UART即通用异步收发器，是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线为双向通信，可以实现数据的接收与发送。
在数据传输过程中，我们需要解释一下串行通信。假设现在我们传输数据的双方为A和B，每次传输8bit数据，这8bit的数据在传输时按照A与B之间的连线分为串行通信和并行通信。串行通信即A与B之间仅有一根数据线，在传输数据时需要一次发送1bit，总共发送8次。并行通信即A与B之间有8根线，传输数据时，将8bit数据通过8根线一起传输，这样一次就可以全部传输完成。
数据传输时，接收方和发送方使用的时钟不是同一个时钟域，这也就是异步传输。
在通信双方传输数据之前，需要通过串口线进行连接，然后再传输数据，常用的串口线为DB9接口，但是由于这种接口体积大，不易携带等缺点而慢慢淘汰。我们在B04的开发板上使用到的是一个USB转串口的芯片，这样我们的MINI USB接口不仅可以给开发板供电，还可以进行串口数据传输。芯片为CP2102（USB <-->UART（LVCMOS/LVTTL））,对于开发者来说，就不需要关注电平标准了。
芯片电路图如图所示：
在电路图中我们可以发现，串口接口只有两根数据线，分别为RXD和TXD。那么在进行通信之前，我们需要先了解一下串口的传输规则。
在发送者没有发送数据时，接收方如果一直接收数据，那就会导致数据出错，所以，接收方在接收数据时需要有标志信号，然后启动接收。在我们的串口协议中是这样规定的：
1、空闲态数据线上为高电平。
2、发送数据时，先发送起始位，逻辑电平为低。
3、起始位结束之后，发送8bit数据，从低位开始传输。
4、数据传输完毕，是1bit的校验位，采用奇偶校验法。（可不使用）
5、停止位，为高电平，可以是1bit、1.5bit或者2bit。
那么我们清楚了数据传输规则之后，我们还需要明白一个内容，那就是1bit数据的时间长度。在算这个时间之前，我们需要了解一下波特率。波特率的单位是bit/s，也就是1秒时间内，传输的bit数。我们串口常用的波特率有9600、14400、19200等等。这个波特率是传输数据的双方，提前规定好的。那么在同一速度下传输数据，就会简单很多。那么根据波特率我们可以计算出来1bit数据的时长为104166ns。在清楚这些之后，接下来我们做一个回环测试。
首先我们先新建一个工程：
选好代码存放位置，修改工程名字为uart。
选择我们的芯片型号：XC7A35TFGG484-2。
新建好工程后，开始新建文件写代码。
点击OK，顶层文件新建完成，后续各个模块新建方式相同。接收代码如下：
1 Module uart_rx(2 3 input wire clk,4 input wire rst_n,5 input wire RXD,6 output reg [7:0] data,7 output reg wr_en8 );9 10 parameter t = 5208;1112 reg [14:0] cnt;13 reg flag;14 reg rxd_r, rxd_rr;15 wire rx_en;16 reg [3:0] num;17 reg [7:0] data_r;18 19 always @ (posedge clk) rxd_r <= RXD;20 always @ (posedge clk) rxd_rr <= rxd_r;21 22 assign rx_en = (~rxd_r) & rxd_rr;23 24 always @ (posedge clk, negedge rst_n)25 begin26 if(rst_n == 1'b0)27 cnt <= 15'd0;28 else if(flag)29 begin30 if(cnt == t - 1)31 cnt <= 15'd0;32 else33 cnt <= cnt + 1'b1;34 end35 else36 cnt <= 15'd0;37 end38 39 always @ (posedge clk, negedge rst_n)40 begin41 if(rst_n == 1'b0)42 flag <= 1'b0;43 else if(rx_en)44 flag <= 1'b1;45 else if(num == 4'd10)46 flag <= 1'b0;47 else48 flag <= flag;49 end50 51 always @ (posedge clk, negedge rst_n)52 begin53 if(rst_n == 1'b0)54 num <= 4'd0;55 else if(cnt == t / 2 - 1)56 num <= num + 1'b1;57 else if(num == 4'd10)58 num <= 4'd0;59 else60 num <= num;61 end62 63 always @ (posedge clk, negedge rst_n)64 begin65 if(rst_n == 1'b0)66 begin67 data_r <= 8'd0;68 data <= 8'd0;69 end70 else if(cnt == t / 2 - 1)71 case(num)72 4'd0 : ;73 4'd1 : data_r[0] <= rxd_rr;74 4'd2 : data_r[1] <= rxd_rr;75 4'd3 : data_r[2] <= rxd_rr;76 4'd4 : data_r[3] <= rxd_rr;77 4'd5 : data_r[4] <= rxd_rr;78 4'd6 : data_r[5] <= rxd_rr;79 4'd7 : data_r[6] <= rxd_rr;80 4'd8 : data_r[7] <= rxd_rr;81 4'd9 : data <= data_r;82 default : data <= data;83 endcase84 end85 86 always @ (posedge clk, negedge rst_n)87 begin88 if(rst_n == 1'b0)89 wr_en <= 1'b0;90 else if(num == 4'd10)91 wr_en <= 1'b1;92 else93 wr_en <= 1'b0;94 end9596 endmodule
发送数据时，跟接收基本类似，按照数据格式发送数据，代码如下：
