Mikrocontroller.net - Benutzerbeiträge [de]

AVR-Tutorial: Arithmetik8

2010-01-15T22:01:23Z

Roolf: /* Spezielle Statusflags */

Eine der Hauptaufgaben eines Mikrokontrollers bzw. eines Computers allgemein, ist es, irgendwelche Berechnungen anzustellen. Der Löwenanteil an den meisten Berechnungen entfällt dabei auf einfache Additionen bzw. Subtraktionen. Multiplikationen bzw. Divisionen kommen schon seltener vor, bzw. können oft durch entsprechende Additionen bzw. Subtraktionen ersetzt werden. Weitergehende mathematische Konstrukte werden zwar auch ab und an benötigt, können aber in der Assemblerprogrammierung durch geschickte Umformungen oft vermieden werden.

== Hardwareunterstützung ==

Praktisch alle Mikroprozessoren unterstützen Addition und Subtraktion direkt in Hardware, das heißt: Sie haben eigene Befehle dafür. Einige bringen auch Unterstützung für eine Hardwaremultiplikation mit (so zum Beispiel der [[ATmega8]]), während Division in Hardware schon seltener zu finden ist.

== 8 Bit versus 16 Bit ==

In diesem Abschnitt des Tutorials wird gezielt auf 8 Bit Arithmetik eingegangen, um zunächst die Grundlagen des Rechnens mit einem µC zu zeigen. Die Erweiterung von 8 Bit auf 16 Bit Arithmetik ist in einigen Fällen wie Addition und Subtraktion trivial, kann sich aber bei Multiplikation und Division in einem beträchtlichen Codezuwachs niederschlagen.

Der im Tutorial verwendete ATmega8 besitzt eine sog. 8-Bit Architektur. Das heißt, dass seine Rechenregister (mit Ausnahmen) nur 8 Bit breit sind und sich daher eine 8-Bit Arithmetik als die natürliche Form der Rechnerei auf diesem Prozessor anbietet. Berechnungen, die mehr als 8 Bit erfordern, müssen dann durch Kombinationen von Rechenvorgängen realisiert werden. Eine Analogie wäre z.B. das Rechnen, wie wir alle es in der Grundschule gelernt haben. Auch wenn wir in der Grundschule (in den Anfängen) nur die Additionen mit Zahlen kleiner als 10 auswendig gelernt haben, so können wir dennoch durch die Kombination von mehreren derartigen Additionen beliebig große Zahlen addieren. Das gleiche gilt für Multiplikationen. In der Grundschule musste wohl jeder von uns das 'Kleine Einmaleins' auswendig lernen, um Multiplikationen im Zahlenraum bis 100 quasi 'in Hardware' zu berechnen. Und doch können wir durch Kombinationen solcher Einfachmultiplikationen und zusätzlichen Additionen in beliebig große Zahlenräume vorstoßen.

Die Einschränkung auf 8 Bit ist also keineswegs eine Einschränkung in dem Sinne, dass es eine prinzipielle Obergrenze für Berechnungen gäbe. Sie bedeutet lediglich eine obere Grenze dafür, bis zu welchen Zahlen in einem Rutsch gerechnet werden kann. Alles, was darüber hinausgeht, muss dann mittels Kombinationen von Berechnungen gemacht werden.

== 8-Bit Arithmetik ohne Berücksichtigung eines Vorzeichens ==

Die Bits des Registers besitzen dabei eine Wertigkeit, die sich aus der Stelle des Bits im Byte ergibt. Dies ist völlig analog zu dem uns vertrauten Dezimalsystem. Auch dort besitzt eine Ziffer in einer Zahl eine bestimmte Wertigkeit, je nach dem, an welcher Position diese Ziffer in der Zahl auftaucht. So hat z.B. die Ziffer 1 in der Zahl 12 die Wertigkeit 'Zehn', während sie in der Zahl 134 die Wertigkeit 'Hundert' besitzt. Und so wie im Dezimalsystem die Wertigkeit einer Stelle immer das Zehnfache der Wertigkeit der Stelle unmittelbar rechts von ihr ist, so ist im Binärsystem die Wertigkeit einer Stelle immer das 2-fache der Stelle rechts von ihr.

