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模塊用戶和CFP模塊供應商之間的基礎技術協(xié)議，用戶對CFP光模塊的管理即通過此協(xié)議實現(xiàn)。文章通過對比當前主流的2種CFP MDIO接口實現(xiàn)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(guī)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(jīng)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(wǎng)應用的100G光模塊光接口和高速電接口指標規(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CFP光模塊的高速收發(fā)數(shù)據(jù)信號、控制信號、告警信號、參考時鐘、監(jiān)控時鐘、電源、地等作了規(guī)范定義，可用于指導100GCFP光模塊的硬件設計。CFP MSA管理接口規(guī)范是CFP模塊用戶和CFP模塊供應商之間的基礎技術協(xié)議，用戶對CFP光模塊的管理即通過此協(xié)議實現(xiàn)。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(xiàn)方案，并實現(xiàn)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(qū)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(nèi)部需要有非易失性存儲設備支持數(shù)據(jù)存儲。VR寄存器支持HOST對模塊的控制命令和模塊實時數(shù)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(xiàn)中通常有2種方案：方案一使用FPGA+MCU方式，F(xiàn)PGA編碼實現(xiàn)從MDIO協(xié)議轉換，F(xiàn)PGA和MCU之間定義私有接口，兩者配合實現(xiàn)CFP模塊標準管理接口功能；方案二使用MCU實現(xiàn)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(yōu)勢。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(yōu)勢。本文設計方案采用方案二。

本設計使用ARM Cortex-M3內(nèi)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(xiàn)。MDIO接口區(qū)分主、從設備，接口間通訊只能由主MDIO設備發(fā)起，從MDIO設備被動響應，CFP模塊MDIO實現(xiàn)從接口功能，用戶設備（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)幀結構如表1所示。

MDIO數(shù)據(jù)幀長度64位（32位前導碼+32位地址幀或命令幀）。IEEE802.3規(guī)定32位前導碼為主機向從機發(fā)送連續(xù)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(shù)據(jù)準備提供延時，寫操作時為“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實現(xiàn)對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，用戶設備與模塊的MDIO通訊通過連接器引腳，與模塊內(nèi)置MCU MDIO接口交互。CFP連接器是CFP模塊與用戶設備（HOST）連接的接插件，CFP MSA硬件協(xié)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(qū)動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寫操作、MDIO讀操作、MDIO連讀操作3種結構。用戶設備Host發(fā)送給CFP模塊的MDIO數(shù)據(jù)，模塊MDIO接口通過獲取幀數(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寄存器地址讀寫操作，否則CFP模塊MDIO接口不對Host操作進行響應。

軟件實現(xiàn)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(jù)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(nèi)Flash沒有被代碼空間填充的區(qū)域劃分存儲空間，存儲NVR寄存器數(shù)據(jù)。使用MCU片內(nèi)Flash可以節(jié)省用于存儲非易失性數(shù)據(jù)的EEPROM芯片，降低模塊功耗，節(jié)省成本。軟件實現(xiàn)對MCU片內(nèi)Flash的編程接口，在生產(chǎn)階段寫入NVR數(shù)據(jù)，Host讀取NVR寄存器時，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(zhí)行讀操作，CFP模塊8000h寄存器為非易失存儲，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(shù)據(jù)為0011h；A011h寄存器讀取數(shù)據(jù)為0200h。VR A011h寄存器寫入0206h，讀操作讀取數(shù)據(jù)為0206h。

3結語

本方案設計實現(xiàn)的CFP MSA 100G光模塊MDIO接口，已經(jīng)完成工程驗證，可以滿足CFP MS艚理接口規(guī)范要求，成功應用于某公司100G CFP/CFP2光模塊產(chǎn)品，且已經(jīng)批量供應給客戶。