通用同步异步收发器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, USART）

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《 KeyStone Architecture Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) User Guide SPRUGP1—November 2010》
IIC、SPI、UART、USART、USB、CAN等通讯协议原理及区别
串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI）
I2C详解（一）
通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）

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1. 功能介绍

USART，如同UART依旧是全双工、串行，与UART不同的是USART具备同步传输模式。其实USART就是在UART基础上加入了同步时钟SCK，就类似于SPI主从之间在同时钟域。

但与SPI也不相同，SPI是只能全双工工作、不可如UART那样半双工工作，这是因为SPI本质是spi master与spi slave之间循环移位寄存器实现数据传输，即发数必收数。而USART则要类似UART那样具备半双工工作模式，即发数和收数完全隔离。

有一种思路就是USART由USART_TX和USART_RX组成，将USART_TX看作是SPI_MASTER、将USART_RX看作是SPI_SLAVE
但USART1与USART2通信的时候只将USART1_TX.sck与USART2_RX.sck、USART1_TX.mosi与USART2_RX.miso相连，而USART1_TX.miso与USART2_RX.mosi断开.
这样就消除了SPI循环移位寄存器导致的不可半双工工作的问题，如下图。

1.1. 低速接口 驱动沿和采样沿

然后这里说一下波特率的问题，既然是可以实现同步传输，那么速度就会有提升，这个没问题。

这里想说的是，但凡是芯片间慢速通信接口，例如UART、SPI、I2C，都有一个特点就是驱动沿与采样沿不同，如下图所示

其中，R = CLK_FREQ/ BAUD_RATE表示每驱动1bit数据花费的clk周期数。

● uart_tx驱动txd 在baud_cnt == R处驱动，但uart_rx采样rxd则是在baud_cnt == R/2处

● spi_master驱动mosi 在sck下降沿处驱动， 但spi_slave采样mosi 则是在 sck上升沿处

● i2c_master驱动sda 在scl低电平中部驱动，但i2c_slave采样sda 则是在scl高电平中部

SPI CPHA模式的意义

那么为什么不像平时设计时，一个模块内信号的采样和驱动在同一边沿呢？这个原因在 串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI）有介绍，其实就是STA问题，

$$T_{setup}^{SI}<T_{SCK}+T_{SCK2SI}-(T_{SCK2MO}+T_{CK2Q}^{MO}+T_{MO2SI})\text{\hspace{1em}(a)}$$

$$T_{hold}^{SI}<T_{SCK2MO}+T_{CK2Q}^{MO}+T_{MO2SI}-T_{SCK2SI}\text{\hspace{1em}(b)}$$

因为$T_{SCK}$比较大，$T_{setup}^{SI}$一般可以满足。但是$T_{hold}^{SI}$则不好说，如果SCK走线时间和MOSI走线时间差距比较大的话，可能会违背。

但如果对MO/CK和SI/CK在SCK不同沿的话，$(b)$式就会在左侧多一个$\frac{1}{2}{T}_{SCK}$，就可以保证。

那么对于USART来说，也可以参照SPI这样的驱动采样双边沿的形式

2. 架构

功能介绍完毕后，给出基于APB协议的USART基本架构，注意APB信号不能直接输入至USART_TX或USART_RX模块内，需要在USART中作调度，如下图所示：

2.1. usart

UART的接受器

Signal	Direction	Width(bits)	Description
prstn_sck	input	1	tx_sck时钟复位信号
pclk	input	1	APB时钟
prstn	input	1	复位信号
paddr	input	PADDR_WIDTH	用于访问usart_tx和usart_rx内部FIFO
pwrite	input	1	1表示写，0表示读
psel	input	1	是否对usart选通
penable	input	1	APB使能
pwdata	input	PDATA_WIDTH	写数据
prdata	input	PDATA_WIDTH	读出的数据
pready	output	1	usart准备标志
rx_sck	input	1	usart_rx波特率时钟
rxd	input	1	usart通信单bit总线
tx_clk	output	1	usart_tx的波特率时钟
txd	output	1	usart通信单bit总线

之后是参数描述

Parameter	Units	Description
BAUD_RATE	bit	设定的波特率
PCLK_FREQ	bit	pclk的时钟频率
PADDR_WIDTH	bit	地址宽度
PDATA_WIDTH	bit	数据宽度
ASYNC_FIFO_DEPTH	bit	USART_TX和USART_RX中异步FIFO深度

2.2. baud_clk_gen

用于产生波特率时钟sck

Signal	Direction	Width(bits)	Description
prstn_sck	input	1	tx_sck的复位信号
pclk	input	1	SPI的用户时钟
tx_sck	output	1	波特率时钟

之后是参数描述

Parameter	Units	Description
BAUD_RATE	bit per second	设定的波特率
PCLK_FREQ	HZ	clk的时钟频率

2.3. usart_rx

USART的接受器

Signal	Direction	Width(bits)	Description
prstn	input	1	复位信号
pclk	input	1	USART_RX的用户时钟
rx_sck	input	1	USART_RX的波特率时钟
rxd	input	1	USART通信单bit总线
fifo_rdata	output	PDATA_WIDTH	USART_RX接受模块数据
fifo_rdata_val	output	1	USART_RX接受模块数据有效
fifo_rd_en	input	1	USART_RX外部模块读请求信号
fifo_empty	output	1	USART_RX中FIFO空标志

之后是参数描述

Parameter	Units	Description
PDATA_WIDTH	bit	UART_RX接受模块数据宽度
ASYNC_FIFO_DEPTH	bit	USART_TX和USART_RX中异步FIFO深度

2.3. usart_tx

Signal	Direction	Width(bits)	Description
prstn	input	1	复位信号
pclk	input	1	USART_TX的用户时钟
tx_sck	input	1	USART_TX的波特率时钟
txd	output	1	USART通信单bit总线
fifo_wdata	input	PDATA_WIDTH	USART_TX发送模块数据
fifo_wdata_val	input	1	USART_TX发送模块数据有效
fifo_full	output	1	USART_TX中FIFO满标志

之后是参数描述

Parameter	Units	Description
PDATA_WIDTH	bit	UART_TX发送模块数据宽度
ASYNC_FIFO_DEPTH	bit	USART_TX和USART_RX中异步FIFO深度

3. 逻辑设计

USART - 逻辑设计部分

4. 测试

选择参数为

parameter BAUD_RATE 		= 10000000;					
parameter PCLK_FREQ 		= 50000000;					
parameter PADDR_WIDTH 		= 1;
parameter PDATA_WIDTH 		= 16;					
parameter ASYNC_FIFO_DEPTH 	= 4096;

回环测试，总体波形图

以及transacript

从log中可以看出写入的数据均被正确读出来了

4.1. APB 握手

波形中可以看出基于APB协议能够实现正确的数据写入和读出

4.2. usart_tx 数据发送

4.3. usart_rx 数据接收