Внутри HD44780: команды дисплею без библиотеки

Будильник для бабушки я собирал на ATtiny13 — крошечном чипе с килобайтом флеша. Скетч с LiquidCrystal в него не влез: библиотека вместе с инициализацией съедала больше половины памяти. Пришлось выкинуть её и разговаривать с дисплеем напрямую — и только тогда я впервые увидел, что такое lcd.print(): два полубайта, два строба, пауза. Второй тупик случился раньше, ещё на Uno: я подключил все восемь линий данных по картинке из интернета, а экран молчал — скетч работал в 4-битном режиме и младшие линии не читал. Обоих граблей ниже будет отдельный разговор.

Разбирать HD44780 без библиотеки стоит не только ради сэкономленного килобайта — ради понимания. После этого урока lcd.init() перестаёт быть магией: вы будете знать, какие байты уходят в дисплей при включении, почему после подачи питания надо ждать сорок миллисекунд и чем команда отличается от данных. Контроллер у 16x2 и 20x4 один и тот же, мы уже гуляли по его памяти в уроке про устройство дисплея (/lesson/lcd/hd44780-chto-vnutri-lcd/) — теперь поговорим с ним напрямую.

В 4-битном режиме у дисплея шесть рабочих проводов: RS, E и линии D4–D7. Седьмой, RW — чтение/запись, — я всегда сажаю на землю: мы только пишем. RS — переключатель смысла байта: при LOW дисплей трактует байт как команду, при HIGH — как код символа для экрана. E — строб: уровни на D4–D7 выставляются заранее, а по спаду E контроллер защёлкивает полубайт; импульс должен держаться дольше 450 наносекунд — при digitalWrite с его парой микросекунд это выполняется само. Полный байт уходит за два такта: старший полубайт, строб, младший полубайт, строб. Схему этих шести проводов мы раскладывали в уроке про 4 бита (/lesson/lcd/lcd-4-bita-shema-provodov/) — теперь она оживёт.

У каждой команды есть время исполнения: мелочи считаются около 37 микросекунд, а clear и home — целых 1,52 миллисекунды. Библиотека после каждой команды просто ждёт; продвинутые реализации читают флаг занятости — но для этого нужен RW на управлении и D7 на чтение, то есть два лишних провода. Моё правило с границей: когда пинов мало — а в самоделках их всегда мало, — честные паузы по даташиту стоят дешевле; чтение флага берите, когда дисплей в проекте один, а свободных ног много.

Ещё нюанс, который стоит проговорить заранее: полубайты кладут именно на D4–D7, а не на D0–D3. Это не требование контроллера, а договорённость классической схемы — все библиотеки по умолчанию живут с ней, и все уроки, включая этот, пишутся под неё. Если ваш экран торчит из самодельной платы с другими линиями — просто поправьте номера пинов в одном месте: в массиве, который вы увидите в коде ниже.

Самое загадочное место — старт. После подачи питания контроллер дисплея просыпается в 8-битном режиме и ничего о вас не знает. Даташит велит: подождать 40 миллисекунд; послать полубайт 0x3 и подождать 4,1 миллисекунды; послать 0x3 снова и подождать 100 микросекунд; послать 0x3 в третий раз; и только теперь 0x2 — дисплей переключился в 4-битный режим. Троекратное повторение не ритуал, а синхронизация: какой бы фазой внутреннего автомата ни проснулся контроллер, первая посылка его выравнивает. Дальше скучно и красиво: 0x28 — четыре бита, две строки, знаки 5x8; 0x0C — экран включён, курсор невидим; 0x06 — курсор шагает вправо после каждого символа; 0x01 — чистый экран; 0x80 — курсор в начало. Ровно эти байты внутри себя шлёт lcd.init() — теперь её исходник читается без переводчика. Запись вида 0x28 — шестнадцатеричная система, которую мы раскладывали в уроке про системы счисления (/lesson/serial/bin-hex-dec-serial/).

Тренажёр проигрывает инициализацию шаг за шагом. Кнопка D2 — следующий шаг; Serial показывает, что ушло бы в шину: rs=0 — значит команда, полубайты hi= и lo=, и сколько ждать после шага. Светодиод D12 мигает на каждом стробе E — два мигания на полный байт и одно на полубайт подбора. Тумблер D3 включает двоичный показ: строка bity=101000 — это 0x28 в двоичном виде, причём ведущие нули Serial не печатает, не удивляйтесь короткой записи. После девятого шага — 0x80, курсор в нулевую ячейку — дисплей настроен, и следующие нажатия шлют данные: rs=1, байт 0x41 — латинская буква A; на настоящем экране она появилась бы в верхнем левом углу. Экран стенда дублирует номер шага и имя команды — по нему удобно следить, где вы в последовательности.

Порядок шагов в тренажёре совпадает с даташитом один в один, поэтому по Serial удобно сверять чужие библиотеки: если ваша реализация шлёт что-то другое в первые четыре шага, она либо нечестно ждёт, либо рассчитывает на 8-битный модуль. Самая частая самоделка, которую я встречал, — пропущенная пауза 4,1 мс после первого полубайта: на Uno с быстрым стартом везёт, а на плате с медленно поднимающимся питанием дисплей после включения показывает ряд квадратов и отказывается отвечать.

Команда 0x80 стоит отдельного разговора: она не просто ставит курсор в угол — она записывает адрес в памяти знакомест, DDRAM. Адрес второй строки у 16x2 — 0x40, а у 20x4 строки лежат в памяти вразнобой: 0x00, 0x40, 0x14, 0x54 — именно поэтому печать без setCursor иногда уезжает не туда, подробности в уроке про адресацию строк (/lesson/lcd/lcd-20x4-adresaciya-strok/). Свои символы из урока про createChar (/lesson/lcd/createchar-svoi-simvoly-lcd/) тоже шьются этими же командами: 0x40 плюс адрес слота в CGRAM, затем восемь байтов пикселей уже с rs=1. А пара 0x18 и 0x1C двигает весь экран влево и вправо — готовая бегущая строка без единой перерисовки: напечатайте фразу длиннее экрана и шлите 0x1C каждые 300 миллисекунд. И последнее: если дисплей вдруг ведёт себя странно после старта — проверьте, что в скетче есть вся стартовая последовательность, а не только 0x28: половина загадочных квадратов в моей практике родилась из урезанного init (/lesson/lcd/lcd-adres-0x27-ili-0x3f/).