FPGA基础 -- 通信协议 --- 了解UART以及电脑串口环境准备

本节文章主打用Altera FPGA 的开发工具 Quratus 以及开发板 EP4CE6F17C8完成rs232的串口回环实验（加FIFO）。

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前言

接下来咱们学习基础低速通信协议之一：UART。完成串口回环实验，并且封装uart的自用IP核。内容分三章发布。主打学习协议以及熟悉IP核的封装流程。
串口回环实验：将数据通过上位机（电脑）发送到FPGA芯片上然后由芯片传回上位机的串口助手中。
UART IP核：封装IP核，以后不用再编写冗长的代码，直接调用IP核就能实现串口通信。今后一些工程也会使用到哦，毕竟作者比较懒，懒得动脑子改写了很久的代码( -_-')（除非文章里的一些代码出错，记得出错了抓紧联系我，我会快速改好，不过应该也没啥错误，都是我重复检查好几遍的）。

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一、UART协议

1、通信

（1）串行通信和并行通信

在硬件通信中数据的传递有两种方式，串行和并行。

并行通信是指数据的各个位用多条数据线同时进行传输。
优点：传输速度快。
缺点：占用资源多，传输距离短。

串行通信是指将数据的各个位拆开，一位一位的在一条数据线上进行传输。
优点：传输距离长，通信线路简单，占用的引脚资源少。
缺点：传输速度慢。

（2）同步通信和异步通信

数据传输过程中时钟也会对数据产生一些影响，这就导致出现了两种通信方式：

同步通信：带有时钟同步信号的数据传输。发送方和接收方在同一时钟的控制下，同步传输数据。

异步通信：不带时钟同步信号的数据传输。通信双方在各自的时钟控制下进行数据的收发。

（3）串行通信的数据传输方向

在通信中有发送方和接收方，数据在通信双方传递中也有方向可言：

单工：数据只能沿一个方向传输。

半双工：数据的传输有两个方向，但是需要分时进行。

全双工：数据可以同时进行双向传输。

（4）常见协议通信方式

总结一下常见协议的通信方式，这些挺重要的基础要记住。

2、UART

前边写了这么多主要是让小白了解一下通信的概念，接下来进入正题。

（1）概念

UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）是一种采用异步串行通信方式进行数据传输的通用异步收发传输器。它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来发送（并转串），接收数据时将接收到的串行数据转换为并行数据（串转并）。

UART的三种接口标准，本文章使用的是rs232。3线是指还有接地线。

（2）特点

由于UART是异步通信接口，接收方发送方都有各自的时钟，在数据传输中不需要时钟，发送方发送数据的时间间隔可以不均匀，接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现数据同步的。

UART实现通信的条件是需要两根信号线来实现。一根用于发送（TX），另一根用于接收（RX）。
观察上图，对于上位机来说，它的TX端要和FPGA芯片的RX端连接，同样，芯片的TX端要和上位机的RX端连接。如果两个TX或者两个RX相连接，数据就不会正常的发送和接收。UART可以实现全双工。

UART传输速率低（以波特率为传输速率），传输距离短，通过奇偶校验位对数据进行检测，减少数据传输出现错误的概率。

（3）波特率

刚才写了UART的数据传输靠的是波特率。波特率是指单位时间（1S）内传输的码元的个数。单位是波特（Baud）。一般常用的波特率有：9600、19200、38400、115200。双方必须在相同的波特率下传输数据，否则数据就会出错。
波特率需要和比特率进行区别。比特率是指单位时间内传输的bit位数。比特率是从二进制信息的角度来定义的。

（4）协议层

接下来讲一讲UART的数据格式：
一般UART每一帧数据由4个部分组成。

• 起始位（1bit）
• 数据位（5/6/7/8bit）
• 奇偶校验位（1bit）（可有可没有）
• 停止位（1/1.5/2bit）
  

  • 空闲状态：设备之间不传输数据的时候以持续的高电平来表示空闲。空闲时间间隔的越长，两帧数据的帧间隔就越少。

  • 起始位：UART的接收端会一直检测信号线上的电平变化，开始传输数据时，发送端将信号线从高电平拉到低电平结束空闲状态，并保持低电平一个bit位的时长。接收方检测到电平变化时，开始接收信号。

  • 数据位：数据位包含传输的实际数据，数据首先从最低位开始发送，高位在后（LSB）。

  • 奇偶校验位：可要可不要；奇偶校验是一种通信中检验数据传输正确性的方法。通常采用哪种校验方式是收发双方事先约定好的。发送端发送的数据中包括原始数据和1bit校验位。
    若是奇校验则要保证发送的数据中“1”的 bit数是奇数个。
    若是偶校验，则要保证发送的数据中“1”的bit数是偶数个。
    例如:采用奇校验时，若原始数据中“1”的bit数是奇数个，则校验位此时应该为0，若原始数据中1的 bit数是偶数个，则校验位此时应该为1;反之亦然。

  • 停止位：停止位表示一帧数据的结束，实际信号是一段时间的高电平。停止位的时间长短可以设置成1/1.5/2bit。
    因为UART是一个异步协议，每一帧的开头可以用跳变沿来同步，但是停止位只能通过波特率来计算相对位置，如果在停止位的位置识别到一个低电平，则会产生帧错误。在通讯过程中，为了减少波特率的误差导致的问题，可以设置不同的停止位长度来适配。

二、串口环境准备

1.串口软件下载

我比较喜欢用这个串口软件，操作简单而且安装方便。

2.串口驱动下载

有些朋友把板子连接电脑后，可能会在串口软件里显示不出串口。
只需要打开电脑的设备管理器，能看到一个黄色小三角的错误警告，那个就是没有安装驱动的串口，咱们只需要安装合适的驱动就能正常使用了。

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总结

咱们已经学习了UART的基本知识，我可能讲的有些简单，但UART本来就是基础协议，挑重点讲就行。
然后串口软件和驱动我都放进了我的百度网盘“资源”中，大家自行下载，有问题发私信或者加qq，网站不经常看，回复慢。

链接：百度网盘
提取码：yang

下一节文章就是实现串口回环传输数据了，我加油赶进度！！！