UART学习之路基本时序介绍

Posted 2021-01-11 jaso0ns-blogs

这次我们来介绍一下UART的基本时序，了解一下底层信号怎么传送的。方便以后使用Verilog HDL实现收发逻辑。

9600bit/s 的意思是每秒发送9600bit，因此可以理解为将1s分解为9600等分，对于发送端来说，每bit电平的维持时间是1/9600s，对于接收端来说，在1/9600s内要完成数据的采样。因此对于不同时间源的设备，如何实现这个发送“节拍”以及设置接收采样频率非常重要，即主从设备对各自主时钟（SCLK）的分频非常重要。

UART的基本时序：

发送端

接收端

UART的每一帧数据一般有10位分别为初始位，8位数据和结束位。对于发送端，将待发送的数据存入发送寄存器，产生起始位即将电平拉低，随后每1/9600s将寄存器中的数据一位一位的发送出去。当数据发送完毕后，将电平拉高等待下一次的发送。对于接收端来说首先要检测是否有数据来，采用下降沿检测的方式来检测起始位。对于数据位的采样，选取数据位的中点位置的电平作为采样数据，中点位置的电平较为稳定。设采样间隔为N，当采样8N后，就可以停止采样了。

采样时钟的如何获取，其实是通过设备的主时钟分频得到的。取16x或者64x倍的波特率时钟作为采用时钟是实践总结出来的，主要是为了无失真的获取数据，同时也为了方便编程。下面举个例子：

主时钟为SCLK = 40Mhz，波特率为9600，则采用频率fs = 16*9600 = 153600。Tsclk = 25ns，Ts = 1/fs = 6510.4167ns，N = Ts / Tsclk = 260.4167。也就是说在每个Ts下有260个Tsclk，以上升沿作为计数标准的话，数130下就为一个Ts，即每数130个Ts的上升沿，采样时钟的电平就翻转一次。采用这种方式就可以得到采样时钟了。对于采样间隔N的计算，每个bit电平的维持时间是Tbit = 16 * Ts = 104166.667ns = 16Ts。bit0采样的是下降沿检测，等待16Ts后，进入bit1的电平时间，在中点采样。因此第一个采样点的时间是（16+8）Ts  = 24Ts，以此类推后面的采样点分别为：40，56，72，88，104，120，136，152。

对于发送端，只需要根据波特率对SCLK进行不同的分频就好了。现总结分频如下：

波特率	T	计数上限	FPGA50Mhz频率下的计数值;Tsclk =1 / 50Mhz = 20ns
9600	104166.667	T/Tsclk	5208-1
19200	52083.333	T/Tsclk	2604-1
38400	26041.667	T/Tsclk	1302-1
57600	17361.111	T/Tsclk	868-1
115200	8680.556	T/Tsclk	434-1