UART（UniversalAnynchrONousReceiverTransmitter，通用異步接收發送器）是廣泛應用的串行數據傳輸協議之一，其應用范圍遍及計算機外設、工控自動化等場合。雖然USB傳輸協議比UART協議有更高的性能，但電路復雜開發難度大，并且大多數的微處理器只集成了UART，因此UART仍然是目前數字系統之間進行串行通信的主要協議。

隨著FPGA的廣泛應用，經常需要FPGA與其他數字系統進行串行通信，專用的UART集成電路如8250，8251等是比較復雜的，因為專用的UART集成電路既要考慮異步的收發功能，又要兼容RS232接口設計，在實際應用中，往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費和成本提高。可以將所需要的UART功能集成到FPGA內部，實現FPGA與其他數字系統的直接通信，從而簡化了整個系統電路，提高了可靠性、穩定性和靈活性。

1 UART簡介

基本的UART通信只需要兩條信號線（RXD，TXD）就可以完成數據的相互通信，接收與發送是全雙工形式，其中TXD是UART發送端，RXD是UART接收端。UART基本特點是：在信號線上有兩種狀態，可分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來區分。在發送器空閑時，數據線應保持在邏輯高電平狀態。發送器是通過發送起始比特而開始一個字符傳送，起始比特使數據線處于邏輯0狀態，提示接收器數據傳輸即將開始。數據位一般為8位一個字節的數（也有6位7位的情況），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。校驗位一般用來判斷接收的數據位有無錯誤，一般是奇偶校驗。停止位在最后，用以標志UART一個字符傳送的結束，它對應于邏輯1狀態，UART數據幀格式。

2 UART功能實現

UART可以分解為3個子模塊：波特率發生器模塊；發送模塊；接收模塊。UART的功能主要由VHDL硬件描述語言編程，是編譯后生成的圖元SCI，它包括了UART的最主要的部分，即發送模塊和接收模塊。SCI的外部口線可分為3類：

一是與數字系統的接口，包括數據DATA［7.0］，片選CS，讀寫RD、WR，狀態RDFULL、TDEMPTY.這部分接口完成的功能是將待發送的數據寫入SCI或從SCI讀出已接收到的數據。

二是串行通信接口2條線RXD、TXD，其中RXD是接收數據線、TXD是發送數據線，因此，SCI實現的是全雙工通信的設計。

三是系統控制線RESET、CLK，RESET為模塊復位輸入，CLK為模塊時鐘輸入，通信的波特率由CLK來決定（實際的波特率是CLK/4）。

UART的圖元模塊結構

RDFULL、TDEMPTY為兩個狀態標志位，RDFULL為輸入寄存器滿標志，高電平表示已經接收到一個有效數據并存儲到輸入數據寄存器中，當CS、RD有效將數據讀出后變為低電平無效。

TDEMPTY為輸出寄存器空標志，高電平表示由CS、WR有效寫入到輸出寄存器的數據已經發送完畢，可以向輸出寄存器寫入另外待發送的數據，低電平時表示數據目前正在發送中。

2.1 發送模塊設計

發送模塊由發送控制進程、寫數據進程、并/串轉換進程、狀態操作進程等進程構成。其中，最主要的是發送控制進程，在發送控制進程中聲明了一個6比特的變量scit_v，由它的取值（狀態機）狀態來控制整個發送過程。scit_v被分為高四位的sh_t和低兩位的sl_，tscit_v在系統復位后被賦初值28（011100B），每來一個時鐘scit_v增量，每來四個時鐘sh_t增量，當sh_t為0111B時發送起始位，sh_t為1000~1111B時發送8比特的數據。下面給出的是發送控制進程和發送接收數據進程的原代碼：

-----數據發送控制進程-----

PROCESS（clk，reset）

variablescit_v:integerrange0to63;

variablescit_s:STd_LOGIC_vector（tdownto0）；

BEGIN

IF（reset=0‘）’THEN

scit_v：=0;--“000000”

ELSIF（clkE‘VENTANDclk=1’）‘THEN

IF（scit_v