Die Zahl 4632 im Dezimalsystem kann also so aufgefasst werden:

4632 = 4 * 1000 ( 1000 = 10 hoch 3 )
+ 6 * 100 ( 100 = 10 hoch 2 )
+ 3 * 10 ( 10 = 10 hoch 1 )
+ 2 * 1 ( 1 = 10 hoch 0 )

=== Die Umwandlung von Binär in das Dezimalystem ===

Völlig analog ergibt sich daher folgendes für z.B. die 8 Bit Binärzahl 0b10011011 (um Binärzahlen von Dezimalzahlen zu unterscheiden, wird ein 0b vorangestellt):

0b10011011 = 1 * 128 ( 128 = 2 hoch 7 )
+ 0 * 64 ( 64 = 2 hoch 6 )
+ 0 * 32 ( 32 = 2 hoch 5 )
+ 1 * 16 ( 16 = 2 hoch 4 )
+ 1 * 8 ( 8 = 2 hoch 3 )
+ 0 * 4 ( 4 = 2 hoch 2 )
+ 1 * 2 ( 2 = 2 hoch 1 )
+ 1 * 1 ( 1 = 2 hoch 0 )

Ausgerechnet (um die entsprechende Dezimalzahl zu erhalten) ergibt das
128 + 16 + 8 + 2 + 1 = 155. Die Binärzahl 0b10011011 entspricht also der Dezimalzahl 155. Es ist wichtig, sich klar zu machen, dass es zwischen Binär- und Dezimalzahlen keinen grundsätzlichen Unterschied gibt. Beides sind nur verschiedene Schreibweisen für das Gleiche: Eine Zahl. Während wir Menschen an das Dezimalsystem gewöhnt sind, ist das Binärsystem für einen Computer geeigneter, da es nur aus den 2 Ziffern 0 und 1 besteht, welche sich leicht in einem Computer darstellen lassen (Spannung, keine Spannung).

Welches ist nun die größte Zahl, die mit 8 Bit dargestellt werden kann? Dabei handelt es sich offensichtlich um die Zahl 0b11111111. In Dezimalschreibweise wäre das die Zahl

0b11111111 = 1 * 128
+ 1 * 64
+ 1 * 32
+ 1 * 16
+ 1 * 8
+ 1 * 4
+ 1 * 2
+ 1 * 1

oder ausgerechnet: 255

Wird also mit 8 Bit Arithmetik betrieben, wobei alle 8 Bit als signifikante Ziffern benutzt werden (also kein Vorzeichenbit, dazu später mehr), so kann damit im Zahlenraum 0 bis 255 gerechnet werden.

Binär Dezimal Binär Dezimal

0b00000000 0 0b10000000 128
0b00000001 1 0b10000001 129
0b00000010 2 0b10000010 130
0b00000011 3 0b10000011 131
0b00000100 4 0b10000100 132
0b00000101 5 0b10000101 133
... ...
0b01111100 124 0b11111100 252
0b01111101 125 0b11111101 253
0b01111110 126 0b11111110 254
0b01111111 127 0b11111111 255

=== Die Umwandlung von Dezimal in das Binärsystem ===

Aus dem vorhergehenden ergibt sich völlig zwanglos die Vorschrift, wie Binärzahlen ins Dezimalsystem umgewandelt werden können (nicht vergessen: Die Zahl selber wird ja gar nicht verändert. Binär- und Dezimalsystem sind ja nur verschiedene Schreibweisen): Durch Anwendung der Vorschrift, wie denn eigentlich ein Stellenwertsystem aufgebaut ist.
Aber wie macht man den umgekehrten Schritt, die Wandlung vom Dezimal ins Binärsystem. Der Weg führt über die Umkehrung des vorhergehenden Prinzips. Fortgesetzte Division durch 2

Es sei die Zahl 93 ins Binärsystem zu wandeln.

93 / 2 = 46 Rest 1
46 / 2 = 23 Rest 0
23 / 2 = 11 Rest 1
11 / 2 = 5 Rest 1
5 / 2 = 2 Rest 1
2 / 2 = 1 Rest 0
1 / 2 = 0 Rest 1

Die Division wird solange durchgeführt, bis sich ein Divisionergebnis von 0 ergibt. Die Reste, von unten nach oben gelesen, ergeben dann die Binärzahl, von der kleinsten Stelle bis zur Größten. Die zu 93 gehörende Binärzahl lautet also 1011101. Es wird noch eine führende 0 ergänzt um sie auf die standardmässigen 8-Bit zu bringen: 0b01011101.

