QSFP-DD MSA Hardware协议解读（一）

文章目录1 概览Scope2 参考标准和缩写说明References and Acronyms3 介绍Introduction4 QSFP-DD 电气与管理接口规范4.1 电气连接1焊盘设计采用顺序配接2每组高速信号RXn/TXn之间都用GND隔开3在A和B两排焊盘之间预留了很多“Pre-wipe pads”预擦拭焊盘。(4) A排焊盘和B排焊盘对应位置上的引脚类型相同4.2 协议中关于引脚排布的注释本文介绍QSFP-DD 的MSA Hardware协议不只是对协议文档的翻译还包括协议文档内容的解读剖析协议规定背后的深意。1 概览ScopeQSFP-DD MSA Hardware协议规定了可插拔QSFP双密度QSFP-DD/QSFP-DD800/QSFP-DD1600连接器与笼式系统的电气和光学连接器、电气信号与电源、机械及热要求。QSFP-DD MSA系列模块与笼式系统完全向后兼容经典QSFP外形尺寸。2 参考标准和缩写说明References and Acronyms此章节介绍了QSFP-DD MSA硬件协议参考的行业标准和英文缩写的说明略过。3 介绍IntroductionQSFP-DD/QSFP-DD800/QSFP应用参考模型入下图所示上图中绿色区域为光模块在光模块右边是光纤接口与外部通信。在光模块左边光模块通过边缘连接器金手指接入主机与主机ASIC芯片通信。4 QSFP-DD 电气与管理接口规范4.1 电气连接QSFP-DD、QSFP-DD800、QSFP-DD1600模块的边缘连接器由一块插卡组成该插卡顶部有38个焊盘、底部有38个焊盘共76个焊盘兼容QSFP如下图所示。QSFP会插入得更深因此仅与较长一排的连接器焊盘接触即图中尾标“B” 标注。额外的 QSFP-DD/QSFP-DD800/QSFP-DD1600 焊盘在表 1 中以 尾标“A” 标注。其中绿色标识接地焊盘红色标识电源焊盘橙色标识低速信号/控制焊盘蓝色标识高速 I/O 焊盘。QSFP-DD的焊盘的排布有以下几个特征本文特意思考调研了这些特征背后的原因1焊盘设计采用顺序配接首先配接 “1A/1B” – 接地焊盘其次配接 “2A/2B” – 电源焊盘第三配接 “3A/3B” – 信号焊盘这种先接地、再电源、后信号配接顺序的优点是接地优先提供静电ESD防护插入时接地焊盘最先接触能将模块外壳和系统主地瞬间连通静电会通过低阻抗接地路径安全泄放避免高压脉冲损伤模块或主机内部敏感的 CMOS 电路。拔出时接地最后断开持续保持泄放通路起全程防护作用。电源第二接触保证电路稳定上电接地建立后、信号接触前接通电源可让模块内部芯片如 DSP、MCU、激光驱动器等提前开始上电复位、时钟锁定和初始化流程电源达到稳定状态。这能防止信号先接触但模块完全未供电或电源不稳时造成接口状态不确定、信号线过载保护模块和主机 SerDes 端口。信号最后确保有效通信电源稳定后信号才接通此时模块已处于正常工作电压和偏置条件下能立即进行可靠的高速数据传输。拔出时信号最先断开可在电源切断前停止数据收发并禁用发送器避免带电插拔时因接触抖动产生的假信号、毛刺或电源浪涌耦合到信号路径防止链路误码和设备损坏。![[Pasted image 20260430134724.png#pic_center|550]]2每组高速信号RXn/TXn之间都用GND隔开建立了一个干净的同轴电缆式传输环境保障信号完整性主要有以下几个作用1. 电磁屏蔽隔离串扰位于差分对之间的GND焊盘和过孔像一个接地的“隔离墙”能有效阻断高频电磁场的边缘场耦合抑制串扰。2. 提供连续的回流路径将信号与回流构成的环路面积缩至最小既减少了对外辐射EMI也防止了不同信号因共用回流路径而产生的“地弹”噪声。3. 维持恒定阻抗减小反射差分对之间的GND焊盘是该链路阻抗控制的一部分。如果没有这些地参考信号焊盘间的阻抗会更容易因环境变化温度、插拔、弯曲而突变导致能量反射、信号失真。4. 支持更高的布线密度“信号-GND-信号”的GSSG交错布局模式是提升QSFP-DD端口密度的关键。在极端紧凑的空间里仅靠拉开间距来避免串扰是不可能的GND隔离有效解决了这一物理矛盾。