CFP MSA 100G光模塊管理接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田園

摘要：CFP MSA定義了100G CFP/CFP2/CFP4光模塊的硬件接口規(guī)范和管理接口規(guī)范。CFP MsA管理接口規(guī)范是CFP模塊用戶(hù)和CFP模塊供應(yīng)商之間的基礎(chǔ)技術(shù)協(xié)議，用戶(hù)對(duì)CFP光模塊的管理即通過(guò)此協(xié)議實(shí)現(xiàn)。文章通過(guò)對(duì)比當(dāng)前主流的2種CFP MDIO接口實(shí)現(xiàn)方案，從100G CFP光模塊的成本、功耗以及技術(shù)演進(jìn)的方向等因素綜合考慮，提出一種100G CFPMDIO管理接口設(shè)計(jì)方案，并從軟、硬件設(shè)計(jì)2個(gè)方面，結(jié)合CFP MsA規(guī)范，對(duì)此方案進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。本方案設(shè)計(jì)通過(guò)了嚴(yán)格的工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用此方案的100G CFP/CFP2光模塊已經(jīng)批量供應(yīng)客戶(hù)。

關(guān)鍵詞：100GBASE-LR4；MDIO；CFP；MSA

IEEE 802.3ba 100GBASE-LR4標(biāo)準(zhǔn)制定了基于以太網(wǎng)應(yīng)用的100G光模塊光接口和高速電接口指標(biāo)規(guī)范。CFP Multi-Source Agreement（MSA）定義了100G CFP/CFP2/CFP4光模塊的硬件接口規(guī)范和管理接口規(guī)范。CFP MSA硬件規(guī)范對(duì)CFP光模塊的高速收發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)、告警信號(hào)、參考時(shí)鐘、監(jiān)控時(shí)鐘、電源、地等作了規(guī)范定義，可用于指導(dǎo)100GCFP光模塊的硬件設(shè)計(jì)。CFP MSA管理接口規(guī)范是CFP模塊用戶(hù)和CFP模塊供應(yīng)商之間的基礎(chǔ)技術(shù)協(xié)議，用戶(hù)對(duì)CFP光模塊的管理即通過(guò)此協(xié)議實(shí)現(xiàn)。本文主要針對(duì)CFP MSA管理接口（MDIO）進(jìn)行了深入研究，提出了一種CFP MSA管理接口（MDIO）實(shí)現(xiàn)方案，并實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用。

1CFP MSA管理接口設(shè)計(jì)

1.1 MDIO接口說(shuō)明

CFP管理接口是指HOST（用戶(hù)設(shè)備）和100G CFP光模塊之間的通訊/控制接口。MDIO總線是HOST與CFP模塊間的通訊總線，MDIO接口包括MDC，MDIO，GLB ALRMn等5根地址線。CFP MSA定義MDIO接口遵守IEEE 802.3Clause 45標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率4MHz且向下兼容到100kHz；MDIO讀、寫(xiě)操作只在MDC時(shí)鐘上升沿使能；支持MDIO器件地址選擇，MDIO接口提供5根地址線支持最多32個(gè)可選地址（見(jiàn)圖1）。

CFP寄存器以存儲(chǔ)屬性區(qū)分NVR非易失性存儲(chǔ)器和VR易失性存儲(chǔ)器2種。NVR寄存器標(biāo)識(shí)模塊屬性（只讀），在CFP光模塊內(nèi)部需要有非易失性存儲(chǔ)設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。VR寄存器支持HOST對(duì)模塊的控制命令和模塊實(shí)時(shí)數(shù)字診斷信息更新。

1.2CFP MDIO接口硬件設(shè)計(jì)

CFP MDIO接口設(shè)計(jì)工程實(shí)現(xiàn)中通常有2種方案：方案一使用FPGA+MCU方式，F(xiàn)PGA編碼實(shí)現(xiàn)從MDIO協(xié)議轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA和MCU之間定義私有接口，兩者配合實(shí)現(xiàn)CFP模塊標(biāo)準(zhǔn)管理接口功能；方案二使用MCU實(shí)現(xiàn)MDIO接口和模塊管理功能。方案二使用單顆芯片，設(shè)計(jì)復(fù)雜度較方案一低，且功耗低，尺寸小，有成本優(yōu)勢(shì)。從第一代CFP模塊發(fā)展到現(xiàn)在的CFP2和下一代的CFP4模塊，對(duì)模塊封裝大小、功耗要求都更加嚴(yán)苛，在CFP2/CFP4的設(shè)計(jì)中方案二具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)方案采用方案二。

本設(shè)計(jì)使用ARM Cortex-M3內(nèi)核的ADuCM320微控制器作為CFP模塊主控芯片，負(fù)責(zé)100G CFP光模塊MDIO接口功能實(shí)現(xiàn)。MDIO接口區(qū)分主、從設(shè)備，接口間通訊只能由主MDIO設(shè)備發(fā)起，從MDIO設(shè)備被動(dòng)響應(yīng)，CFP模塊MDIO實(shí)現(xiàn)從接口功能，用戶(hù)設(shè)備（HOST）與CFP模塊間的MDIO通訊協(xié)議遵守IEEE 802.3 Clause 45規(guī)范定義。CFP模塊MDIO數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

