
        return error;
    }

    time_out =100;
    /*!
     *  检测当前PHY是否Busy
     */
    do {
        if (HAL_ETH_ReadPHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR(0x1C), SMI_PHY_CMD_REG(0x18), &smi_reg) != ok) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register failed");
            return error;
        }
        if (time_out-- < 1) {
            ERROR_MSG("Read SMI_PHY_CMD_REG register timed out");
            return error;
        }
    } while (smi_reg & SMI_BUSY(0x8000));

    /*!
     *  待总线不忙碌时读取数据
     */
    if (HAL_ETH_WritePHYRegister_New(heth, GLOBAL2_DEV_ADDR, SMI_PHY_DATA_REG, reg_value) != ok) {
        return error;
    }

    *reg_value = smi_reg;

    return ok; 
}

从以上伪代码可以看出：写入PHY时，先写入数据，在写入命令。读取PHY时，先写入命令，等待数据准备完成，再读取数据。

PHY寄存器

实现了PHY的读写函数后，再来看看有那些寄存器可以访问。
IEEE中只为PHY定义了32个寄存器地址，为了拓展寄存器地址，这里采用的页机制，其中寄存器22的[7:0]用于切换页。
请输入图片描述

这里介绍几个主要的寄存器：

Page 0, Register 0 Copper Control Register
寄存器0是PHY控制寄存器，通过Control Register可以对PHY的主要工作状态进行设置，具体内容可以查询datasheet，下面介绍主要的功能：
bit15 Copper Reset: 软复位功能，对其写“1”触发软复位，并在复位结束后自动清为“0”，在某些操作（如修改自协商模式）后需要软复位才能使其生效。
bit14 Loopback: lookback测试功能，用于开发调试，写一使能该功能。
bit12 Auto-Negotiation Enable: 自动协商使能位，软件复位后生效，具体的Auto-Negotiation选项设置，在Copper Auto-Negotiation Advertisement Register (Page 0, Register 4)配置。
Page 0, Register 1 Copper Status Register
寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息，如速率、双工情况、自协商是否完成、自协商能力等。
bit5 Copper Auto-Negotiation Complete: 自动协商完成位，此时PHY的其他寄存器才是可靠的。
bit2 Copper Link Status: Link状态指示位Link状态指示位,PHY Polling通过轮询该位来确定Link状态，该位只在Auto-Negotiation Complete完成后才可靠。
（FBI WARINIG下，这里的链路状态每次读取会得到上一次的链路状态，也就是这里的链路状态是滞后的，因此，想要获得最新状态，建议连续读取两次，或者直接读取寄存器17的bit10，获取实时状态。）
Page 0, Register 4 Copper Auto-Negotiation Advertisement Register
寄存器4是指示自动协商所支持的能力的寄存器，在AN enable的情况下，该端口会使用快速连接脉冲（Fast Link Pulse FLP）与对端交互端口自协商能力，协商完成后，会选择双方均支持的能力建立连接。
bit9-bit5 分别指示能够支持的能力。
Page 0, Register 5 Copper Link Partner Ability Register
寄存器5用于指示自动协商后，对端的所支持的自协商能力，该寄存器在调试时非常有用，能够表明，链路上是否有数据交互。
Page 0, Register 9 1000BASE-T Control Register
寄存器9用于设置1000BASE-T的主从配置与自协商能力。需要注意的是，1000BASE-X的自协商除了双工和流控信息之外，并不能协商速率信息，也就是说端口只能工作在1000M模式下。
Page 0, Register 10 1000BASE-T Status Register
寄存器10主要用于保存自协商完成后的对端所支持的自协商能力。
Page 0, Register 16 Copper Specific Control Register 1
寄存器16主要是寄存器0的拓展。
bit10 强制设置网络已经连接功能 在我们进行lookback测试，而网线又不能接入时，可以强制使寄存器link up，而方便测试进行。
bit6:5 MDI交差模式，一般来说设置为11b，PHY根据FLP信号自动切换为MDI或者MDIX，因此该功能需要自协商功能的支持。
Page 0, Register 17 Copper Specific Status Register 1
寄存器17是主要是寄存器1的拓展，在这个寄存器中，我们可以获取到当前的连接状态，当前MDI Crossover的模式等。
Page 0, Register 18 Copper Specific Interrupt Enable Register
寄存器18，顾名思义，就是中断使能寄存器。初始化时配置了相关中断使能后，一旦中断发生，INT0引脚则会拉低，此时MCU通过读取Register 19，则可以确定发生了什么中断。
Page 0, Register 19 Copper Interrupt Status Register
寄存器19为中断状态寄存器，读取该寄存器将清除中断。
Page ANY, Register 22 Page Address
bit7:0 页选择寄存器 用于在各个寄存器中进行页切换。

