1、什么是串口（UART）？
串口作为常用的三大低速总线（UART、SPI、IIC）之一，在设计众多通信接口和调试时占有重要地位。
串口（UART）全称通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，主要用于数据间的串行传递，是一种全双工传输模式。
它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。
“异步”两个字即意味着在数据传递的两个模块之间使用的不是同步时钟。
实际上在异步串口的传输中是不需要时钟的，而是通过特定的时序来标志传输的开始（起始位–由高到低）和结束（结束位，拉高）。
2、串口的组成
2.1、串口的物理层
UART 通信只有两根信号线，一根是发送数据端口线叫 tx（Transmitter），一根是接收数据端口线叫 rx（Receiver）
如图所示，对于 PC 来说它的 tx 要和对于 FPGA来说的 rx 连接，同样 PC 的 rx 要和 FPGA 的 tx 连接，如果是两个 tx 或者两个 rx 连接那数据就不能正常被发送出去和接收到。
信号的传输由外部驱动电路实现。电信号的传输过程有着不同的电平标准和接口规范，针对异步串行通信的接口标准有RS232、RS422、RS485等.
它们定义了接口不同的电气特性，如RS-232是单端输入输 出，而RS-422/485为差分输入输出等。
传输距离较短时（不超过15m），RS232是串行通信最常用的接口标准。RS-232标准的串口最常见的接口类型为DB9，样式如图所示，工业控制领域中用到的工控机一般都配备多个串口，很多老式台式机也都配有串口。
但是笔记本电脑以及较新一点 的台式机都没有串口，它们一般通过USB转串口线来实现与外部设备的串口通信。
DB9接口定义以及各引脚功能说明如图所示，我们一般只用到其中的2（RXD）、3 （TXD）、5（GND）引脚，其他引脚在普通串口模式下一般不使用：
2.2、UART协议
UART 在发送或接收过程中的一帧数据由4部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图所示。
其中，起始位标志着一帧数据的开始，停止位标志着一帧数据的结束，数据位是一帧数据中的有效数据。
校验位分为奇校验和偶校验，用于检验数据在传输过程中是否出错。
奇校验时，发送方应使数据位中1的个数与校验位中1的个数之和为奇数；接收方在接收数据时， 对1的个数进行检查.
若不为奇数，则说明数据在传输过程中出了差错。同样，偶校验则检查1的个数是否为偶数。关于奇偶校验可参考：Verilgo实现的FPGA奇偶校验
UART通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的，为了正确的通信，收发双方应约定并遵循同样的设置。
数据位可选择为5、6、7、8位，其中8位数据位是最常用的，在实际应用中一般都选择8位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或者无校验位；停止位可选择1位（默认）， 1.5或2位。
串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是bps（位 /秒），常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。
如波特率9600则代表每秒传输9600bit数据，以串口发送1个字节10bit算（起始位1bit+数据8bit+停止位1bit+NO校验位），则传输1个字节需要的时间是1*10/9600秒。
3、串口发送模块
3.1、接口定义与整体设计
发送模块整体框图、输入输出信号如下所示：
其中信号端口如下：
需要说明的是，uart_tx_data为需要发送的一个字节的数据，uart_tx_en为发送使能位，当其拉高，则代表此时通过串口发送数据线发送数据uart_tx_data。
3.2、设计思路
该模块支持任意波特率（理论上）的发送，但需要在使用该模块时使用参数将其例化，数据位8位，起始位和停止位各1位，无奇偶校验
当使能信号有效后拉高发送标志信号，标志模块进入发送过程；当发送完10个bit后，拉低发送标志信号，标志发送过程结束。使能信号有效时将要发送的数据寄存。
假设波特率为9600，则发送一个bit的时间为1s/9600，一个数据的传输共10bit(数据位8位，起始位和停止位各1位)，则共需要1s/9600；
假设系统时钟为50MHz（参数化以便适应不同的系统频率），则其周期为20ns，那么发送一个bit所需要的系统周期数为（1s/9600）/ 20ns ≈ 5208（个）。
在发送过程中使用一个计数器计数，计数区间为（0~5208-1），这样的区间一共10个（一个字节需要发送10个bit）；
此外还需一个计数器对发送的bit数计数（每当上一个计数器计数到5207则表示发送完了一个bit），计数区间（0~9）
在发送过程，根据计数器的值（发送bit计数器），对发送数据线进行操作。
若发送bit计数器 = 0，则代表此时需要发送起始位；
若发送bit计数器 = 1，则代表此时需要发送发送数据的最低位LSB（数据的发送总是低位在前，高位在后）；
······
若发送bit计数器 = 8，则代表此时需要发送发送数据的最高位MSB；
若发送bit计数器 = 9，则代表此时需要发送停止位；
发送数据线在不处于发送状态时需拉高，以满足UART时序的空闲状态
3.3、Verilg代码
根据上述设计思路，部分发送模块代码如下：
3.4、Testbench
