UART（通用异步收发传输器）是一种广泛应用于嵌入式系统、数字通信领域的通信协议，它允许计算机系统与串行设备之间进行通信。随着电子产品智能化水平的提升，FPGA（现场可编程门阵列）作为一种灵活的硬件平台，因其可编程性和高效的硬件资源利用率，在数据通信接口设计方面受到关注。本文介绍了利用硬件描述语言VHDL（VHSIC Hardware Description Language，非常高速集成电路硬件描述语言）在FPGA中实现UART核心功能的方法。
UART的核心功能包括数据接收和数据发送，它的基本工作原理可以概述如下：
1. UART的数据帧格式通常由起始位、数据位、校验位（可选）和停止位组成。起始位标志着一帧数据的开始，数据位按照约定的位数顺序传输，之后是可选的校验位，最后是停止位，用来标识一帧数据的结束。
2. UART的工作原理是在接收器端，通过识别起始位来确定数据帧的开始，然后根据设定的波特率时钟同步接收串行数据帧，并去除起始位和停止位，再进行奇偶校验，最终还原出并行数据帧。
在UART的设计中，其内部结构包括以下几个关键部分：
1. 数据总线接口：负责接收来自CPU或其他设备的并行数据，并将并行数据转换为串行数据，或将接收到的串行数据转换为并行数据，以便CPU处理。
2. 控制逻辑和状态接口：管理UART的工作状态，包括发送和接收过程中的控制信号，以及处理各种状态标志。
3. 数据接收模块：负责接收外部设备传来的串行数据，进行处理并转换为并行数据格式。
4. 数据发送模块：负责将来自CPU的并行数据转换为串行数据格式，并加入起始位、停止位等，进行数据发送。
5. 波特率发生器：用于生成符合通信标准的波特率时钟信号，它是UART中确保数据同步的关键部分。
在实现FPGA上的UART设计时，使用VHDL语言进行文本编程，通过Quartus II等软件平台进行波形仿真，以验证设计的正确性。利用FPGA实现UART功能的优势在于它可灵活修改逻辑功能，提升硬件资源的利用率，从而能够根据需要缩小系统体积，并简化电路的接口结构。
当前UART在通信工程中的应用十分广泛，尤其在嵌入式系统设计中发挥重要作用。设计独立的UART功能成为高性能系统解决方案的一部分，满足了全双工通信的需求，解决了信息交换过程中因工作速度、数据格式和信息类型不匹配带来的问题。
文章还指出，传统上实现RS232C异步串行通信接口，通常采用专用集成电路芯片UART或者在微处理器芯片内集成UART。然而，这种方法往往存在资源浪费。相比之下，采用FPGA实现UART的核心功能模块能够有效避免资源浪费，提高硬件资源的利用率，并且支持设计者根据需要灵活改进FPGA的逻辑功能，从而优化系统性能和功能。