== 8-Bit Arithmetik mit Berücksichtigung eines Vorzeichens ==

Soll mit Vorzeichen (also positiven und negativen Zahlen) gerechnet werden, so erhebt sich die Frage: Wie werden eigentlich positive bzw. negative Zahlen dargestellt? Alles was wir haben sind ja 8 Bit in einem Byte.

=== Problem der Kodierung des Vorzeichens ===

Die Lösung des Problems besteht darin, dass ein Bit zur Anzeige des Vorzeichens benutzt wird. Im Regelfall wird dazu das am weitesten links stehende Bit benutzt. Von den verschiedenen Möglichkeiten, die sich hiermit bieten, wird in der Praxis fast ausschließlich mit dem sog. 2-er Komplement gearbeitet, da es Vorteile bei der Addition bzw. Subtraktion von Zahlen bringt. In diesem Fall muß nämlich das Vorzeichen einer Zahl überhaupt nicht berücksichtigt werden. Durch die Art und Weise der Bildung von negativen Zahlen kommt am Ende das Ergebnis mit dem korrekten Vorzeichen heraus.

=== 2-er Komplement ===

Das 2-er Komplement verwendet das höchstwertige Bit eines Byte, das sog. MSB (= Most Significant Bit) zur Anzeige des Vorzeichens. Ist dieses Bit 0, so ist die Zahl positiv. Ist es 1, so handelt es sich um eine negative Zahl. Die 8-Bit Kombination 0b10010011 stellt also eine negative Zahl dar, wenn und nur wenn diese Bitkombination überhaupt als vorzeichenbehaftete Zahl aufgefasst werden soll. Anhand der Bitkombination alleine ist es also nicht möglich, eine definitive Aussage zu treffen, ob es sich um eine vorzeichenbehaftete Zahl handelt oder nicht. Erst wenn durch den Zusammenhang klar ist, dass man es mit vorzeichenbehafteten Zahlen zu tun hat, bekommt das MSB die Sonderbedeutung des Vorzeichens.

Um bei einer Zahl das Vorzeichen zu wechseln, geht man wie folgt vor:
* Zunächst wird das 1-er Komplement gebildet, indem alle Bits umgedreht werden. Aus 0 wird 1 und aus 1 wird 0
* Danach wird aus diesem Zwischenergebnis das 2-er Komplement gebildet, indem noch 1 addiert wird.

Diese Vorschrift kann immer dann benutzt werden, wenn das Vorzeichen einer Zahl gewechselt werden soll. Er macht aus positiven Zahlen negative und aus negativen Zahlen positive.

'''Beispiel:''' Es soll die Binärdarstellung für -92 gebildet werden. Dazu benötigt man zunächst die Binärdarstellung für +92, welche 0b01011100 lautet. Diese wird jetzt nach der Vorschrift für 2-er Komplemente negiert und damit negativ gemacht.

0b01011100 Ausgangszahl
0b10100011 1-er Komplement, alle Bits umdrehen
0b10100100 noch 1 addieren

Die Binärdarstellung für -92 lautet also 0b10100100. Das gesetzte MSB weist diese Binärzahl auch tatsächlich als negative Zahl aus.

'''Beispiel:''' Gegeben sei die Binärzahl 0b00111000, welche als vorzeichenbehaftete Zahl anzusehen ist. Welcher Dezimalzahl entspricht diese Binärzahl?

Da das MSB nicht gesetzt ist, handelt es sich um eine positive Zahl und die Umrechnung kann wie im Fall der vorzeichenlosen 8-Bit Zahlen erfolgen. Das Ergebnis lautet also +56 ( = 0 * 128 + 0 * 64 + 1 * 32 + 1 * 16 + 1 * 8 + 0 * 4 + 0 * 2 + 0 * 1 )

'''Beispiel:''' Gegeben sei die Binärzahl 0b10011001, welche als vorzeichenbehaftete Zahl anzusehen ist. Welcher Dezimalzahl entspricht diese Binärzahl?

Da das MSB gesetzt ist, handelt es sich um eine negative Zahl. Daher wird diese Zahl zunächst negiert um dadurch eine positive Zahl zu erhalten.

