通用異步收發傳輸器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發傳輸器。將數據由串行通信與并行通信間作傳輸轉換，作為并行輸入成為串行輸出的芯片UART是一種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收。

　　1、UART通信協議

　　UART作為異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸。

　　其中每一位（Bit）的意義如下：

　　起始位：先發出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸字符的開始。

　　數據位：緊接著起始位之后。數據位的個數可以是4、5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。

　　奇偶校驗位：數據位加上這一位后，使得“1”的位數應為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），以此來校驗數據傳送的正確性。

　　停止位：它是一個字符數據的結束標志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

　　空閑位：處于邏輯“1”狀態，表示當前線路上沒有數據傳送。UART協議傳輸時序如圖1所示：

　　圖1.UART協議傳輸時序

　　2、UART工作原理

　　發送數據過程：空閑狀態，線路處于高電位；當收到發送數據指令后，拉低線路一個數據位的時間T，接著數據按低位到高位依次發送，數據發送完畢后，接著發送奇偶校驗位和停止位（停止位為高電位），一幀數據發送結束。

　　接收數據過程：空閑狀態，線路處于高電位；當檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變為低電位）時說明線路有數據傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數據，數據接收完畢后，接著接收并比較奇偶校驗位是否正確，如果正確則通知后續設備準備接收數據或存入緩存。

　　由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數據傳輸的正確性，UART采用16倍數據波特率的時鐘進行采樣。每個數據有16個時鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會滑碼或誤碼。一般UART一幀的數據位數為8，這樣即使每個數據有一個時鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數據。

　　UART的接收數據時序為：當檢測到數據的下降沿時，表明線路上有數據進行傳輸，這時計數器CNT開始計數，當計數器為24=16+8時，采樣的值為第0位數據；當計數器的值為40時，采樣的值為第1位數據，依此類推，進行后面6個數據的采樣。如果需要進行奇偶校驗，則當計數器的值為152時，采樣的值即為奇偶位；當計數器的值為168時，采樣的值為“1”表示停止位，一幀數據接收完成。

　　一個標準的10位異步串行通信協議（包含1個起始位、1個停止位和8個數據位）收發時序，如圖2所示

　　圖2.10位標準串行通信協議收發時序圖

　　3、UART波特率發生器

　　波特率是衡量數據傳輸速率的指標，表示每秒傳送數據的字符數，單位為Baud。UART的接收和發送是按照相同的波特率進行收發的。波特率發生器產生的時鐘頻率不是波特率時鐘頻率，而是波特率時鐘頻率的16倍，目的是為在接收時進行精確地采樣，以提取出異步的串行數據。根據給定的晶振時鐘和要求的波特率，可以算出波特率分頻計數值。

　　UART傳輸時序

　　發送數據過程：空閑狀態，線路處于高電位；當收到發送數據指令后，拉低線路一個數據位的時間T，接著數據按低位到高位依次發送，數據發送完畢后，接著發送奇偶校驗位和停止位（停止位為高電位），一幀資料發送結束。

　　接收數據過程：空閑狀態，線路處于高電位；當檢測到線路的下降沿（線路電位由高電位變為低電位）時說明線路有數據傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數據，數據接收完畢后，接著接收并比較奇偶校驗位是否正確，如果正確則通知后續設備準備接收數據或存入緩存。

　　由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時鐘。為了能保證數據傳輸的正確性，UART采用16倍數據波特率的時鐘進行采樣。每個數據有16個時鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會滑碼或誤碼。一般UART一幀的數據位數為8，這樣即使每個數據有一個時鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數據。

　　UART的接收數據時序為：當檢測到數據的下降沿時，表明線路上有數據進行傳輸，這時計數器CNT開始計數，當計數器為24=16+8時，采樣的值為第0位數據；當計數器的值為40時，采樣的值為第1位數據，依此類推，進行后面6個數據的采樣。如果需要進行奇偶校驗，則當計數器的值為152時，采樣的值即為奇偶位；當計數器的值為168時，采樣的值為“1”表示停止位，一幀數據接收完成。本節章將按上面的算法進行Verilog HDL語言建模與仿真。