深入浅出理解UART协议
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
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
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
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
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。
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。
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)。
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
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。
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）
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。
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。
而对于IC设计工程师来说，则需要考虑使用硬件描述语言将嵌入式开发中所需要使用到的如波特率，数据位数，奇偶校验，采样频率，等一一使用Verilog语言进行翻译，并留出可配置的寄存器，来打通软硬件之间的界限，因为作者对于IC设计更为了解，所以本文的更多的从IC设计的角度来进行思考
接下来的文章，我们将从零开始使用Verilog设计一个UART出来，并进行不那么充分的验证工作，其中UART具体满足的参数如下
详情可参见- 【数字IC】从零开始的Verilog UART设计
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