1. UART协议基础：串行通信与并行通信的区别、UART帧格式、波特率的概念与计算
大家好，我是你们的FPGA讲师。今天咱们来聊聊UART——这个在嵌入式世界里几乎无处不在的通信协议。
说实话，我刚开始接触FPGA那会儿，第一个调通的通信接口就是UART。那时候看着示波器上跳动的波形，心里还挺激动的。UART看起来简单，但它是理解串行通信最好的切入点。
1.1 串行通信 vs 并行通信
先问大家一个问题：你要把8位数据从A点传到B点，怎么传？
两种思路：
- 并行通信：拉8根线，一次把8位全传过去。快不快？快。但代价呢？线多、占引脚、抗干扰差。
- 串行通信：只拉1根线，一位一位地传。慢是慢了点，但省线、省引脚、成本低。
我在一个项目中用过并行总线连接两块FPGA，结果布线布得我头皮发麻。后来换成串行方案，板子清爽多了。你想想看，如果每个外设都用并行，那FPGA的引脚再多也不够用。
串行通信的核心思想就一句话：用时间换空间。慢一点，但省资源。
串行通信 vs 并行通信 对比
| 对比项 | 串行通信 | 并行通信 |
|---|---|---|
| 传输线数量 | 1~2根 | 8根以上 |
| 传输速度 | 相对较慢 | 相对较快 |
| 抗干扰能力 | 强 | 弱（线间串扰） |
| 引脚占用 | 少 | 多 |
| 典型应用 | UART、SPI、I2C | 并口、DDR内存 |
UART属于异步串行通信。什么叫异步？就是收发双方没有单独的时钟线。那怎么对齐数据？靠约定好的波特率。
1.2 UART帧格式
UART的一帧数据长什么样？我画个图给你看。
UART的一帧包含这几个部分：
- 起始位：1位，固定为低电平。告诉接收方“注意，数据来了”。
- 数据位：5~8位，常见的是8位。先传低位（LSB），再传高位（MSB）。
- 校验位：可选。奇校验、偶校验，或者不要。
- 停止位：1位或2位，固定为高电平。给接收方一点时间处理。
我个人习惯用8位数据、无校验、1位停止位，也就是常说的8N1。简单可靠，大部分场景都够用。
小提示：我曾经在一个项目中遇到通信偶尔出错的问题，查了半天发现是校验位配置错了。发送端配了偶校验，接收端配了奇校验，两边对不上。所以配置UART时，收发双方的帧格式必须完全一致，一个字都不能差。
1.3 波特率的概念与计算
波特率，说白了就是每秒传多少位。单位是bps（bits per second）。
比如9600波特率，意思就是每秒传9600位。那传一个字节需要多久？
算一下：一帧数据 = 1起始 + 8数据 + 0校验 + 1停止 = 10位。所以传一个字节需要 10 / 9600 ≈ 1.04ms。
常见的波特率有：
| 波特率（bps） | 每位时间（μs） | 传1字节时间（ms） |
|---|---|---|
| 9600 | 104.2 | 1.04 |
| 19200 | 52.1 | 0.52 |
| 38400 | 26.0 | 0.26 |
| 115200 | 8.68 | 0.087 |
| 921600 | 1.09 | 0.011 |
在FPGA里实现UART，核心就是用一个计数器来产生波特率时钟。比如系统时钟是50MHz，要产生9600波特率，那计数器要数多少？
// 波特率计算示例
// 系统时钟: 50MHz = 50,000,000 Hz
// 目标波特率: 9600 bps
// 每位需要的时钟周期数 = 50,000,000 / 9600 ≈ 5208
// 所以计数器从0数到5207，翻转一次，就得到了9600波特率的时钟
// 注意：实际中常用16倍过采样，即每位采样16次
// 过采样计数器 = 50,000,000 / (9600 * 16) ≈ 325注意：波特率不是越高越好。我曾经在一个长距离通信项目里把波特率设到921600，结果数据全是错的。为什么？因为线太长，信号衰减严重。后来降到38400，稳得很。所以选波特率要看你的传输距离和线缆质量。
还有一个容易踩的坑：FPGA的时钟频率和波特率要能整除。如果除不尽，就会产生累积误差。比如50MHz时钟产生115200波特率，50,000,000 / 115200 ≈ 434.03，不是整数。这个0.03的误差累积多了，接收端就会采样错位。
我一般怎么处理？要么选一个能整除的波特率，要么用PLL把时钟调整一下。实在不行，就用16倍过采样，误差容忍度会大一些。
1.4 本章小结
UART协议看起来简单，但它是串行通信的基石。记住三点：
- 串行通信省引脚，并行通信快——看场景选
- UART帧格式：起始位 + 数据位 + 校验位 + 停止位，收发必须一致
- 波特率决定了通信速度，选型时要考虑误差和传输距离
下一章我们会在FPGA里把UART的发送模块写出来，到时候你会看到这些理论知识是怎么变成代码的。