协议基础

1、UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。典型的串口通信使用3根线完成，分别是：发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND），通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信，如下图所示：

2、UART特性

UART 接口不使用时钟信号来同步发送器和接收器设备，而是以异步方式传输数据。发送器根据其时钟信号生成的位流取代了时钟信号，接收器使用其内部时钟信号对输入数据进行采样。
同步点是通过两个设备的相同波特率（UART和大多数串行通信一样，发送和接收设备需要将波特率（波特率是指信息传输到信道的速率）设置为相同的值。对于串行端口，设定的波特率将用作每秒传输的最大位数）来管理的。

如果波特率不同，发送和接收数据的时序可能会受影响，导致数据处理过程出现不一致。允许的波特率差异最大值为10%，超过此值，位的时序就会脱节。

下总结了关于UART必须了解的几点：

• 导线数量 3根（TX、RX和GND）
• 速度 1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等
• 传输方式 全双工异步
• 最大主机数量 1
• 最大从机数量 1

3、UART协议帧

在 UART中，传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

3.1、起始位

当不传输数据时， UART 数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART 会将传输线从高电平拉到低电平并保持1 个时钟周期。

当接收 UART 检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

3.2、数据位

数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9 位。

在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。

3.3、奇偶校验位

奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收 UART判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。

校验位可以配置成 1 位偶校验或 1 位奇校验或无校验位。

接收UART 读取数据帧后，将统计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0 （偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为 1 （奇数奇偶校验），则数据帧中的1 或逻辑高位总计应为奇数。

当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0 ，而总和为奇数，或者奇偶校验位为 1 ，而总和为偶数，则UART 认为数据帧中的位已改变。

3.4、停止位

为了表示数据包结束，发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1 到 2 位时间。

4、UART通信步骤

第1步：数据从数据总线到发送器。

第2步：发送 UART 将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。

第3步：从起始位到结束位，整个数据包以串行方式从发送器送至接收 器 。
接收 UART 以预配置的波特率对数据线进行采样。

第4步：接收 器 丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。

第5步：接收 器 将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线。

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最详细的UART通讯协议分析

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Verilog代码实现

通过RS232总线实现PC端和FPGA端数据组的通信，为了防止误操作或者干扰导致的通信错误，在实现PC机和FPGA端通信中加入相应的帧协议。只有在接收端收到正确的镇协议时，才会对发送来的数据进行解析处理。

在该镇协议中已经确定了相应的指令，可以通过PC端发送相应的指令来控制FPGA端处理相应的数据，比如可以在PC端发送写入数据的功能，当帧解析模块接收到对应的指令后，则会将帧协议内的数据写入到对应的存储区域。

代码链接：https://github.com/chinkwo/uart_frame

UART接口模块驱动

ESP8266 UART接口的WIFI模块驱动

代码链接：https://github.com/qiangnubing/ESP8266