UART通信协议详解：VHDL实现的异步收发模块

"本文将深入探讨UART（通用异步收发传输器）的理论设计与VHDL实现，包括分频器、发送和接收模块。UART是一种串行通信协议，常用于与RS-232标准配合，而在FPGA板上通常需要通过电平转换电路来适配不同的电压。UART包含发送器和接收器两部分，发送器将并行数据转化为串行数据发送，接收器则将串行数据恢复为并行数据。在UART的通信中，数据线在空闲时为'1'状态。UART的规格定义了起始位（一个'0'），接着是若干数据位（通常为6、7或8位），可选的奇偶校验位，以及1到2个停止位。在串行通信中，没有时钟信号的传输，因此需要发送方和接收方有相同的波特率设置。" 在设计UART的硬件实现时，VHDL作为一种强大的硬件描述语言，被广泛用于描述和实现数字逻辑系统。首先，我们需要设计一个分频器模块，用于生成UART通信所需的波特率。分频器通常是通过计数器和比较器实现的，它将系统时钟频率分频，生成符合UART协议要求的数据传输速率。VHDL代码中，可以定义一个计数器，并在达到特定计数值时触发数据传输，以此控制串行数据的发送速率。 接下来是发送模块的设计。发送模块接收到并行数据后，将其按位移出，同时根据UART协议添加起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位。在VHDL中，可以使用移位寄存器和控制逻辑来实现这个过程。当发送数据时，控制逻辑会监控数据线，确保在正确的时间点发送每一位。 接收模块则负责接收串行数据流，并将其还原为并行数据。这个过程同样需要VHDL中的移位寄存器，配合同步逻辑来检测起始位和停止位，以确定数据的边界。接收模块还需要能够检测和处理奇偶校验位，以确保数据的完整性。 在实现UART时，由于串行通信中没有时钟信号，因此必须确保发送方和接收方的波特率匹配。这通常通过预计算和配置分频器实现。此外，为了适应不同的数据格式（如6、7或8位数据位），发送和接收模块都需要具有足够的灵活性，能够根据需要调整其操作。 UART通信的VHDL实现涉及了分频器、发送和接收模块的设计，每个模块都需要精确的时序控制和数据处理功能。通过VHDL，我们可以详细地描述这些逻辑，然后在FPGA或ASIC等硬件平台上实现，以完成有效的串行通信。