0b10011001 Originalzahl
0b01100110 1-er Komplement, alle Bits umdrehen
0b01100111 2-er Komplement, noch 1 addiert

Die zu 0b10011001 gehörende positive Binärzahl lautet also 0b01100111. Da es sich um eine positive Zahl handelt, kann sie wiederum ganz normal, wie vorzeichenlose Zahlen, in eine Dezimalzahl umgerechnet werden. Das Ergebnis lautet 103 ( = 0 * 128 + 1 * 64 + 1 * 32 + 0 * 16 + 0 * 8 + 1 * 4 + 1 * 2 + 1 * 1). Da aber von einer negativen Zahl ausgegangen wurde, ist 0b10011001 die binäre Darstellung der Dezimalzahl -103.

'''Beispiel:''' Gegeben sei dieselbe Binärzahl 0b10011001. Aber diesmal sei sie als vorzeichenlose Zahl aufzufassen. Welcher Dezimalzahl entspricht diese Binärzahl?

Da die Binärzahl als vorzeichenlose Zahl aufzufassen ist, hat das MSB keine spezielle Bedeutung. Die Umrechnung erfolgt also ganz normal: 0b10011001 = 1 * 128 + 0 * 64 + 0 * 32 + 1 * 16 + 1 * 8 + 0 * 4 + 0 * 2 + 1 * 1 = 153.

'''Beispiel:''' Wie lautet die Binärzahl zu -74?

Da es sich hier offensichtlich im eine vorzeichenbehaftete Zahl handelt, müssen die Regeln des 2-er Komplemnts angewendet werden. Zunächst ist also die Binärrepräsentierung von +74 zu bestimmen, welche dann durch Anwendung des 2-er Komplements negiert wird.

74 / 2 = 37 Rest 0
37 / 2 = 18 Rest 1
18 / 2 = 9 Rest 0
9 / 2 = 4 Rest 1
4 / 2 = 2 Rest 0
2 / 2 = 1 Rest 0
1 / 2 = 0 Rest 1

Die Binärdarstellung für +74 lautet daher 0b01001010

0b01001010 +74
0b10110101 1-er Komplement, alle Bits umdrehen
0b10110110 noch 1 addieren

Die Binärdarstellung für -74 lautet daher 0b10110110

== Arithmetikflags ==

Im Statusregister des Prozessors gibt es eine Reihe von Flags, die durch Rechenergebnisse beeinflusst werden, bzw. in Berechnungen einfließen können.

=== Carry ===
Das Carry-Flag '''C''' zeigt an, ob bei einer Berechnung mit vorzeichenlosen Zahlen ein Über- oder Unterlauf erfolgt ist, d.h. das Ergebnis der Berechnung liegt außerhalb des darstellbaren Bereiches 0...255.

Wie das?

Angenommen es müssen zwei 8-Bit-Zahlen addiert werden.

10100011
+ 11110011
---------
110010110

Das Ergebnis der Addition umfasst neun Bit und liegt außerhalb des in einem Register darstellbaren Zahlenbereiches 0...255; die Addition ''ist übergelaufen''. Werden dieselben Zahlen subtrahiert,

10100011
- 11110011
---------
10110000

verbleibt an der höchstwertigsten Stelle ein "geborgtes" Bit, welches durch das Carry angezeigt wird.

=== Signed- und Overflowflag ===
Wird mit vorzeichenbehafteten Zahlen gerechnet, so wird das Verlassen des 8-Bit-Zahlenbereiches -128...+127 durch die Flags '''S''' und '''V''' angezeigt. Der Prozessor selbst unterscheidet nicht zwischen vorzeichenlosen und -behafteten Zahlen. Der Programmierer legt durch Wahl der ausgewerteten Flags (C bei vorzeichenlosen bzw. S/V bei vorzeichenbehafteten) die Interpretation der Zahlen fest.

=== Weitere Flags ===
Das Zero-Flag '''Z''' wird gesetzt, wenn das 8-Bit-Ergebnis der Berechnung null ist. Dies kann bei der Addition auch durch Überlauf geschehen, was durch zusätzliches Carryflag angezeigt wird.

Das Negative-Flag '''N''' wird gesetzt, wenn im Ergebnis das höchstwertige Bit gesetzt ist. Bei vorzeichenbehafteter Arithmetik ist dies als negative Zahl zu interpretieren, sofern nicht durch das V-Flag ein Verlassen des Zahlbereichs angezeigt wird.