1 module uart_tx(2 3 input wire clk,4 input wire rst_n,5 input wire empty,6 input wire [7:0] data,7 output wire rd_en,8 output reg TXD9 );10 11 parameter t = 5208;1213 reg [14:0] cnt;14 reg flag;15 reg [3:0] num;16 17 18 always @ (posedge clk, negedge rst_n)19 begin20 if(rst_n == 1'b0)21 cnt <= 15'd0;22 else if(flag)23 begin24 if(cnt == t - 1)25 cnt <= 15'd0;26 else27 cnt <= cnt + 1'b1;28 end29 else30 cnt <= 15'd0;31 end32 33 always @ (posedge clk, negedge rst_n)34 begin35 if(rst_n == 1'b0)36 flag <= 1'b0;37 else if(empty == 1'b0)38 flag <= 1'b1;39 else if(num == 4'd10)40 flag <= 1'b0;41 else42 flag <= flag;43 end44 45 always @ (posedge clk, negedge rst_n)46 begin47 if(rst_n == 1'b0)48 num <= 4'd0;49 else if(cnt == t / 2 - 1)50 num <= num + 1'b1;51 else if(num == 4'd10)52 num <= 4'd0;53 else54 num <= num;55 end56 57 assign rd_en = (num == 4'd0 && cnt == 15'd1) ? 1'b1 : 1'b0;58 59 always @ (posedge clk, negedge rst_n)60 begin61 if(rst_n == 1'b0)62 TXD <= 1'b1;63 else if(cnt == t / 2 - 1)64 case(num)65 4'd0 : TXD <= 1'b0;66 4'd1 : TXD <= data[0];67 4'd2 : TXD <= data[1];68 4'd3 : TXD <= data[2];69 4'd4 : TXD <= data[3];70 4'd5 : TXD <= data[4];71 4'd6 : TXD <= data[5];72 4'd7 : TXD <= data[6];73 4'd8 : TXD <= data[7];74 4'd9 : TXD <= 1'b1;75 default : TXD <= 1'b1;76 endcase77 end7879 endmodule
其中读使能我们只需在数据发送前将数据读出即可。
在做完两个模块之后，我们还需要使用一个FIFO来做数据缓存，FIFO配置参数如下：
我们使用异步FIFO，深度选择2048，位宽为8，复位信号暂时不使用。
生成FIFO后，将各个模块例化到顶层当中，代码如下：
1 module uart(2 3 input wire clk,4 input wire rst_n,5 input wire RXD,6 output wire TXD7 );8 9 wire [7:0] rx_data;10 wire wr_en;11 wire rd_en;12 wire [7:0] tx_data;13 wire empty;14 15 uart_rx uart_rx_inst(16 17 .clk (clk ),18 .rst_n (rst_n),19 .RXD (RXD ),20 .data (rx_data),21 .wr_en (wr_en)22 );23 24 fifo fifo_inst (25 .wr_clk(clk), // input wire wr_clk26 .rd_clk(clk), // input wire rd_clk27 .din(rx_data), // input wire [7 : 0] din28 .wr_en(wr_en), // input wire wr_en29 .rd_en(rd_en), // input wire rd_en30 .dout(tx_data), // output wire [7 : 0] dout31 .full(), // output wire full32 .empty(empty) // output wire empty33 );34 35 uart_tx uart_tx_inst(36 37 .clk (clk ),38 .rst_n (rst_n ),39 .empty (empty ),40 .data (tx_data),41 .rd_en (rd_en ),42 .TXD (TXD )43 );4445 endmodule
功能部分写完之后，我们写一个仿真进行逻辑验证，写仿真时，我们按照数据顺序模拟给值，每1bit持续104166ns的时间。代码如下：
1 `timescale 1ns / 1ps2 3 module uart_tb;4 5 reg clk;6 reg rst_n;7 reg RXD;8 wire TXD;9 10 initial begin11 clk = 0;12 rst_n = 0;13 RXD = 1;14 #105;15 rst_n = 1;16 17 #1000;18 RXD = 0;19 #104166;20 21 RXD = 1;22 #104166;23 RXD = 0;24 #104166;25 RXD = 1;26 #104166;27 RXD = 0;28 #104166;29 RXD = 1;30 #104166;31 RXD = 0;32 #104166;33 RXD = 0;34 #104166;35 RXD = 1;36 #104166;37 38 RXD = 1;39 #104166;40 41 #5000;42 $stop;43 end44 45 always #10 clk = ~clk;46 47 uart uart_inst(48 49 .clk (clk ),50 .rst_n (rst_n ),51 .RXD (RXD ),52 .TXD (TXD )53 );54 55 endmodule
打开仿真波形：
如图，我们可以看到，当我们的接收模块接收到数据时，会将数据写入FIFO，FIFO中有数据时，发送模块就会将数据读出并发送，仿真现象正确。
下板现象：
我们随便写入几个数据，会发现我们的发送模块和接收模块的数据完全一致，即接收和发送正常。
审核编辑：刘清