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以太网 MAC 收发数据通路：前导码、CRC、地址过滤与 DMA ​

更新时间：2026-09-19。前置：以太网 MII/RMII/GMII、DMA 描述符环、PTP 时间戳。PHY 负责比特/模拟，MAC（Media Access Controller）负责把以太网帧在「字节帧」和「内存 buffer」之间转换，并实现 CSMA/CD、CRC、地址过滤等规则。

本文要回答的问题 ​

  • 一帧以太网上线前 MAC 自动加了哪些字段？接收时又去掉/检查什么？
  • 硬件地址过滤、CRC 校验、padding 各在哪一级？
  • 帧怎么经 DMA 描述符环进出内存？
  • 哪些坏帧要丢弃，checksum/VLAN 卸载是什么？

一、帧格式与 MAC 的职责 ​

标准以太网帧（不考虑 VLAN tag）：

bash
Preamble(7B 0x55) SFD(1B 0xD5) | DA(6) SA(6) [Type/Len(2)] | Payload(46~1500B) | FCS(4B CRC)
|<-------- MAC 收/发自动处理的封装 ------->|
最小帧 64B、最大普通帧 1518B（含 FCS）；帧间有 IFG(12B 时间)
  • Preamble + SFD：接收端时钟恢复/字节对齐用；MAC 在发送时自动前插，接收时检测 SFD 后才开始组帧（不交给软件）。
  • DA/SA：目的/源 MAC 地址。
  • Type/Length：上层协议（如 0x0800 IPv4）或长度。
  • Payload：不足 46B 时要 padding 到最小 64B 帧长。
  • FCS：对 DA..Payload 的 CRC-32，由发送 MAC 计算追加，接收 MAC 校验。

二、接收通路（RX datapath） ​

bash
MII/GMII 字节(PHY→)
 → SFD 检测/字节对齐
 → 去 Preamble/SFD
 → 地址过滤(DA: 单播匹配 promiscuous/广播/组播 hash)
 → 状态机收 DA SA Type Payload，按字节写 RX FIFO
 → CRC 校验(收到 FCS 或硬件重算比对)
 → 长度/格式检查: RUNT(<64)/超长(jumbo 允许否)/对齐错误
 → (可选)打 PTP 硬件时间戳
 → DMA 从 FIFO 搬到内存 buffer，填描述符状态(CRC err/runt/..) → 中断
  • 地址过滤：第一级硬件丢弃不是给本机、也非广播/允许组播的帧，省带宽和 CPU；支持 promiscuous（嗅探全收）、multicast hash（用 MAC 地址 hash 位图粗筛，可能有 hash mismatch，软件再细查）。
  • CRC/FCS 处理：MAC 通常在校验后剥掉 FCS（也可配置保留）；CRC 错则在描述符置 error，一般丢弃。
  • padding 剥离：短帧的 padding 是否上交可配。
  • 错误统计：CRC 错误、alignment（位数非整字节）、runt、超长、溢出（FIFO/无描述符）等计数器（ifInErrors 类），驱动读取诊断。

三、发送通路（TX datapath） ​

bash
软件在内存准备 buffer（一般不含 FCS），挂到 TX 描述符环
 → DMA 取描述符、把帧搬到 TX FIFO
 → MAC 发送状态机:
     等 IFG(帧间隔)、半双工时先侦听/退避(CSMA/CD)
     发 Preamble + SFD
     发 DA SA Type Payload
     payload 不足 46B → 自动 pad
     计算并追加 FCS(CRC-32)
     (可插 VLAN tag、TCP/IP checksum 卸载、TSO)
 → 发完置描述符 done/可回收；冲突处理/重传
  • 自动 IFG：保证相邻帧间隔 12 字节时间；发完一帧不能立刻发下一帧。
  • 自动 pad + FCS：软件给短 payload，MAC 补零并算 CRC；也可配置「已含 FCS」直通（桥接场景）。
  • 半双工 CSMA/CD：发前侦听载波，冲突时发 jam、按二进制指数退避重传，超过 16 次报 excessive collision。现代全双工交换环境无冲突，但控制器仍保留逻辑。
  • 发送时同样可在帧出口打 PTP 时间戳（见 1588）。