Testbench的设计如下：
设定波特率230400（这样的目的是为了更方便的观察发送使能信号uart_tx_en，节约时间）
3000ns后，拉高发送使能信号uart_tx_en一个周期，同时生成1个8bit的随机数据给uart_tx_data作为要发送的数据
观察UART上TX线的时序是否满足要求
3.5、仿真结果分析
仿真结果如下图（注释很详细）：
下图中可以看到发送模块发送了1个数据8’h24，一段时间后发送结束，并无法直接观察发送线TX上的时序。
整体仿真时序
下图中可以看到发送模块发送了1个数据8’h24，一段时间后发送结束，且可以看到发送线TX在以符合UART时序的方式发送数据00100100（低位在前、高位在后），即8’h24。
单次发送时序
可以看到仿真结果是符合预期设计要求的。
3.6、上板实测
至此已经顺利完成了发送模块的仿真验证，接下来使用一块Altera Cyclone IV E的开发板上板实测。
编写一个发送模块测试模块，该模块调用串口发送模块，并按一定间隔（默认1s）拉高发送使能信号和生成发送数据，发送数据从0x01开始累加1，直到0xFF（溢出到0x00）。
同时在电脑上使用串口调试软件接收发送过来的数据。根据串口调试软件接收到的数据判断串口发送模块是否能成功工作。
发送模块验证模块代码如下：
串口调试软件结果如下：
依次接收到了数据01、02、03······。说明我们的发送模块工作正常。
4、串口接收模块
4.1、接口定义与整体设计
接收模块整体框图、输入输出信号如下所示：
其中信号描述如下：
需要说明的是，uart_rx_data为接收的一个字节的数据，uart_rx_done为接收完成标志位，当其拉高，则代表此时接收到的串口数据uart_rx_data有效。
4.2、设计思路
该模块支持任意波特率（理论上）的接收，但需要在使用该模块时使用参数将其例化，数据位8位，起始位和停止位各1位，无奇偶校验
串口的传输是以起始位开始的，而起始位是将数据线拉低 ，所以我们需要捕捉数据线的下降沿，将接收数据线打拍3次，捕捉其下降沿。
当捕捉到接收数据线的下降沿，拉高接收标志信号，标志模块进入接收过程；当接收完10个bit后，拉低接收标志信号，标志接收过程结束
假设波特率为9600，则传输一个bit的时间为1s/9600，一个数据的传输共10bit(数据位8位，起始位和停止位各1位)，则共需要1s/960；
假设系统时钟为50MHz（参数化以便适应不同的系统频率），则其周期为20ns，那么传输一个bit所需要的系统周期数为（1s/960）/ 20ns ≈ 5208（个）。
在接收过程中使用一个计数器计数，计数区间为（0~5208-1），这样的区间一共10个（一个字节需要传输10个bit）；
此外还需一个计数器对接收的bit数计数（每当上一个计数器计数到5207则表示接收完了一个bit），计数区间（0~9）。
在接收过程，根据计数器的值（接收bit计数器），在每个bit计数器的中间接收数据，将其移位寄存（在电平中间数据最稳定）
若接收bit计数器 = 0，则代表是起始位，不需要接收
若接收bit计数器 = 1，则代表此时接收到数据的最低位LSB（数据的传输总是低位在前，高位在后），将其赋值给寄存数据的最低位；
······
若接收bit计数器 = 8，则代表此时接收到数据的最高位MSB，将其赋值给寄存数据的最高位；
若接收bit计数器 = 9，则代表是停止位，不需要接收
4.3、Verilg代码
根据上述设计思路，部分代码如下：
4.4、Testbench
仿真模块的Testbench设计如下：
设定波特率230400（这样的目的是为了更方便的观察发送使能信号uart_tx_en）
定义一个任务task，该任务将输入使用波特率230400一个bit一个bit的输出，模拟上位机发送数据给FPGA
3000ns后，发送第1个随机数据
发送完了第1个随机数据后发送第2个随机数据，一共发送4个随机数据
4.5、仿真结果分析
仿真结果如下图（注释很详细）：
下图中分别发送了4个数据8’h24–8’h81–8’h09–8’h63；接收模块分别接收到了4个数据8’h24–8’h81–8’h09–8’h63。发送、接收数据一致。
接收总体时序
下图是第1次接收数据（8’h24，即00100100）是的时序图。
单个字节接收时序
4.6、上板测试
至此已经顺利完成了接收模块的仿真验证，接下来使用一块Altera Cyclone IV E的开发板上板测试。
首先生成一个IP核–ISSP（In-System Sources and Probes），这个IP核可以提供一个输出用来在线输出，相当于一个简单的信号发生器–Source，此外还可以提供探针Probes来在线监控信号的输出。
在本次设计中，我们使用Probes来观察串口接收数据。ISSP调用如下：
编写一个接收模块验证模块，该模块调用接收模块，ISSP IP核。同时在电脑上使用串口调试软件发送数据，根据接收到的数据判断串口接收模块是否能成功工作。
接收模块验证模块uart_rx_test代码如下：
下载程序后，在Quartus II中打开In-System Sources and Probes Editor，然后使用串口调试软件发送数据0x55–0xaa–0x88(随机选的3个)，观察 In-System Sources and Probes Editor中寄存器的值，分别如下：
5、总结
串口作为一种常用的通信协议与调试手段，请一定要熟练掌握！
基于FPGA的串口实现不难，只要注意根据波特率合理设计计数器即可，在此计数器的调动下可以实现数据的发送与接收。
