1. UART串口簡(jiǎn)介

串口是“串行接口”的簡(jiǎn)稱(chēng)，即采用串行通信方式的接口。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條數(shù)據(jù)線(xiàn)上逐個(gè)傳送，其特點(diǎn)是通信線(xiàn)路簡(jiǎn)單，但傳輸速度較慢。

因此串口廣泛應(yīng)用于嵌入式、工業(yè)控制等領(lǐng)域中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的場(chǎng)合。本實(shí)驗(yàn)我們將使用FPGA開(kāi)發(fā)板上的UART串口完成上位機(jī)與FPGA的通信。

串行通信分為兩種方式：同步串行通信和異步串行通信。

同步串行通信需要通信雙方在同一時(shí)鐘的控制下，同步傳輸數(shù)據(jù)；

異步串行通信是指通信雙方使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程。

UART是一種采用異步串行通信方式的通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸，在接收數(shù)據(jù)時(shí)將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。

UART串口通信需要兩根信號(hào)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一根用于串口發(fā)送，另外一根負(fù)責(zé)串口接收。

UART在發(fā)送或接收過(guò)程中的一幀數(shù)據(jù)由4部分組成，起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位，如圖所示。

其中，起始位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，停止位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，數(shù)據(jù)位是一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)位分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否出錯(cuò)。

奇校驗(yàn)時(shí)，發(fā)送方應(yīng)使數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)之和為奇數(shù)；

接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)1的個(gè)數(shù)進(jìn)行檢查，若不為奇數(shù)，則說(shuō)明數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出了差錯(cuò)。

同樣，偶校驗(yàn)則檢查1的個(gè)數(shù)是否為偶數(shù)。

異步串行通信數(shù)據(jù)格式?

UART通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)格式及傳輸速率是可設(shè)置的，為了正確的通信，收發(fā)雙方應(yīng)約定并遵循同樣的設(shè)置。

數(shù)據(jù)位可選擇為5、6、7、8位，其中8位數(shù)據(jù)位是最常用的，在實(shí)際應(yīng)用中一般都選擇8位數(shù)據(jù)位；

校驗(yàn)位可選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或者無(wú)校驗(yàn)位；

停止位可選擇1位（默認(rèn)），1.5或2位。

串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位是bps（位/秒），常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。

在設(shè)置好數(shù)據(jù)格式及傳輸速率之后，UART負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，而信號(hào)的傳輸則由外部驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。

電信號(hào)的傳輸過(guò)程有著不同的電平標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范，針對(duì)異步串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS232、RS422、RS485等，它們定義了接口不同的電氣特性，如RS-232是單端輸入輸出，而RS-422/485為差分輸入輸出等。

RS232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，可實(shí)現(xiàn)全雙工工作方式，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行。

在傳輸距離較短時(shí)（不超過(guò)15m），RS232是串行通信最常用的接口標(biāo)準(zhǔn)，本章主要介紹針對(duì)RS-232標(biāo)準(zhǔn)的UART串口通信。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串口最常見(jiàn)的接口類(lèi)型為DB9，樣式如圖所示，工業(yè)控制領(lǐng)域中用到的工控機(jī)一般都配備多個(gè)串口，很多老式臺(tái)式機(jī)也都配有串口。

但是筆記本電腦以及較新一點(diǎn)的臺(tái)式機(jī)都沒(méi)有串口，它們一般通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的串口通信。

DB9接口

USB串口線(xiàn)

DB9接口定義以及各引腳功能說(shuō)明如下圖所示，我們一般只用到其中的2（RXD）、3（TXD）、5（GND）引腳，其他引腳在普通串口模式下一般不使用，如果大家想了解，可以自行百度下。

DB9接口定義

2. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

上位機(jī)通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，完成串口數(shù)據(jù)環(huán)回。