CFP MSA 100G光模块管理接口设计与实现

2024.02.13

田园

摘要：CFP MSA定义了100G CFP/CFP2/CFP4光模块的硬件接口规范和管理接口规范。CFP MsA管理接口规范是CFP模块用户和CFP模块供应商之间的基础技术协议，用户对CFP光模块的管理即通过此协议实现。文章通过对比当前主流的2种CFP MDIO接口实现方案，从100G CFP光模块的成本、功耗以及技术演进的方向等因素综合考虑，提出一种100G CFPMDIO管理接口设计方案，并从软、硬件设计2个方面，结合CFP MsA规范，对此方案进行了详细的说明。本方案设计通过了严格的工程实验验证，应用此方案的100G CFP/CFP2光模块已经批量供应客户。

关键词：100GBASE-LR4；MDIO；CFP；MSA

IEEE 802.3ba 100GBASE-LR4标准制定了基于以太网应用的100G光模块光接口和高速电接口指标规范。CFP Multi-Source Agreement（MSA）定义了100G CFP/CFP2/CFP4光模块的硬件接口规范和管理接口规范。CFP MSA硬件规范对CFP光模块的高速收发数据信号、控制信号、告警信号、参考时钟、监控时钟、电源、地等作了规范定义，可用于指导100GCFP光模块的硬件设计。CFP MSA管理接口规范是CFP模块用户和CFP模块供应商之间的基础技术协议，用户对CFP光模块的管理即通过此协议实现。本文主要针对CFP MSA管理接口（MDIO）进行了深入研究，提出了一种CFP MSA管理接口（MDIO）实现方案，并实现其工程应用。

1CFP MSA管理接口设计

1.1 MDIO接口说明

CFP管理接口是指HOST（用户设备）和100G CFP光模块之间的通讯/控制接口。MDIO总线是HOST与CFP模块间的通讯总线，MDIO接口包括MDC，MDIO，GLB ALRMn等5根地址线。CFP MSA定义MDIO接口遵守IEEE 802.3Clause 45标准，通讯速率4MHz且向下兼容到100kHz；MDIO读、写操作只在MDC时钟上升沿使能；支持MDIO器件地址选择，MDIO接口提供5根地址线支持最多32个可选地址（见图1）。

CFP寄存器以存储属性区分NVR非易失性存储器和VR易失性存储器2种。NVR寄存器标识模块属性（只读），在CFP光模块内部需要有非易失性存储设备支持数据存储。VR寄存器支持HOST对模块的控制命令和模块实时数字诊断信息更新。

1.2CFP MDIO接口硬件设计

CFP MDIO接口设计工程实现中通常有2种方案：方案一使用FPGA+MCU方式，FPGA编码实现从MDIO协议转换，FPGA和MCU之间定义私有接口，两者配合实现CFP模块标准管理接口功能；方案二使用MCU实现MDIO接口和模块管理功能。方案二使用单颗芯片，设计复杂度较方案一低，且功耗低，尺寸小，有成本优势。从第一代CFP模块发展到现在的CFP2和下一代的CFP4模块，对模块封装大小、功耗要求都更加严苛，在CFP2/CFP4的设计中方案二具有明显的优势。本文设计方案采用方案二。

本设计使用ARM Cortex-M3内核的ADuCM320微控制器作为CFP模块主控芯片，负责100G CFP光模块MDIO接口功能实现。MDIO接口区分主、从设备，接口间通讯只能由主MDIO设备发起，从MDIO设备被动响应，CFP模块MDIO实现从接口功能，用户设备（HOST）与CFP模块间的MDIO通讯协议遵守IEEE 802.3 Clause 45规范定义。CFP模块MDIO数据帧结构如表1所示。

MDIO数据帧长度64位（32位前导码+32位地址帧或命令帧）。IEEE802.3规定32位前导码为主机向从机发送连续32位逻辑“1”比特。sT是开始位（2bit），固定为OOb；OP是操作码（2bit）；PHYADR是物理端口地址（5bit），地址值“b00000”为广播地址；DEVADD为MDIO器件地址（5bit），CFP模块对应PMA/PMD子层；TA为turnaronud码（2bit），读操作时为模块数据准备提供延时，写操作时为“b10”；16-bit ADDRESS/DATA为数据净荷，根据操作码OP的不同可以是寄存器地址或数据（16bit）。

CFP模块内置MCU ADuCM320实现对MDIO数据帧的解析和处理。MCU MDIO功能引脚直接与CFP连接器相连，用户设备与模块的MDIO通讯通过连接器引脚，与模块内置MCU MDIO接口交互。CFP连接器是CFP模块与用户设备（HOST）连接的接插件，CFP MSA硬件协议对CFP连接器引脚功能做了定义。MCU与CFP模块连接器的硬件连接如图2所示。

1.3 CFP MDl0接口软件设计

本方案中软件需要编码驱动MCU MDIO从接口工作在4Mhz频率下接收和解析MDIO帧数据。MDIO帧数据有MDIO写操作、MDIO读操作、MDIO连读操作3种结构。用户设备Host发送给CFP模块的MDIO数据，模块MDIO接口通过获取帧数据中PHYADR。地址判断Host是否发起与自己的通讯，PHYADR地址由5位MDIO物理端口地址状态决定。若MDIO帧数据中的PHYADR地址与模块MDIO接口地址匹配，CFP模块根据OP操作码执行MDIO寄存器地址读写操作，否则CFP模块MDIO接口不对Host操作进行响应。

软件实现对CFP管理接口寄存器映射，图1CFP MDIO管理接口架构中标识的8000h～FFFFh地址寄存器，IEEE 802.3分配给100G CFP光模块使用，此部分寄存器根据存储属性分为非易失性存储器（NVR）和易失性存储器（VR）2种。

NVR寄存器从8000h～88FFh，模块在MCU片内Flash没有被代码空间填充的区域划分存储空间，存储NVR寄存器数据。使用MCU片内Flash可以节省用于存储非易失性数据的EEPROM芯片，降低模块功耗，节省成本。软件实现对MCU片内Flash的编程接口，在生产阶段写入NVR数据，Host读取NVR寄存器时，模块软件根据接收到的CFP寄存器地址，从NVR表中查找此寄存器地址映射的Flash地址，并读取数据写入MDIO接口buffer，等待Host读取。NVR寄存器对Host仅支持读操作。

2实验验证

验证本设计方案，选择NVR寄存器8000h执行读操作，CFP模块8000h寄存器为非易失存储，支持只读，协议定义此寄存器数值为0011h（CFP2）；选择VR寄存器A011h的读写操作，A011h寄存器为易失存储，支持读写，其上电默认值为0200h。

8000h寄存器读读取数据为0011h；A011h寄存器读取数据为0200h。VR A011h寄存器写入0206h，读操作读取数据为0206h。

3结语

本方案设计实现的CFP MSA 100G光模块MDIO接口，已经完成工程验证，可以满足CFP MS艚理接口规范要求，成功应用于某公司100G CFP/CFP2光模块产品，且已经批量供应给客户。