第2章：UART协议详解

UART，说白了就是串口通信。我在刚入行那会儿，觉得这玩意儿太简单了，不就是一根线发数据嘛。直到后来做高速通信芯片，才发现UART里藏着不少门道。今天咱们就把它彻底聊透。

2.1 UART帧结构

UART的帧结构，我习惯把它想象成一列火车。每节车厢都有固定位置，少了哪节都不行。

一个标准的UART帧包含以下部分：

• 起始位（Start Bit）：逻辑0，告诉接收方“我要发数据了”
• 数据位（Data Bits）：5~8位，通常是8位
• 校验位（Parity Bit）：可选，奇校验或偶校验
• 停止位（Stop Bit）：逻辑1，表示帧结束

数据位通常LSB在前。举个例子，你要发送0x55（二进制01010101），实际线上先发的是最低位1，然后是0、1、0、1、0、1、0，最后是最高位0。嗯，这个顺序别搞反了。

校验位分三种：

• 无校验：省掉这个位，帧长最短
• 奇校验：数据位+校验位中1的个数为奇数
• 偶校验：数据位+校验位中1的个数为偶数

停止位可以是1位、1.5位或2位。我个人习惯用1位停止位，除非是噪声环境特别恶劣的场景。

2.2 波特率计算

波特率就是每秒传输的符号数。对于UART来说，一个符号就是一个bit，所以波特率就等于比特率。

常见的波特率有：9600、19200、38400、115200。115200是我最常用的，速度够快，稳定性也不错。

波特率怎么算？看这个公式：

波特率 = 系统时钟频率 / (16 × 波特率分频值)

为什么是16？因为UART接收器通常用16倍过采样。也就是说，每个bit采样16次，取中间3次的值做多数判决。这样能有效抗干扰。

举个例子，系统时钟50MHz，目标波特率115200：

分频值 = 50,000,000 / (16 × 115200) ≈ 27.13
取整为27，实际波特率 = 50,000,000 / (16 × 27) ≈ 115,740
误差 = (115,740 - 115,200) / 115,200 ≈ 0.47%

2.3 硬件流控（RTS/CTS）

硬件流控，说白了就是让接收方告诉发送方“我忙，你先别发”。

两个关键信号：

• RTS（Request To Send）：发送方请求发送数据
• CTS（Clear To Send）：接收方允许发送

工作流程是这样的：

1. 发送方拉低RTS，表示“我想发数据”
2. 接收方如果缓冲区有空，就拉低CTS，表示“来吧”
3. 发送方看到CTS为低，开始发送
4. 接收方缓冲区快满时，拉高CTS，发送方停止发送

你想想看，如果没有流控，接收方处理不过来怎么办？只能丢数据。我在做物联网网关时，遇到过CPU中断响应不及时，串口数据被覆盖的情况。加了硬件流控后，问题就解决了。

2.4 Verilog实现简化UART发送模块

下面是我写的一个简化版UART发送模块。去掉了校验位，只保留核心功能，方便你理解。

module uart_tx (
    input  wire       clk,        // 系统时钟
    input  wire       rst_n,      // 复位，低有效
    input  wire       tx_start,   // 发送启动信号
    input  wire [7:0] tx_data,    // 待发送数据
    output reg        tx_busy,    // 发送忙标志
    output reg        txd         // 串行输出
);

    // 参数：波特率分频值
    // 假设50MHz时钟，115200波特率
    // 分频值 = 50M / (16 * 115200) ≈ 27
    parameter BAUD_DIV = 27;

    // 状态定义
    localparam IDLE    = 3'd0;
    localparam START   = 3'd1;
    localparam DATA    = 3'd2;
    localparam STOP    = 3'd3;

    reg [2:0] state;
    reg [3:0] bit_cnt;      // 已发送位数
    reg [7:0] data_reg;     // 数据寄存器
    reg [4:0] clk_cnt;      // 时钟计数器

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            state   <= IDLE;
            txd     <= 1'b1;    // 空闲时高电平
            tx_busy <= 1'b0;
            bit_cnt <= 4'd0;
            clk_cnt <= 5'd0;
        end else begin
            case (state)
                IDLE: begin
                    txd     <= 1'b1;
                    tx_busy <= 1'b0;
                    if (tx_start) begin
                        data_reg <= tx_data;
                        state    <= START;
                        tx_busy  <= 1'b1;
                        clk_cnt  <= 5'd0;
                    end
                end

                START: begin
                    txd <= 1'b0;    // 发送起始位
                    if (clk_cnt == BAUD_DIV - 1) begin
                        clk_cnt <= 5'd0;
                        state   <= DATA;
                        bit_cnt <= 4'd0;
                    end else begin
                        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
                    end
                end

                DATA: begin
                    txd <= data_reg[0];  // LSB先发
                    if (clk_cnt == BAUD_DIV - 1) begin
                        clk_cnt <= 5'd0;
                        data_reg <= {1'b0, data_reg[7:1]};  // 右移
                        if (bit_cnt == 4'd7) begin
                            state <= STOP;
                        end else begin
                            bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;
                        end
                    end else begin
                        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
                    end
                end

                STOP: begin
                    txd <= 1'b1;    // 发送停止位
                    if (clk_cnt == BAUD_DIV - 1) begin
                        clk_cnt <= 5'd0;
                        state   <= IDLE;
                        tx_busy <= 1'b0;
                    end else begin
                        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
                    end
                end

                default: state <= IDLE;
            endcase
        end
    end

endmodule

使用示例：

// 实例化发送模块
uart_tx #(
    .BAUD_DIV(27)   // 115200 @ 50MHz
) u_uart_tx (
    .clk      (clk),
    .rst_n    (rst_n),
    .tx_start (tx_start),
    .tx_data  (tx_data),
    .tx_busy  (tx_busy),
    .txd      (txd)
);

// 发送一个字节
assign tx_data  = 8'h55;
assign tx_start = send_enable;

好了，UART的核心内容就这些。下一章咱们聊SPI协议，那个比UART快多了，但引脚也多。到时候见。