UART通信协议及SoC仿真

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UATR，是一种串行、异步、全双工的收发器。全双工的UART支持同时双向通信，是嵌入式系统必不可少的debug接口。

什么是全双工？什么是半双工？

全双工：同一时刻，两个设备都在收发数据，比如SPI。注意QSPI是半双工，因为4根线只能同时收或者发。

半双工：两设备间可以收发数据，但只能收完再发或发完再收。

单工：任何时刻只能进行一个方向的通讯，且固定一方为发送设备，一方为接收设备。

串口通信协议

空闲位：不通信时，TX & RX是逻辑“1”状态，表示当前线路无数据传输。

起始位：发送“0”，表示传输开始。

数据位：起始位之后，数据位的个数可以是5、6、7、8等，一般是8bit，采用ASCII码。从最低位开始传送，根据波特率在数据bit稳定的中间位置采样。

奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数为偶数，则为偶校验，使得“1”的位数为奇数则为奇校验，以次来校验数据传送的正确性。

比如一个 8 位长的有效数据为：10100101，此时总共有 4 个“ 1”，

为达到奇校验效果，校验位应为“ 1”，即有效数据和校验位中“ 1”的个数为奇数。

为达到偶校验效果，校验位应为“ 0”，即有效数据和校验位中“ 1”的个数为偶数。

注意，UART校验方法有：奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、0校验(mark)、无校验(noparity)，为了提高实际带宽，一般可省去校验位，即选择无校验，思考下为什么？

0 校验是不管有效数据是什么，校验位固定为“ 0”。1 校验是校验位固定为“ 1”。

无校验就是数据包中不包含校验位。

停止位：一个字符数据传输的结束标志，可以是1位、1.5位、2位的高电平。停止位不仅表示传输的结束，并且可提供校正时钟同步。停止位的位数越多，时钟容忍程度越大，但有效带宽就越小。

波特率

数据传输速率使用波特率来表示。单位bps（bits per second），常见的波特率9600bps、19200bps、115200bps等，如果串口波特率设置为9600bps，那么传输1bit数据需要的时间是1/9600≈104.2us。

带上校验位，传送一个字符数据实际是11个比特（1bit开始位、8bit数据位、1bit校验位、1bit停止位），有效的传输速率实际为9600*8/11= 6982bps。

不带校验位，传送一个字符数据实际是10个比特（1bit开始位、8bit数据位、1bit停止位），有效的传输速率实际为9600*8/10=7680bps。

这就是为何不传校验位，可以提高一点带宽，也就是所谓的开销。

以小编设计的RISC-V SoC为例，仿真UART：

写个简单的测试程序：

配置波特率115200bps：

观察到1bit的传输时间为8.8us，1s/115200bps=8.68us, 基本符合预期。

仿真打印效果：