Двухпроводной интерфейс: адреса, страницы, банки, тайминги

Каждый съёмный модуль управляется по одним и тем же двум проводам — последовательной тактовой линии и линии данных — по протоколу I²C, который спецификации называют двухпроводным интерфейсом (TWI). Различие между SFP, QSFP, XFP и CMIS — в том, как поверх него организовано адресное пространство: отдельные устройства, страничная память или банки страниц. Это взгляд на уровне протокола, на который опираются программаторы, хосты и CodingBox.

Физический уровень

Две линии с открытым стоком, SCL и SDA, подтянутые на стороне хоста; логика 3,3 В.
Модуль всегда ведомый; хост (или программатор) — ведущий, он генерирует такты.
Модуль может растягивать такт (держать SCL низким), пока микроконтроллер достаёт данные — спецификации допускают до 500 мкс.
Присутствие и выбор — отдельные пины, а не транзакции шины: MOD_ABS (SFP), ModPrsL и ModSelL (класс QSFP и CMIS). ModSelL позволяет нескольким модулям делить одну шину; у SFP пина выбора нет, поэтому хосты дают каждой клетке свою шину или мультиплексор.

Адресное пространство по спецификациям

Семейство	Адреса устройств (8-бит запись / 7-бит)	Организация	Выбор страницы
SFP, SFP+, SFP28 (SFF-8472)	A0h / 50h идентификация, A2h / 51h диагностика	A0h: 256 плоских байт; A2h: 128 плоских + необязательная страничная верхняя половина	байт 127 A2h, если бит 4 байта 64 A0h установлен
XFP (INF-8077i)	A0h	128 плоских + страничные верхние «таблицы»	байт 127
QSFP+, QSFP28 (SFF-8636)	A0h	128 плоских + страничные верхние 128	байт 127
QSFP-DD, OSFP, SFP-DD… (CMIS)	A0h	128 плоских + банки × страницы верхних 128	байт 126 банк, байт 127 страница

Итак, SFP требует двух адресов устройств и без страниц для базовых вещей; всё после XFP использует один адрес и страницы. Некоторые старые SFP выставляют бит 2 байта 92 A0h («нужна смена адреса») и требуют вендорской последовательности, прежде чем A2h ответит.

Транзакции

Операция	Последовательность	Примечания
Случайное чтение	START · адрес+W · смещение · START · адрес+R · данные… · STOP	повседневное чтение; смещение автоинкрементируется
Последовательное чтение	продолжать тактировать после первого байта	заворачивается 255 → 0 в пределах текущего вида устройства/страницы
Чтение по текущему адресу	START · адрес+R · данные	продолжает с последнего смещения — хрупко, если вмешался другой ведущий
Запись байта	START · адрес+W · смещение · данные · STOP	затем ждать t_WR
Страничная запись	START · адрес+W · смещение · данные × n · STOP	ограничена устройством памяти (обычно 4–16 байт) и не должна пересекать его внутреннюю границу страницы
Опрос подтверждения	выдавать START + адрес+W, пока модуль не ответит ACK	самый быстрый способ узнать, что цикл записи завершён

Чтение верхней страницы — всегда две транзакции: записать байт выбора страницы (127, а для банков CMIS ещё 126), затем читать 128–255. Выбор сохраняется до смены, поэтому залежавшийся выбор страницы — классический источник чтений «чужого содержимого».

Скорость

Спецификация	Такт
SFF-8472 (SFP)	базово 100 кГц; часть модулей терпит 400 кГц
INF-8077i (XFP)	100 кГц
SFF-8636 ред. 2.x (QSFP)	до 400 кГц
CMIS / аппаратные спецификации QSFP-DD, OSFP	до 400 кГц

Медленнее — всегда законно. Для записи большинство программаторов опускаются далеко ниже номинала — в единицы килогерц, — потому что циклы записи EEPROM и модули с микроконтроллером-посредником куда чувствительнее к таймингам, чем чтение.

Тайминги, которые важны

Параметр	Типичный предел	Смысл
t_init (SFP)	300 мс	от включения / снятия TX_DISABLE до полной работоспособности модуля и ответа шины
t_init (QSFP)	2 с	до завершения инициализации и сброса Data_Not_Ready
MgmtInit (CMIS)	≤ 2 с по аппаратным спецификациям	до выхода модуля из MgmtInit и валидной идентификации
t_WR	40 мс	максимальный цикл записи байта или последовательной записи; опрашивать ACK или ждать
t_clock_hold	500 мкс	максимальное растяжение такта модулем
ton_IntL	200 мс	от события флага до выставления IntL
Готовность данных	байт 110 бит 0 (SFP), байт 2 бит 0 (QSFP)	пока установлен — мониторам не верить

Грабли и их лечение

Симптом	Причина на уровне протокола	Лечение
Сплошные FFh	нет ACK — неверный адрес устройства, страница не реализована, модуль отсутствует	проверить A0h vs A2h, биты страницы, посадку
Чужое содержимое	залежавшийся выбор страницы/банка	писать 127 (и 126) перед каждым доступом к верхней странице
Искажённые байты	слишком быстрый такт, длинные провода, конфликт с хостом, опрашивающим DDM	замедлить, короткий кабель, читать на столе, а не в живом коммутаторе
Запись «прошла», читается старое	писали слишком быстро, проигнорировали t_WR, пересекли границу страничной записи	побайтная запись или мелкие блоки с паузами; опрос ACK
Шина висит, SCL или SDA прижаты к нулю	прерванная транзакция	выдать девять импульсов SCL, затем STOP; перезапустить модуль по питанию
В коммутаторе работает, на программаторе мёртв	модуль ждёт снятия LPMode или пина выбора	соблюдать ModSelL/LPMode; выждать t_init

Столовая диагностика этих случаев собрана в Ошибках чтения и записи EEPROM; схемы защиты, работающие поверх шины (пароли, аппаратный WP, команды сохранения), — в Типах защиты от записи.

Чтение в живой системе

Хост опрашивает DDM каждые несколько секунд и реагирует на флаги; второй ведущий на той же шине (клипса программатора, внутриполосная утилита) вызывает коллизии, записи не по адресу и, в худшем случае, убитый модуль из-за страничной записи, попавшей на неверное смещение. Читать на месте — если очень надо; писать — на столе.

В CodingBox

CodingBox обрабатывает адресную модель для каждого форм-фактора автоматически — A0h/A2h для SFP, страницы для QSFP и XFP, банк + страница для CMIS, — позволяет задавать скорость шины и тайминги записи в профиле программатора и проверяет каждую запись обратным чтением (Запись модуля).