UART通信協(xié)議及SoC仿真

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UATR，是一種串行、異步、全雙工的收發(fā)器。全雙工的UART支持同時雙向通信，是嵌入式系統(tǒng)必不可少的debug接口。

什么是全雙工？什么是半雙工？

全雙工：同一時刻，兩個設(shè)備都在收發(fā)數(shù)據(jù)，比如SPI。注意QSPI是半雙工，因為4根線只能同時收或者發(fā)。

半雙工：兩設(shè)備間可以收發(fā)數(shù)據(jù)，但只能收完再發(fā)或發(fā)完再收。

單工：任何時刻只能進行一個方向的通訊，且固定一方為發(fā)送設(shè)備，一方為接收設(shè)備。

串口通信協(xié)議

空閑位：不通信時，TX & RX是邏輯“1”狀態(tài)，表示當前線路無數(shù)據(jù)傳輸。

起始位：發(fā)送“0”，表示傳輸開始。

數(shù)據(jù)位：起始位之后，數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5、6、7、8等，一般是8bit，采用ASCII碼。從最低位開始傳送，根據(jù)波特率在數(shù)據(jù)bit穩(wěn)定的中間位置采樣。

奇偶校驗位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)為偶數(shù)，則為偶校驗，使得“1”的位數(shù)為奇數(shù)則為奇校驗，以次來校驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。

比如一個 8 位長的有效數(shù)據(jù)為：10100101，此時總共有 4 個“ 1”，

為達到奇校驗效果，校驗位應(yīng)為“ 1”，即有效數(shù)據(jù)和校驗位中“ 1”的個數(shù)為奇數(shù)。

為達到偶校驗效果，校驗位應(yīng)為“ 0”，即有效數(shù)據(jù)和校驗位中“ 1”的個數(shù)為偶數(shù)。

注意，UART校驗方法有：奇校驗(odd)、偶校驗(even)、0校驗(space)、0校驗(mark)、無校驗(noparity)，為了提高實際帶寬，一般可省去校驗位，即選擇無校驗，思考下為什么？

0 校驗是不管有效數(shù)據(jù)是什么，校驗位固定為“ 0”。1 校驗是校驗位固定為“ 1”。

無校驗就是數(shù)據(jù)包中不包含校驗位。

停止位：一個字符數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束標志，可以是1位、1.5位、2位的高電平。停止位不僅表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且可提供校正時鐘同步。停止位的位數(shù)越多，時鐘容忍程度越大，但有效帶寬就越小。

波特率

數(shù)據(jù)傳輸速率使用波特率來表示。單位bps（bits per second），常見的波特率9600bps、19200bps、115200bps等，如果串口波特率設(shè)置為9600bps，那么傳輸1bit數(shù)據(jù)需要的時間是1/9600≈104.2us。

帶上校驗位，傳送一個字符數(shù)據(jù)實際是11個比特（1bit開始位、8bit數(shù)據(jù)位、1bit校驗位、1bit停止位），有效的傳輸速率實際為9600*8/11= 6982bps。

不帶校驗位，傳送一個字符數(shù)據(jù)實際是10個比特（1bit開始位、8bit數(shù)據(jù)位、1bit停止位），有效的傳輸速率實際為9600*8/10=7680bps。

這就是為何不傳校驗位，可以提高一點帶寬，也就是所謂的開銷。

以小編設(shè)計的RISC-V SoC為例，仿真UART：

寫個簡單的測試程序：

配置波特率115200bps：

觀察到1bit的傳輸時間為8.8us，1s/115200bps=8.68us, 基本符合預期。

仿真打印效果：