解析常用串行總線——UART協(xié)議（上）

01

UART基礎(chǔ)知識(shí)

通用異步收發(fā)傳輸器 （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART。它將要傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/soft/special/" target="_blank">資料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。作為把并行輸入信號(hào)轉(zhuǎn)成串行輸出信號(hào)的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結(jié)上。

具體實(shí)物表現(xiàn)為獨(dú)立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的周邊設(shè)備。一般是RS-232C規(guī)格的，與類似Maxim的MAX232之類的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅度變換芯片進(jìn)行搭配，作為連接外部設(shè)備的接口。在UART上追加同步方式的序列信號(hào)變換電路的產(chǎn)品，被稱為USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。

1.1 早期串行通訊設(shè)備

早期的電報(bào)機(jī)器使用長(zhǎng)度可變的脈沖信號(hào)（摩斯電碼）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，后來(lái)出現(xiàn)的電傳打印機(jī)（teleprinters ）使用5、6、7或8個(gè)數(shù)據(jù)位來(lái)表示各種字符編碼。隨著電傳打印機(jī)的普及，最終發(fā)展成為計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。

由于歷史的發(fā)展原因，早期在Unix終端是一個(gè)名字為ASR33的電傳打字機(jī)，而電傳打字機(jī)的英文單詞為Teletype（或Teletypewritter），縮寫為TTY。因此，終端設(shè)備也被稱為tty設(shè)備。這就是TTY這個(gè)名稱的來(lái)源。

1.2 早期的芯片級(jí)UART

DEC（Digital Equipment Corporation）公司的Gordon Bell 為該公司的PDP系列計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了第一個(gè)UART，不過(guò)體積龐大，UART的線路占據(jù)了整個(gè)電路板；后來(lái)DEC將串行線路單元的設(shè)計(jì)濃縮為早期的UART單芯片，以方便自己使用。西部數(shù)據(jù)（Western Digital）公司在1971年左右將其開發(fā)為第一個(gè)廣泛可用的UART單芯片 WD1402A。這是中型集成電路的早期產(chǎn)品。

DEC是美國(guó)一家計(jì)算機(jī)公司；Western Digital是美國(guó)計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器制造商和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)公司。

1.3 現(xiàn)代串行通訊設(shè)備

2000年開始，大多數(shù)IBM或者相關(guān)的計(jì)算機(jī)都刪除了其外部RS232的COM端口，將其替換為帶寬性能更加出色的USB端口；對(duì)于仍然需要RS-232串行COM端口的用戶，現(xiàn)在通常使用外部USB轉(zhuǎn)UART轉(zhuǎn)換器，常見的有CH340，Silicon Labs 210x的驅(qū)動(dòng)程序，現(xiàn)在很多處理器和芯片都內(nèi)置了UART。

02

UART傳輸協(xié)議

2.1 UART協(xié)議

在串口通信中，數(shù)據(jù)在1位寬的單條線路上進(jìn)行傳輸，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要分為8次，由低位到高位按順序一位一位的進(jìn)行傳送，這個(gè)過(guò)程稱為數(shù)據(jù)的"串行化(serialized)"過(guò)程。由于串口通信是一種異步通信協(xié)議，并沒有時(shí)鐘信號(hào)隨著數(shù)據(jù)一起傳輸，而且空閑狀態(tài)(沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài))的時(shí)候，串行傳輸線為高電平1，所以發(fā)送方發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)之前會(huì)先發(fā)送一個(gè)低電平0，接收方收到這個(gè)低電平0以后就知道有數(shù)據(jù)要來(lái)了，準(zhǔn)備開始接收數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)一次通信。串口通信的時(shí)序如下圖所示：

串口通信的規(guī)范如下：

1. 空閑狀態(tài)(沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài))下，串行傳輸線上為高電平1；

2. 發(fā)送方發(fā)送低電平0表示數(shù)據(jù)傳輸開始，這個(gè)低電平表示傳輸?shù)钠鹗嘉唬?/p>

3. 8-bit的數(shù)據(jù)位(1 Byte)是從最低位開始發(fā)送，最高位最后發(fā)送；

4. 數(shù)據(jù)位的最高位發(fā)送完畢以后的下一位是奇偶校驗(yàn)位，這一位可以省略不要，同時(shí)，當(dāng)不發(fā)送奇偶校驗(yàn)位的時(shí)候接收方也相應(yīng)的不接收校驗(yàn)位；

5. 最后一位是停止位，用高電平1表示停止位。

下面以發(fā)送字節(jié)0x55為例來(lái)說(shuō)明整個(gè)的發(fā)送過(guò)程：

先把0x55轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制為：01010101。顯然0x55的最低位bit 0是1，次低位bit 1是0，……..，最高位bit 7是0，由于串口是從最低位開始發(fā)送一個(gè)字節(jié)，所以0x55各個(gè)位的發(fā)送順序是1-0-1-0-1-0-1-0,波形如下圖所示:

下面在給出一個(gè)波形，根據(jù)上面的規(guī)則也可以很容易判斷這是發(fā)送字節(jié)0x13的波形:

2.1.1 起始位

UART數(shù)據(jù)傳輸時(shí)在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)保持在高電平，當(dāng)開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)出1bit位寬的低電平，表示數(shù)據(jù)開始傳輸，即為起始位。

2.1.2 數(shù)據(jù)位

數(shù)據(jù)位包含正在傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)，位寬可以為4bit到10bit，大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)首先從低有效位發(fā)送。

2.1.3 校驗(yàn)位

串口通信中的一種交錯(cuò)方式，通常有偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、高校驗(yàn)和低校驗(yàn)四種檢錯(cuò)方式，沒有校驗(yàn)位也是可以的。

偶校驗(yàn)：數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位后，“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)；

奇校驗(yàn)：數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位后，“1”的位數(shù)應(yīng)為奇數(shù)；

2.1.4 停止位

在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后發(fā)送一位高電平用于停止標(biāo)識(shí)。

由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容錯(cuò)性越好，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

3.1.5 波特率

串口數(shù)據(jù)的傳輸速度用波特率（bit/s）進(jìn)行衡量，常見的波特率有：9600、19200、38400、57600、115200。假設(shè)UART配置為1bit起始位，8bit數(shù)據(jù)位，沒有校驗(yàn)位，1bit停止位，那么9600bit/s的波特率可得出每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度為：T=1/9600*10=1.04ms,即每個(gè)字節(jié)（10bit數(shù)據(jù)）傳輸需要1.04ms。同理可得各個(gè)波特率下數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)間寬度。

2.2 UART傳輸過(guò)程

1. 發(fā)送端數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)包并行傳輸給發(fā)送端UART；
2. 發(fā)送端UART將起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)包中；
3. 接收端UART解析數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)；
4. 接收端UART將所解析的數(shù)據(jù)傳輸給接收端數(shù)據(jù)總線。

03

UART代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 UART目標(biāo)實(shí)現(xiàn)功能

設(shè)計(jì)一個(gè)UART發(fā)送模塊和接收模塊，具體要求如下：

1. 設(shè)計(jì)一個(gè)UART發(fā)送模塊，該模塊接收一個(gè)8位輸入數(shù)據(jù)并采用UART協(xié)議發(fā)送，UART 采用10位傳輸協(xié)議，即一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，一位終止位。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)低位數(shù)據(jù)，最后發(fā)高位數(shù)據(jù)。要求波特率為1K。模塊的定義如下：

module uart_tx (

clk_40k, //clock signal, 40kHz

rst_n, //reset signal, active low

din, //the input data which will be sent by the UART module, 8 bit width

send_start,//the start enable signal, active high, the width is one clock period

bit_out //the serial output data

);

2. 設(shè)計(jì)一個(gè)UART接收模塊，模塊的定義如下：

module uart_rx (

clk_40k, //clock signal, 40kHz

rst_n, //reset signal, active low

bit_in, //the input serial bit,

dout_vld,//the output valid signal， active high，the dout is valid when this signal is high.

dout //received data, 8 bit width

);

3. 設(shè)計(jì)一個(gè)testbench，對(duì)發(fā)送模塊和接收模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程如下，testbench產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后啟動(dòng)uart_tx模塊發(fā)送至uart_rx模塊，當(dāng)uart_rx模塊接收到有效數(shù)據(jù)后，自動(dòng)判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確。

3.2 Verilog代碼

1. 發(fā)送模塊 (uart_tx)：

module uart_tx (

clk_40k,//clock signal, 40kHz

rst_n, //reset signal, active low

din,//the input data which will be sent by the UART module, 8 bit width

send_start,//the start enable signal, active high, the width is one clock period

bit_out//the serial output data

);

input [7:0] din;

input clk_40k;

input rst_n;

input send_start;

output bit_out;

reg flag;

reg tx_flag;

reg [6:0] cnt;

reg [5:0] tx_cnt;

reg [9:0] din_temp;

//flag: 發(fā)送過(guò)程flag始終拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

flag <= 1'b0;

else if(send_start == 1'b1)

flag <= 1'b1;

else if(tx_flag == 1'b1)

flag <= 1'b0;

end

//tx_flag: 發(fā)送結(jié)束tx_flag拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

tx_flag <= 1'b0;

else if(flag == 1'b1 && din_temp[0] == 1'b0)

tx_flag <= 1'b1;

else if(tx_cnt == 7'd10)

tx_flag <= 1'b0;

end

//cnt: 發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)，clk_40k分頻至1k波特率對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

cnt <= 7'b0;

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt != 7'd39)

cnt <= cnt + 1'b1;

else

cnt <= 7'b0;

end

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

tx_cnt <= 6'b0;

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1;

else if(tx_flag == 1'b0)

tx_cnt <= 6'b0;

end

//din_temp: 8bit數(shù)據(jù)移位操作，串行輸出

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

din_temp <= 10'b1111111111;

else if(flag == 1'b1 || send_start == 1'b1)

din_temp <= {1'b1,din,1'b0};

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

din_temp <= {1'b1,din_temp[9:1]};

end

assign bit_out = din_temp[0];

endmodule