3在A和B两排焊盘之间预留了很多“Pre-wipe pads”预擦拭焊盘。Pre-wipe pads在光模块中提供一个关键的自清洁与保护机制。它的主要作用体现在以下方面什么是Pre-wipe功能在一些高密度连接器设计中信号引脚接触件的排列非常密集。为了保证核心的信号引脚在插拔时能与模块上的金手指焊盘PAD充分接触并自我清洁设计者会在信号引脚之前额外安排一些“功能引脚”被称为Pre-wipe Pin/Terminal。Pre-wipe的核心原理是滑动擦拭。在插拔过程中连接器的弹性触点和模块PCB上的金手指会产生有压力的相对滑动这个微小的擦拭动作能有效清除金手指表面的微小灰尘、氧化物和污染物确保连接可靠。在关键信号引脚接触的路径上专门设置Pre-wipe Pads提前“清理”引脚为后续高速信号的完美接触铺平道路相当于连接器的“自清洁”系统。使兼容设计更可靠这个设计也是一个精妙的“空间换可靠性”方案。由于QSFP-DD模块的PCB金手指区域长度有限如果QSFP-DD新引脚A序列引脚和QSFP的旧式引脚B序列引脚间距太短那么在插入后二者可能会持续接触。为解决该问题设计者在两个信号焊盘排之间布置了“Pre-wipe Pads”拉长了QSPF-DD新引脚与QSFP旧式焊盘之间的距离。由于Pre-wipe Pads不传输任何高速信号这就完全避免了插入完成后触点因持续接触到错误的旧式信号焊盘而导致数据干扰或损坏的风险。(4) A排焊盘和B排焊盘对应位置上的引脚类型相同按照模块插入主板的方向光模块连接器先接触A排焊盘再接触B排焊盘。A排焊盘和B排焊盘对应位置上的引脚类型一致能够保证光模块在插入过程中输入不会与输出类型的管脚接触电源不会和GND或者信号线接触避免了管脚损坏。光模块的机壳地外壳公共端应与模块的电路地GND隔离以便设备设计人员能够灵活处理外部电磁干扰屏蔽层与模块电路地GND之间的连接。4.2 协议中关于引脚排布的注释公共地GND连接与额定电流QSFP-DD对所有信号和电源供电使用公共地GND。模块内部所有电路均以词电位为参考。请将这些引脚直接连到主机板的信号公共地平面。每个GND触点额定稳态电流为500mA。电源供电要求与Vcc触点额定电流所有电源应同时施加。在协议文档表13中规定了电源的电压/电流要求。对于Power Class 4及以上的模块电源引脚的负载不能超过电流极限。每个VCC触点额定电流为2000mA。保留焊盘及悬空焊盘的端接建议建议将保留焊盘在主机侧通过 10 kΩ 电阻端接到地。焊盘 65未连接在模块内部应保持悬空可选择在主机侧通过 10 kΩ 电阻将其端接到地。插接顺序与触点配合时序插接顺序规定了主机连接器与模块的配合顺序该顺序为1A→2A→3A→1B→2B→3B见4.1节的焊盘位置图。该顺序为1A、2A、3A、1B、2B、3B。焊盘位置参见图 2A 序列触点将先与额外的 QSFP-DD 焊盘建立接触然后断开接触。随后 1A 和 1B 序列同时发生接着是 2A 和 2B最后是 3A 和 3B。P/VSx可编程信号的端接要求P/VSx信号46、47、48、50引脚的完整定义正在制定中。光模块生产商若需要自定义这些管脚在模块端建议对P/VS1、P/VS4在模块内部各用10kΩ电阻进行端接。在主机端建议对P/VS2 和 P/VS3各用 10 kΩ 电阻进行端接。ePPS/Clock信号的端接说明对于未实现 ePPS/时钟信号的主机不需要在主机侧将 ePPS/时钟信号并联端接到地。ePPS/时钟信号已在模块内部完成并联端接参见协议第 4.2.6 节。“ePPS/时钟信号”是QSFP-DD的一个特定功能引脚全称是Enhanced Pulse Per Second即“增强型秒脉冲”信号。它就像网络系统内部一个极其精确的“心跳”每秒提供一个脉冲信号。网络中的各个模块如交换机、服务器可以利用这个统一的“心跳”来同步它们的内部时钟。“增强”二字意味着它在比传统的秒脉冲1PPS技术的基础上在抗干扰能力、信号质量和同步精度上都做了专门优化以满足数据中心对时间同步更严苛的要求。后面几篇文章将分别介绍低速引脚、高速引脚、电源引脚的定义和规范。