MDIO數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度64位（32位前導(dǎo)碼+32位地址幀或命令幀）。IEEE802.3規(guī)定32位前導(dǎo)碼為主機(jī)向從機(jī)發(fā)送連續(xù)32位邏輯“1”比特。sT是開(kāi)始位（2bit），固定為OOb；OP是操作碼（2bit）；PHYADR是物理端口地址（5bit），地址值“b00000”為廣播地址；DEVADD為MDIO器件地址（5bit），CFP模塊對(duì)應(yīng)PMA/PMD子層；TA為turnaronud碼（2bit），讀操作時(shí)為模塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備提供延時(shí)，寫(xiě)操作時(shí)為“b10”；16-bit ADDRESS/DATA為數(shù)據(jù)凈荷，根據(jù)操作碼OP的不同可以是寄存器地址或數(shù)據(jù)（16bit）。

CFP模塊內(nèi)置MCU ADuCM320實(shí)現(xiàn)對(duì)MDIO數(shù)據(jù)幀的解析和處理。MCU MDIO功能引腳直接與CFP連接器相連，用戶(hù)設(shè)備與模塊的MDIO通訊通過(guò)連接器引腳，與模塊內(nèi)置MCU MDIO接口交互。CFP連接器是CFP模塊與用戶(hù)設(shè)備（HOST）連接的接插件，CFP MSA硬件協(xié)議對(duì)CFP連接器引腳功能做了定義。MCU與CFP模塊連接器的硬件連接如圖2所示。

1.3 CFP MDl0接口軟件設(shè)計(jì)

本方案中軟件需要編碼驅(qū)動(dòng)MCU MDIO從接口工作在4Mhz頻率下接收和解析MDIO幀數(shù)據(jù)。MDIO幀數(shù)據(jù)有MDIO寫(xiě)操作、MDIO讀操作、MDIO連讀操作3種結(jié)構(gòu)。用戶(hù)設(shè)備Host發(fā)送給CFP模塊的MDIO數(shù)據(jù)，模塊MDIO接口通過(guò)獲取幀數(shù)據(jù)中PHYADR。地址判斷Host是否發(fā)起與自己的通訊，PHYADR地址由5位MDIO物理端口地址狀態(tài)決定。若MDIO幀數(shù)據(jù)中的PHYADR地址與模塊MDIO接口地址匹配，CFP模塊根據(jù)OP操作碼執(zhí)行MDIO寄存器地址讀寫(xiě)操作，否則CFP模塊MDIO接口不對(duì)Host操作進(jìn)行響應(yīng)。

軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)CFP管理接口寄存器映射，圖1CFP MDIO管理接口架構(gòu)中標(biāo)識(shí)的8000h～FFFFh地址寄存器，IEEE 802.3分配給100G CFP光模塊使用，此部分寄存器根據(jù)存儲(chǔ)屬性分為非易失性存儲(chǔ)器（NVR）和易失性存儲(chǔ)器（VR）2種。

NVR寄存器從8000h～88FFh，模塊在MCU片內(nèi)Flash沒(méi)有被代碼空間填充的區(qū)域劃分存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)NVR寄存器數(shù)據(jù)。使用MCU片內(nèi)Flash可以節(jié)省用于存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)的EEPROM芯片，降低模塊功耗，節(jié)省成本。軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU片內(nèi)Flash的編程接口，在生產(chǎn)階段寫(xiě)入NVR數(shù)據(jù)，Host讀取NVR寄存器時(shí)，模塊軟件根據(jù)接收到的CFP寄存器地址，從NVR表中查找此寄存器地址映射的Flash地址，并讀取數(shù)據(jù)寫(xiě)入MDIO接口buffer，等待Host讀取。NVR寄存器對(duì)Host僅支持讀操作。

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案，選擇NVR寄存器8000h執(zhí)行讀操作，CFP模塊8000h寄存器為非易失存儲(chǔ)，支持只讀，協(xié)議定義此寄存器數(shù)值為0011h（CFP2）；選擇VR寄存器A011h的讀寫(xiě)操作，A011h寄存器為易失存儲(chǔ)，支持讀寫(xiě)，其上電默認(rèn)值為0200h。

8000h寄存器讀讀取數(shù)據(jù)為0011h；A011h寄存器讀取數(shù)據(jù)為0200h。VR A011h寄存器寫(xiě)入0206h，讀操作讀取數(shù)據(jù)為0206h。

3結(jié)語(yǔ)

本方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的CFP MSA 100G光模塊MDIO接口，已經(jīng)完成工程驗(yàn)證，可以滿足CFP MS艚理接口規(guī)范要求，成功應(yīng)用于某公司100G CFP/CFP2光模塊產(chǎn)品，且已經(jīng)批量供應(yīng)給客戶(hù)。