四、DMA 描述符环与零拷贝 ​

MAC 通常不直接让 CPU 逐字节搬运，而是挂 RX/TX 描述符环（见 描述符环）：

  • 每个描述符含：buffer 地址、长度、own 位（硬件/软件拥有）、CRC/错误/帧起止等状态。
  • RX：软件预先挂一批空 buffer（ownership 给硬件）；MAC 收到帧由 DMA 写入，置 own=软件并中断；软件处理后把 buffer 挂回。
  • TX：软件填好帧和长度、own 交硬件，DMA 取出发送，完成后回收。
  • 描述符饥饿（descriptor starvation）：RX 环被挂空且来不及补，新帧只能丢（missed-frame 计数++）；这是高负载丢包的常见软件原因。
  • buffer 与 cache：DMA buffer 要 non-cacheable 或做 cache invalidate/clean，否则 CPU 读到旧数据（见 DMA 与 cache 一致性）。
  • 中断聚合（收 N 帧或超时才中断）降低 CPU 负载，见 中断聚合。

五、硬件卸载 ​

现代 MAC 在数据通路里集成：

  • checksum offload：硬件算/验 IP header checksum、TCP/UDP checksum，软件置标志即可。
  • VLAN tag insertion/stripping：硬件加/去 4 字节 tag。
  • TSO/LSO（TCP segmentation offload）：软件给大段，MAC 按 MSS 切包并补各包头/校验。
  • 这些卸载依赖描述符里的控制位和正确的协议偏移；配置错会产生校验错误包。

六、常见的坑 ​

  1. CRC 错误风暴：多为 PHY/时钟/端接问题（见 MII/RGMII），而非 MAC 逻辑。
  2. RX 描述符环挂空：高负载下软件 replenish 不及时，帧被静默丢弃，要盯 missed/overflow 计数。
  3. cache 不一致：未 invalidate RX buffer/clean TX buffer，CPU 与 DMA 看到不同数据。
  4. FCS/padding 配置不一致：软件自己又算一遍 CRC，或桥接时 MAC 强剥 FCS，导致校验错。
  5. 组播 hash 当精确匹配：hash 是粗筛，需软件二次校验，否则收到无关组播。
  6. RUNT/短帧处理错：把冲突残帧当有效帧上交。
  7. 巨帧未两端都开：MTU>1500 要 MAC 与对端/交换都允许 jumbo，否则超长帧被丢。
  8. IFG/半双工双工不匹配：一端半双工一端全双工，产生晚冲突/CRC，应协商一致。
  9. checksum 卸载误配：对非 IP/隧道包硬件算错校验，对端丢弃。
  10. 时间戳打戳点/通道错：见 PTP，未开硬件戳精度差。
  11. 字节序/地址对齐：描述符/buffer 对齐要求未满足，DMA 报错。
  12. 发送完成过早回收：own 位还属硬件就复用 buffer，发出的数据被改写。

相关与延伸 ​

PHY 接口见 MII/RMII/GMII/RGMII；搬运机制见 DMA 描述符环、DMA 突发；硬件时间戳见 PTP 1588；校验原理见 CRC/LFSR。

总结 ​

以太网 MAC 把帧在网线字节和内存 buffer 间转换：发送时 DMA 从 TX 描述符环取帧，经 FIFO 在满足 IFG（半双工还要 CSMA/CD 侦听退避）后自动加前导码/SFD、给不足 46B 的 payload 补 padding、计算并追加 CRC-32 FCS；接收时检测 SFD 对齐、剥掉前导码、先做硬件单播/广播/组播 hash 地址过滤，再校验 CRC、识别 RUNT/超长/对齐错误，最后 DMA 写入预先挂好的 RX buffer 并在描述符记录错误状态后中断；配合 cache 一致性维护、描述符及时 replenish 和 checksum/VLAN/TSO 卸载运行——CRC 风暴多在 PHY 物理层，RX 描述符饥饿和 cache 不刷新才是高负载丢包的常见数据通路根因。