基本的UART通信只需要兩條信號線(RXD，TXD)就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工形式，其中TXD是UART發(fā)送端，RXD是UART接收端。UART基本特點是：在信號線上有兩種狀態(tài)，可分別用邏輯1(高電平)和邏輯0(低電平)來區(qū)分。在發(fā)送器空閑時，數(shù)據(jù)線應保持在邏輯高電平狀態(tài)。發(fā)送器是通過發(fā)送起始比特而開始一個字符傳送，起始比特使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)傳輸即將開始。數(shù)據(jù)位一般為8位一個字節(jié)的數(shù)(也有6位7位的情況)，低位(LSB)在前，高位(MSB)在后。校驗位一般用來判斷接收的數(shù)據(jù)位有無錯誤，一般是奇偶校驗。停止位在最后，用以標志UART一個字符傳送的結(jié)束，它對應于邏輯1狀態(tài)，UART數(shù)據(jù)幀格式。

UART(UniversalAnynchrONousReceiverTransmitter，通用異步接收發(fā)送器)是廣泛應用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議之一，其應用范圍遍及計算機外設、工控自動化等場合。雖然USB傳輸協(xié)議比UART協(xié)議有更高的性能，但電路復雜開發(fā)難度大，并且大多數(shù)的微處理器只集成了UART，因此UART仍然是目前數(shù)字系統(tǒng)之間進行串行通信的主要協(xié)議。

 隨著FPGA的廣泛應用，經(jīng)常需要FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)進行串行通信，專用的UART集成電路如8250，8251等是比較復雜的，因為專用的UART集成電路既要考慮異步的收發(fā)功能，又要兼容RS232接口設計，在實際應用中，往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費和成本提高。可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，實現(xiàn)FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)的直接通信，從而簡化了整個系統(tǒng)電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。

UART功能實現(xiàn)

UART可以分解為3個子模塊：波特率發(fā)生器模塊;發(fā)送模塊;接收模塊。UART的功能主要由VHDL硬件描述語言編程，是編譯后生成的圖元SCI，它包括了UART的最主要的部分，即發(fā)送模塊和接收模塊。SCI的外部口線可分為3類：

一是與數(shù)字系統(tǒng)的接口，包括數(shù)據(jù)DATA[7.0]，片選CS，讀寫RD、WR，狀態(tài)RDFULL、TDEMPTY.這部分接口完成的功能是將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SCI或從SCI讀出已接收到的數(shù)據(jù)。

二是串行通信接口2條線RXD、TXD，其中RXD是接收數(shù)據(jù)線、TXD是發(fā)送數(shù)據(jù)線，因此，SCI實現(xiàn)的是全雙工通信的設計。

三是系統(tǒng)控制線RESET、CLK，RESET為模塊復位輸入，CLK為模塊時鐘輸入，通信的波特率由CLK來決定(實際的波特率是CLK/4)。

RDFULL、TDEMPTY為兩個狀態(tài)標志位，RDFULL為輸入寄存器滿標志，高電平表示已經(jīng)接收到一個有效數(shù)據(jù)并存儲到輸入數(shù)據(jù)寄存器中，當CS、RD有效將數(shù)據(jù)讀出后變?yōu)榈碗娖綗o效。

TDEMPTY為輸出寄存器空標志，高電平表示由CS、WR有效寫入到輸出寄存器的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，可以向輸出寄存器寫入另外待發(fā)送的數(shù)據(jù)，低電平時表示數(shù)據(jù)目前正在發(fā)送中。

發(fā)送模塊設計

發(fā)送模塊由發(fā)送控制進程、寫數(shù)據(jù)進程、并/串轉(zhuǎn)換進程、狀態(tài)操作進程等進程構(gòu)成。其中，最主要的是發(fā)送控制進程，在發(fā)送控制進程中聲明了一個6比特的變量scit_v，由它的取值(狀態(tài)機)狀態(tài)來控制整個發(fā)送過程。scit_v被分為高四位的sh_t和低兩位的sl_，tscit_v在系統(tǒng)復位后被賦初值28(011100B)，每來一個時鐘scit_v增量，每來四個時鐘sh_t增量，當sh_t為0111B時發(fā)送起始位，sh_t為1000~1111B時發(fā)送8比特的數(shù)據(jù)。