CFP MSA 100G光模塊管理接口設計與實現

田園

摘要：CFP MSA定義了100G CFP/CFP2/CFP4光模塊的硬件接口規范和管理接口規范。CFP MsA管理接口規范是CFP模塊用戶和CFP模塊供應商之間的基礎技術協議，用戶對CFP光模塊的管理即通過此協議實現。文章通過對比當前主流的2種CFP MDIO接口實現方案，從100G CFP光模塊的成本、功耗以及技術演進的方向等因素綜合考慮，提出一種100G CFPMDIO管理接口設計方案，并從軟、硬件設計2個方面，結合CFP MsA規范，對此方案進行了詳細的說明。本方案設計通過了嚴格的工程實驗驗證，應用此方案的100G CFP/CFP2光模塊已經批量供應客戶。

關鍵詞：100GBASE-LR4；MDIO；CFP；MSA

IEEE 802.3ba 100GBASE-LR4標準制定了基于以太網應用的100G光模塊光接口和高速電接口指標規范。CFP Multi-Source Agreement（MSA）定義了100G CFP/CFP2/CFP4光模塊的硬件接口規范和管理接口規范。CFP MSA硬件規范對CFP光模塊的高速收發數據信號、控制信號、告警信號、參考時鐘、監控時鐘、電源、地等作了規范定義，可用于指導100GCFP光模塊的硬件設計。CFP MSA管理接口規范是CFP模塊用戶和CFP模塊供應商之間的基礎技術協議，用戶對CFP光模塊的管理即通過此協議實現。本文主要針對CFP MSA管理接口（MDIO）進行了深入研究，提出了一種CFP MSA管理接口（MDIO）實現方案，并實現其工程應用。

1CFP MSA管理接口設計

1.1 MDIO接口說明

CFP管理接口是指HOST（用戶設備）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標準，通訊速率4MHz且向下兼容到100kHz；MDIO讀、寫操作只在MDC時鐘上升沿使能；支持MDIO器件地址選擇，MDIO接口提供5根地址線支持最多32個可選地址（見圖1）。

CFP寄存器以存儲屬性區分NVR非易失性存儲器和VR易失性存儲器2種。NVR寄存器標識模塊屬性（只讀），在CFP光模塊內部需要有非易失性存儲設備支持數據存儲。VR寄存器支持HOST對模塊的控制命令和模塊實時數字診斷信息更新。

1.2CFP MDIO接口硬件設計

CFP MDIO接口設計工程實現中通常有2種方案：方案一使用FPGA+MCU方式，FPGA編碼實現從MDIO協議轉換，FPGA和MCU之間定義私有接口，兩者配合實現CFP模塊標準管理接口功能；方案二使用MCU實現MDIO接口和模塊管理功能。方案二使用單顆芯片，設計復雜度較方案一低，且功耗低，尺寸小，有成本優勢。從第一代CFP模塊發展到現在的CFP2和下一代的CFP4模塊，對模塊封裝大小、功耗要求都更加嚴苛，在CFP2/CFP4的設計中方案二具有明顯的優勢。本文設計方案采用方案二。

本設計使用ARM Cortex-M3內核的ADuCM320微控制器作為CFP模塊主控芯片，負責100G CFP光模塊MDIO接口功能實現。MDIO接口區分主、從設備，接口間通訊只能由主MDIO設備發起，從MDIO設備被動響應，CFP模塊MDIO實現從接口功能，用戶設備（HOST）與CFP模塊間的MDIO通訊協議遵守IEEE 802.3 Clause 45規范定義。CFP模塊MDIO數據幀結構如表1所示。

MDIO數據幀長度64位（32位前導碼+32位地址幀或命令幀）。IEEE802.3規定32位前導碼為主機向從機發送連續32位邏輯“1”比特。sT是開始位（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模塊對應PMA/PMD子層；TA為turnaronud碼（2bit），讀操作時為模塊數據準備提供延時，寫操作時為“b10”；16-bit ADDRESS/DATA為數據凈荷，根據操作碼OP的不同可以是寄存器地址或數據（16bit）。

CFP模塊內置MCU ADuCM320實現對MDIO數據幀的解析和處理。MCU MDIO功能引腳直接與CFP連接器相連，用戶設備與模塊的MDIO通訊通過連接器引腳，與模塊內置MCU MDIO接口交互。CFP連接器是CFP模塊與用戶設備（HOST）連接的接插件，CFP MSA硬件協議對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接口軟件設計

本方案中軟件需要編碼驅動MCU MDIO從接口工作在4Mhz頻率下接收和解析MDIO幀數據。MDIO幀數據有MDIO寫操作、MDIO讀操作、MDIO連讀操作3種結構。用戶設備Host發送給CFP模塊的MDIO數據，模塊MDIO接口通過獲取幀數據中PHYADR。地址判斷Host是否發起與自己的通訊，PHYADR地址由5位MDIO物理端口地址狀態決定。若MDIO幀數據中的PHYADR地址與模塊MDIO接口地址匹配，CFP模塊根據OP操作碼執行MDIO寄存器地址讀寫操作，否則CFP模塊MDIO接口不對Host操作進行響應。

軟件實現對CFP管理接口寄存器映射，圖1CFP MDIO管理接口架構中標識的8000h～FFFFh地址寄存器，IEEE 802.3分配給100G CFP光模塊使用，此部分寄存器根據存儲屬性分為非易失性存儲器（NVR）和易失性存儲器（VR）2種。

NVR寄存器從8000h～88FFh，模塊在MCU片內Flash沒有被代碼空間填充的區域劃分存儲空間，存儲NVR寄存器數據。使用MCU片內Flash可以節省用于存儲非易失性數據的EEPROM芯片，降低模塊功耗，節省成本。軟件實現對MCU片內Flash的編程接口，在生產階段寫入NVR數據，Host讀取NVR寄存器時，模塊軟件根據接收到的CFP寄存器地址，從NVR表中查找此寄存器地址映射的Flash地址，并讀取數據寫入MDIO接口buffer，等待Host讀取。NVR寄存器對Host僅支持讀操作。

2實驗驗證

驗證本設計方案，選擇NVR寄存器8000h執行讀操作，CFP模塊8000h寄存器為非易失存儲，支持只讀，協議定義此寄存器數值為0011h（CFP2）；選擇VR寄存器A011h的讀寫操作，A011h寄存器為易失存儲，支持讀寫，其上電默認值為0200h。

8000h寄存器讀讀取數據為0011h；A011h寄存器讀取數據為0200h。VR A011h寄存器寫入0206h，讀操作讀取數據為0206h。

3結語

本方案設計實現的CFP MSA 100G光模塊MDIO接口，已經完成工程驗證，可以滿足CFP MS艚理接口規范要求，成功應用于某公司100G CFP/CFP2光模塊產品，且已經批量供應給客戶。