三大低速总线之一：UART

三大低速总线之一：UART

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前言

三大低速总线：UART、IIC、SPI，其中IIC和SPI是同步通讯，UART是异步的。

优点：
简单：tx和rx都是一根线，使用简单的帧结构传输。 UART通信协议相对简单，易于实现和调试。
适用性广泛：UART被广泛应用于各种设备之间的通信，具有较好的兼容性。
距离：UART通信距离较远，适用于需要长距离传输的场景。
缺点：

速度较低：UART通信速度相对较低，不适用于对速度要求较高的应用。
双工：UART通信是双工的，可以进行低速双工传输数据，进行数据的发送和接收。
不可靠：由于UART是异步通信，可能会受到噪声和干扰的影响，导致数据传输不可靠。

为我们的项目选择合适的协议：

通信速度：SPI 提供高速度，UART 提供高灵活性，I2C 适用于速度要求较低，接线简单的配置。
电路设计：I2C 可实现多个设备的高效空间管理，SPI 可实现大型设计中的性能，而 UART 可实现简单性和多功能性。
距离和通信环境：UART 在长距离上具有稳定性，而 I2C 更适合短距离。
双工要求：SPI 和 UART 提供全双工功能，而 I2C 仅限于半双工。

小结：

• 使用帧传输，没有时钟的适合长距离，比如UART（如果是差分就更好了），但是帧传输会有冗余信息，传输相对较慢（但这个只针对一般接口，对于高速IO接口的工作频率会很高就不存在这个问题）
• 带有随路时钟的，因为可能存在各种干扰，对时钟不友好，不适合长距离。
• 使用哪种协议也要看使用的io资源，spi协议使用的端口就比较多，但是速度快
  应用案例：
  应用案例：
  uart:
  微控制器和外设之间的连接：用于简单直接的数据交换。
  GPS 模块和与计算机的串行接口：用于可靠、低复杂性的通信。
  工业机器：UART 通常用于工业设备中以实现稳定的通信。
  使用 RS 标准（例如 RS-232、RS-485）：这些标准支持更长距离的 UART 通信，并提供使用适当的收发器创建多从属网络的可能性，从而增加 UART 应用的灵活性和广度。
  微控制器和外设之间的连接：用于简单直接的数据交换。
  GPS 模块和与计算机的串行接口：用于可靠、低复杂性的通信。
  工业机器：UART 通常用于工业设备中以实现稳定的通信。
  使用 RS 标准（例如 RS-232、RS-485）：这些标准支持更长距离的 UART 通信，并提供使用适当的收发器创建多从属网络的可能性，从而增加 UART 应用的灵活性和广度。
  spi:
  SPI 非常适合需要快速可靠的数据传输的情况，例如 TFT 显示器、SD 存储卡和无线通信模块。然而，在具有许多从站的复杂系统中，其有效性会降低。
  IIC:
  就其应用而言，连接方面，I2C在需要简单且经济的通信环境中表现出色。它尤其擅长在小型传感器、LCD 屏幕和 RTC（实时时钟）模块中使用。此外，I2C 由于其在紧凑电路中的效率，在温度控制设备、电池管理系统和 LED 控制器中很有用。但是，在需要快速或长距离数据传输的项目中，最好选择其他协议

一、UART协议

特点：

• 低速协议
• rx 和 tx两根线
  帧结构
  

二、设计

1.整体说明

整体框图

模块说明

2.rx波形设计

TX波形设计

三 程序实现

RX设计思想：根据上面时序图的端口顺序

1. 同步
2. 帧起始位判断（边沿检测，并用中间控制信号en代替flag,只检测一次）
3. 帧比特率计数（其他的都是依靠这个衍生的）
4. bit标志位
5. bit_cnt
6. 每bit的数据接受输出
7. 稳定数据输出（不输出正在接受变化的数据，而是接受完毕后，在用数据接受完毕的flag来输出最后的数据）
8. 稳定数据flag输出（需要延迟一拍rx_flag）

需要注意的点有下面几个：

同步的时候需要两拍，但是用这两拍判断帧的沿是不稳定的，需要用第二排和第三拍的输出
数据采样的时候依靠flag，但是flag为高的时候，采的数据是flag变化之前的（是起始位），即实际上是从1bit开始采样，采样到8的时候，有效数据采集完毕，起始和结束是没有采样的
变化的数据不能传递给下一个模块，要稳定的时候去传递，因此rx_data，只是中间数据，po_data才是最后的数据，同时po_plag也要同步域po_data(相对于rx_flag沿延迟一拍)

`timescale  1ns/1ns

module  uart_rx
#(
    parameter   UART_BPS    =   'd9600,         //串口波特率
    parameter   CLK_FREQ    =   'd50_000_000    //时钟频率
)
(
    input   wire            sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
    input   wire            sys_rst_n   ,   //全局复位
    input   wire            rx          ,   //串口接收数据

    output  reg     [7:0]   po_data     ,   //串转并后的8bit数据
    output  reg             po_flag         //串转并后的数据有效标志信号
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//localparam    define
localparam  BAUD_CNT_MAX    =   CLK_FREQ/UART_BPS   ;

//reg   define
reg         rx_reg1     ;
reg         rx_reg2     ;
reg         rx_reg3     ;
reg         start_nedge ;
reg         work_en     ;
reg [12:0]  baud_cnt    ;
reg         bit_flag    ;
reg [3:0]   bit_cnt     ;
reg [7:0]   rx_data     ;
reg         rx_flag     ;

//********************************************************************