了解了以上主要寄存器，下面来实现具备页切换的PHY读写函数：

/*!
 * \fn read_smi_page_phy_reg
 * \brief 带页切换的PHY寄存器读取
 *          
 * \param [in] ETH_HandleTypeDef *heth STM32以太网结构体定义
 * \param [in] uint16_t port_num 端口号
 * \param [in] uint8_t page_num 页号码
 * \param [in] uint16_t reg_addr 寄存器地址
 * \param [out] uint32_t *reg_value 读出值
 * 
 * \retval error_code_t 
 */
error_code_t read_smi_page_phy_reg(ETH_HandleTypeDef *heth, uint8_t port_num, uint8_t page_num, uint16_t reg_addr, uint32_t *reg_value)
{
    error_code_t ret_value;
    ret_value = write_smi_phy_reg(heth, (uint16_t)port_num, SMI_PHY_PAGE_ANY_REG(0x16), (uint32_t)page_num);

    if (ret_value != ok)
        return ret_value;

    ret_value = read_smi_phy_reg(heth, (uint16_t)port_num, reg_addr, reg_value);
    return ret_value;
}

/*!
 * \fn write_smi_phy_reg
 * \brief PHY寄存器设置
 *          
 * \param [in] ETH_HandleTypeDef *heth STM32以太网结构体定义
 * \param [in] uint16_t port_num 端口号
 * \param [in] uint8_t page_num 页号码
 * \param [in] uint16_t reg_addr 寄存器地址
 * \param [in] uint32_t reg_value 写入值
 * 
 * \retval error_code_t  
 */
error_code_t read_smi_page_phy_reg(ETH_HandleTypeDef *heth, uint8_t port_num, uint8_t page_num, uint16_t reg_addr, uint32_t reg_value)
{

    error_code_t ret_value;
    ret_value = write_smi_phy_reg(heth, (uint16_t)port_num,SMI_PHY_PAGE_ANY_REG(0x16), (uint32_t)page_num);

    if (ret_value != ok)
        return ret_value;

    ret_value = write_smi_phy_reg(heth, (uint16_t)port_num, reg_addr, reg_value);
    return ret_value;
}

中断相关寄存器

88E632x包含了一个中断控制器，将各种中断统一合并到一个引脚INTn上。全局寄存器1 offset 0x04中包含了各种中断源的总开关，为了能够使用设备相关中断，我们需要将bit7 DevIntEn置为1 。
请输入图片描述

接着，还需要设置中断掩码（Global2 Offset1），确保PHY相关中断使能。
请输入图片描述

最后还需要设置PHY寄存器（0x12），使能具体使用哪些中断。
请输入图片描述

完成以上操作后，一旦相关中断发生，这会拉低88E632x的INTn引脚，MCU则可以通过下降沿触发中断，对芯片具体发生什么中断进行判断与处理。
需要注意的是，在中断发生后，如果没有对该中断进行处理，则该INTn引脚会一直处于低电平，这样就无法再次捕获相关中断了，因此，中断发生后应及时清除中断，清除中断需要读取2个寄存器，Global1 Offset 0 Switch Global Status Register 寄存器和PHY 19 Copper Interrupt Status Register寄存器。

SERDES寄存器

SERDES寄存器的配置与PHY基本相同，这里不再赘述，不过需要注意的是，光纤相关的自协商只能协商双工和流控等信息，而速率则是固定的，因此协商前需要确定通信速率。
在switch芯片的Px_SMODE可以决定是千兆还是百兆光纤。
请输入图片描述
通过读取 Fiber Specific Control Register 1的bit1:0可以知道其当前工作模式。

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