【数字IC】深入浅出理解UART协议

深入浅出理解UART协议

- 一、什么是UART？
- 二、UART的帧格式
- - 2.1 为什么UART的传输需要起始位？
  - 2.2 UART基本的数据形式
  - 2.3 为什么UART的数据位可变？
- 三、UART的波特率
- - 3.1 什么是波特率
  - 3.2 如何换算波特率
  - 3.3 波特率和采样频率是一样的吗？
- 四、UART协议中不同level工程师的不同考量
- - 4.1 嵌入式开发人员
  - 4.2 电路设计人员
  - 4.3 IC设计人员
- 五、写在最后
- 六、其他数字IC基础协议解读
- - 6.1 UART协议
  - 6.2 SPI协议
  - 6.3 I2C协议
  - 6.4 AXI协议

一、什么是UART？

UART的全称是通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
Universal 通用性体现在UART使用范围广上，作为一个通用的接口协议，UART广泛的应用在各类MCU和SOC产品上。
Asynchronous 异步性体现在“不需要额外的时钟线进行数据的同步传输”即只要信号拉低，即可开始传送数据，而另一些通讯协议，需要引入时钟信号来进行操作，如AMBA，需要在时钟的上升沿发送数据
Receiver/Transmitter:收发器则更好理解，即一个数据的发送方和一个数据的接收方，也意味着在数字IC设计中需要分别设计Receiver和Transmitter

二、UART的帧格式

UART的一帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。数据逐位传输，如下图所示
在这里插入图片描述

2.1 为什么UART的传输需要起始位？

因为UART没有控制线，要让接收方知道什么时候开始接收数据，需要一些手段，UART数据的传输中，只有一根线，所以在发送数据之前，先发一位逻辑“0”作为数据发送的起始标志，接收方在空闲时，当检测到有一个低电平，则开始接逐位接收数据。

在具体设计UART的过程中，如何检测低电平，使用到了电平检测电路，可参考作者如下的文章
【数字IC手撕代码】Verilog边沿检测电路(上升沿，下降沿，双边沿)|题目|原理|设计|仿真
很显然这里使用的是下降沿检测电路

2.2 UART基本的数据形式

默认无传输数据时，为高电平
当信号拉低，传输线上的电平拉低，意味着开始进行数据传输
紧接着起始位的是数据位，它可以是5、6、7或8位。
UART的“校验位”紧挨着“数据位”，采用奇偶校验方式，根据设置，校验位可以存在也可以不存在。

奇偶校验如何对应为Verilog设计案例同样可以参考作者之前的文章【数字IC手撕代码】Verilog奇偶校验|题目|原理|设计|仿真

UART将停止位作为停止标志，是在数据位（没有校验位）和校验位（有校验位）之后发送1~2位的逻辑“1”高电平。当发送完停止位之后，UART总线进入空闲。

2.3 为什么UART的数据位可变？

因为UART是一种低速总线，每多发一位都占用不少的时间（由传输波特率决定），所以可以根据传输数据的特点，采用不同位宽以节约数据传输的时间。

三、UART的波特率

如果从更高的level审视UART传输协议，如嵌入式开发者的角度，我们会发现，在使用具体的UART协议前，我们需要对发送端和接收端进行波特率的同步，以此来确保发射端的数据可以在接收端得到正确的采集。常用的波特率可以是300，1200，2400，9600，19200，38400，115200，这些数意味着什么呢？别着急，我们接下来要讨论这个内容。

3.1 什么是波特率

波特率等于每秒钟传输的数据位数，假如我们的全局时钟频率为100MHz，波特率设置为9600，那么意味着每秒该UART传输协议可以传输9600bits的数据，换句话说传输1比特需时间约为：10^9(ns)/9600=104166(ns)。

3.2 如何换算波特率

书接上文，时钟频率假如为100MHz，这意味着我们的时钟周期为10ns，因此10416个时钟周期我们就可以传输1bit数据，换言之我们需要一个大小为10416的分频电路来对100MHz时钟进行处理，因此在设计UART的过程中，我们需要使用分频电路依据波特率处理全局时钟，依据分频后的时钟节奏来发送数据和接收数据。

同样的，参考作者之前的文章，我们可以获知分频电路的设计方法
【数字IC手撕代码】Verilog奇数分频|题目|原理|设计|仿真
【数字IC手撕代码】Verilog偶数分频|题目|原理|设计|仿真
【数字IC手撕代码】Verilog半整数分频|题目|原理|设计|仿真
【数字IC手撕代码】Verilog小数分频|题目|原理|设计|仿真

3.3 波特率和采样频率是一样的吗？

按照前文所说，好像波特率和采样频率是一个意思，即9600波特率对应接收端1s进行9600次采样,也对应发射端1s进行9600bit的发射，那么请读者思考，真的是这样吗？
答案其实是否定的
这是因为：在数据的传输中，信号可能受到一些干扰而产生一些抖动（比如说电磁兼容性设计中的近端串扰），如果接收端只对这些信号进行一次采样，那么它有可能采样到的是不准确的数据，所以接收端在采样时，通常都要采样多次，然后通过处理获得准确的数据，比如说，我们可以用多数表决的方法来在接收端进行多次采样，得到准确值，下图展现了16倍频采样的多数表决电路结构和它的真值表。
在这里插入图片描述

通过对真值表的观察，我们可以发现，使用三个与门与一个与门，我们实现了多数表决的功能，（即有两bit为1即输出为1，两bit为0则输出为0）

四、UART协议中不同level工程师的不同考量

4.1 嵌入式开发人员

对于嵌入式开发人员来说，在库函数包装到位的情况下在使用UART的过程中需要进行如下的设置，通过编程语言设置它的波特率，长度，校验位等特性。
在这里插入图片描述

4.2 电路设计人员

对于电路设计工程师而言，需要考虑UART的电气特性，比如RS232形式的UART协议中**“逻辑“1”为-3V～-15V”，逻辑“0”为+3～＋15V**。首先-15V到15V的电压范围肯定与MCU输出的电压不同，其次RS-232形式的UART与RS-485形式的UART在具体的特性上也存在诸多不同，这里就需要电路层面上的“RS-232电平转换电路”等结构的帮助。