在当今的电子设计领域中，FPGA（现场可编程门阵列）以其强大的灵活性和高性能逐渐成为硬件开发的重要工具，尤其在需要高速处理和定制硬件逻辑的应用场合。UART（通用异步收发传输器）是一种广泛用于设备间通信的标准串行通信协议，它仅需要一根数据线和少数信号线就能完成通信任务，因此在许多系统设计中具有不可替代的地位。随着集成电路设计技术的进步，利用FPGA来实现UART协议，不仅可以提供更高的数据传输速率，而且可以更有效地利用硬件资源。
本论文中，罗春梅、肖顺文和王涌三位作者详细介绍了如何基于FPGA使用Verilog HDL语言设计实现UART系统。设计的UART系统由三个核心模块构成：波特率时钟生成模块、数据发送模块和数据接收模块。每个模块都经过Modelsim模拟仿真验证，确保其设计满足高数据传输速率和数据传输准确性的要求。
波特率时钟生成模块是整个UART系统的基础，它负责为数据发送和接收提供准确的时钟信号。在设计中，考虑到FPGA内可以实现灵活的时钟分频，所以通过设置一个波特率选择端口，允许外部设备根据通信需求选择不同的波特率。例如，根据端口的不同取值，波特率可以选择为9600Hz、19200Hz、38400Hz或115200Hz。这样，设计者可以根据实际应用场景的不同需求灵活地调整波特率。
数据发送模块是UART系统中实现数据发送逻辑的关键部分。在设计时，确保了在每个波特率时钟周期内，数据位能被准确地发送出去。发送模块根据UART帧格式依次发送起始位、数据位、校验位和停止位。特别是，起始位和停止位的设计对于异步通信来说至关重要，它们确保了发送和接收双方能够在不同的时钟域下同步，保障数据的正确传输。在设计中，作者采用了1位起始位、8位数据位和1位停止位的帧格式，符合常见的UART通信标准。
数据接收模块则是UART系统中负责数据接收的核心部分。在接收数据的过程中，正确地采样数据线上的信号对于保证数据的准确性尤为重要。由于存在外部干扰，简单的单次采样并不能保证数据的准确性和可靠性。为此，作者采用了六次采样的方法来对每一位数据进行采样，并通过多数表决的方式来决定最终的电平状态。这种方法可以有效减少因噪声干扰而产生的误判。
UART的设计实现不仅需要考虑其核心功能模块的准确性，还需要考虑其在实际应用中的稳定性和可靠性。例如，设计者需要考虑信号传输的时序问题，确保所有信号能够在正确的时间内稳定传输。此外，设计时还需要考虑功耗、成本、可扩展性等其他因素。
本文对于基于FPGA的UART设计实现的讨论，为我们提供了一种高效利用硬件资源，同时实现高效、可靠通信的方法。特别是对于那些需要定制通信协议或者在标准通信协议基础上进行扩展的应用场景，这种基于FPGA的设计方法提供了巨大的灵活性。随着FPGA技术的不断进步，我们可以预期未来在通信协议的实现上将会出现更加高效的方案。
