作者：FPGA技术实战
引言：UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可实现全双工传输和接收。UART通常用来实现与PC之间数据通信，命令和控制信息的传输等。本文我们介绍UART通信协议、传输时序及如何利用HDL编程实现FPGA与PC通信。
1.异步串行通信的理解
通信协议：指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。
异步通信：它是对于同步通信来说的，异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时隙可以是任意的，当然，接收端必须时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。
UART使用的是异步串行通信机制，其数据传输协议格式如下图所示。
空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据信息传输。
UART数据传输协议格式，通常需要在收发设备提前定义好，如传输数据的位数、是否需要校验位、停止位。另外还一个重要的参数就是数据传输的波特率。
图2：常见标准波特率
UART数据传输的速度通常用波特率来衡量。在一次串口通信过程中，数据接收与发送双方没有共享时钟，因此，双方必须协商好数据传输波特率。根据双方协议好的传输速率，相邻bit的时间间隔就会固定下来，接收端即可对发送端的数据进行采样。
本文设定传输协议为：1位起始位+8位数据位+1位结束位，无奇偶校验位，传输波特率为9600bps。
（1）发送端按照预先设定好的传输协议及波特率，发送端依次发送：
其中，起始位为逻辑 0（低电平） ，结束位为逻辑 1（高电平） ，发送端在空闲状态为 1 。
（2）接收端：接收端通过检测电平“1”（空闲状态）到“0”（起始位）的跳变来确定一个数据包的开始。确定开始位接收完成之后，依次接收数据使用更高的采样时钟，完成数据采集。接收完数据位后，继续接收停止位。
硬件上采用USB转RS232芯片CP2104实现PC与FPGA之间通信。电路中设计了一片ESD静电防护芯片RCLAMP0522P，与转换芯片CP2104一起，可以防止静电浪涌烧毁FPGA芯片，起到隔离保护作用。
软件设计划分为接收模块uart_rx.v和uart_tx.v两个模块，顶层模块uart_driver.v互联两个模块，如下图所示。
UART数据传输主要包括两个部分：
波特率的产生设计； 数据传输设计，包括接收与发送。
数据发送模块：设置发送使能信号和待发送的数据。通过计数器，表示10 个数据发送的周期。这 10 个数据，依次为：1位起始位+8 位数据位 +1 位结束位，实现数据位的逐个发送。本设计中，采用PC机的串口调试助手，发送数据位至FPGA。FPGA 接收到数据位之后，立即回传至 PC 机。
编写testbench仿真文件，利用Vivado自带仿真器对软件代码进行功能仿真，仿真结果如下图所示。
图5：UART串行通信仿真
图中①处，仿真UART接收串口信号uart_rx_i输入数据8'b10101001，baud_bps在每个bit位宽中间时刻采样，bit_num计数接收到的数据bit个数，数据按照LSB端接收；
图中②处完成8bit数据位接收后，产生接收完毕信号uart_rx_done；
图中③处，将接收到的数据按照事先定义好的传输协议通过uart_tx_o发送。
