一、UART简介
UART是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的缩写，它是一种串行通讯接口标准。相比较其他串行通信方式，UART具有性能高、成本低的优点，在单片机、嵌入式系统、计算机外围设备中被广泛应用。
UART使用一种异步方式，即发送数据和接收数据的时钟不同步，通过指定数据位，停止位，奇偶校验位等参数，可以保证数据正确无误地传输。
下面我们来详细了解一下UART的工作原理以及在Verilog中的实现。
二、UART的工作原理
UART的工作原理可以分为两个阶段：
1、发送数据
module uart_tx(
input clk, //system clock
input reset, //system reset
input enable, //tx enable signal
input [7:0] data_in, //data to be sent
output tx //tx output signal
);
......
endmodule
2、接收数据
module uart_rx(
input clk, //system clock
input reset, //system reset
input enable, //rx enable signal
input rx, //rx input signal
output reg [7:0] data_out, //received data
output reg receive_done //receive done signal
);
......
endmodule
三、UART Verilog实现
1、发送数据实现
UART发送数据的核心是将发送的数据按照指定的协议进行封装，然后通过TX引脚发送出去。
以下是一个基本的UART发送模块：
module uart_tx(
input clk, //system clock
input reset, //system reset
input enable, //tx enable signal
input [7:0] data_in, //data to be sent
output tx //tx output signal
);
parameter BAUD_RATE = 9600 ; //波特率
parameter SYS_CLK = 50000000 ; //系统时钟频率
parameter TICK = SYS_CLK / BAUD_RATE ;
reg [3:0] state ; //状态机
reg [7:0] data_reg ; //数据寄存器
reg [3:0] bit_count ; //计数器
reg tx_reg ; //TX寄存器
always@(posedge clk) begin
if(reset) begin
state <= 4'd0 ;
tx_reg <= 1'b1 ; //发送起始位
data_reg <= 8'h00 ;
bit_count <= 4'd0 ;
end else begin
case(state)
4'd0 : begin //等待TX越过起始位
if(enable) begin
state <= 4'd1 ;
end
end
4'd1 : begin //发送8位数据位
tx_reg <= data_in[0] ;
data_reg <= data_in >> 1 ;
bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
if(bit_count == 4'd8) begin
bit_count <= 4'd0 ;
state <= 4'd2 ;
end
end
4'd2 : begin //发送校验位（这里使用奇偶校验）
tx_reg <= ~(^data_in) ;
bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
if(bit_count == 4'd1) begin
bit_count <= 4'd0 ;
state <= 4'd3 ;
end
end
4'd3 : begin //发送停止位
tx_reg <= 1'b0 ;
bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
if(bit_count == 4'd1) begin
bit_count <= 4'd0 ;
state <= 4'd4 ;
end
end
4'd4 : begin //等待下一次发送
if(enable) begin
state <= 4'd1 ;
end
end
endcase
end
end
assign tx = tx_reg ;
endmodule
2、接收数据实现
UART接收数据的核心是按照指定协议从RX引脚接收信号，并解析出数据内容。
一个基本的UART接收模块如下所示：
module uart_rx(
input clk, //system clock
input reset, //system reset
input enable, //rx enable signal
input rx, //rx input signal
output reg [7:0] data_out, //received data
output reg receive_done //receive done signal
);
parameter BAUD_RATE = 9600 ; //波特率
parameter SYS_CLK = 50000000 ; //系统时钟频率
parameter TICK = SYS_CLK / BAUD_RATE ;
reg [3:0] state ; //状态机
reg [7:0] data_reg ; //数据寄存器
reg [3:0] bit_count ; //计数器
reg rx_reg ; //RX寄存器
reg odd_parity ; //奇校验位判断
always@(posedge clk) begin
if(reset) begin
state <= 4'd0 ;
data_reg <= 8'h00 ;
bit_count <= 4'd0 ;
rx_reg <= 1'b1 ; //等待起始位
end else begin
case(state)
4'd0 : begin //等待起始位
if(~rx & enable) begin
state <= 4'd1 ;
rx_reg <= rx ;
data_reg <= 8'h00 ;
bit_count <= 4'd0 ;
odd_parity <= 1'b0 ;
end
end
4'd1 : begin //接收8位数据位
rx_reg <= rx ;
data_reg <= {data_reg[6:0], rx} ;
bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
odd_parity <= odd_parity ^ rx ; //奇偶校验
if(bit_count == 4'd7) begin
state <= 4'd2 ;
end
end
4'd2 : begin //接收校验位（这里使用奇偶校验）
rx_reg <= rx ;
odd_parity <= odd_parity ^ rx ; //奇偶校验
bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
if(bit_count == 4'd1) begin
state <= 4'd3 ;
end
end
4'd3 : begin //接收停止位
rx_reg <= rx ;
receive_done <= 1'b1 ; //数据接收完成
data_out <= data_reg ; //输出数据
if(rx) begin
//停止位必须是逻辑0，否则认为停止位错误
state <= 4'd4 ;
end
end
4'd4 : begin //等待下一次数据接收
receive_done <= 1'b0 ;
if(~rx & enable) begin
state <= 4'd1 ;
rx_reg <= rx ;
data_reg <= 8'h00 ;
bit_count <= 4'd0 ;
odd_parity <= 1'b0 ;
end
end
endcase
end
end
endmodule
四、小结
本文主要介绍了UART通讯的基本原理，以及在Verilog中的实现方式。通过实现发送和接收两个模块，我们可以完成对UART通讯协议的实现。同时，我们也需要注意一些细节问题，如如何进行奇偶校验，如何判断起始位和停止位等等。这些问题对于保证数据传输的正确性非常重要。