Das Half-Carry-Flag '''H''' zeigt, analog zum Carry-Flag, einen Übertrag zwischen Bit 3 und 4 an. Dies kann in speziellen Anwendungen (z.B. zwei simultane Vier-Bit-Berechnungen mit einem Befehl) nützlich sein.

=== Übersicht über die arithmetischen Flags ===

Ergebnis des Befehls '''ADD Rd, Rr'''

Rr| 0 | 1 | 64 | 127 | 128 | 129 | 192 | 255
Rd |( +0)|( +1)|( +64)|(+127)|(-128)|(-127)|( -64)|( -1)
----------+------+------+------+------+------+------+------+------
0 ( +0)| Z | | | |S N |S N |S N |S N
1 ( +1)| | | | VN |S N |S N |S N | CZ
64 ( +64)| | | VN | VN |S N |S N | CZ | C
127 (+127)| | VN | VN | VN |S N | CZ | C | C
128 (-128)|S N |S N |S N |S N |SV CZ |SV C |SV C |SV C
129 (-127)|S N |S N |S N | CZ |SV C |SV C |SV C |S NC
192 ( -64)|S N |S N | CZ | C |SV C |SV C |S NC |S NC
255 ( -1)|S N | CZ | C | C |SV C |S NC |S NC |S NC

Man erkennt: C=1 genau dann wenn die Addition Rd + Rr mit vorzeichenlosen Zahlen überläuft. V=1 genau dann wenn die Addition mit vorzeichenbehafteten Zahlen überläuft.

Ergebnis des Befehls '''SUB Rd, Rr''' bzw. '''CP Rd, Rr'''

Rr| 0 | 63 | 64 | 127 | 128 | 191 | 192 | 255
Rd |( +0)|( +63)|( +64)|(+127)|(-128)|( -65)|( -64)|( -1)
----------+------+------+------+------+------+------+------+------
0 ( +0)| Z |S NC |S NC |S NC | VNC | C | C | C
63 ( +63)| | Z |S NC |S NC | VNC | VNC | C | C
64 ( +64)| | | Z |S NC | VNC | VNC | VNC | C
127 (+127)| | | | Z | VNC | VNC | VNC | VNC
128 (-128)|S N |SV |SV |SV | Z |S NC |S NC |S NC
191 ( -65)|S N |S N |SV |SV | | Z |S NC |S NC
192 ( -64)|S N |S N |S N |SV | | | Z |S NC
255 ( -1)|S N |S N |S N |S N | | | | Z

Man erkennt: C=1 genau dann wenn die Subtraktion Rd - Rr mit vorzeichenlosen Zahlen unterläuft; äquivalent dazu ist Rd < Rr (vorzeichenlos). S=1 genau dann wenn die Subtraktion mit vorzeichenbehafteten Zahlen unterläuft bzw. Rd < Rr (vorzeichenbehaftet).

== Inkrementieren / Dekrementieren ==

Erstaunlich viele Operationen in einem Computer-Programm entfallen auf die Operationen 'Zu einer Zahl 1 addieren' bzw. 'Von einer Zahl 1 subtrahieren'. Dementsprechend enthalten die meisten Mikroprozessoren die Operationen ''Inkrementieren'' (um 1 erhöhen) bzw. ''Dekrementieren'' (um 1 verringern) als eigenständigen Assemblerbefehl. So auch der ATmega8.

=== AVR-Befehle ===
<avrasm>
inc r16
</avrasm>

bzw.

<avrasm>
dec r16
</avrasm>

Die Operation ist einfach zu verstehen. Das jeweils angegebene Register (hier wieder am Register r16 gezeigt) wird um 1 erhöht bzw. um 1 verringert. Dabei wird die Zahl im Register als vorzeichenlose Zahl angesehen. Enthält das Register bereits die größtmögliche Zahl (0b11111111 oder dezimal 255), so erzeugt ein weiteres Inkrementieren die kleinstmögliche Zahl (0b00000000 oder dezimal 0) bzw. umgekehrt dekrementiert 0 zu 255.

== Addition ==
Auf einem Mega8 gibt es nur eine Möglichkeit, um eine Addition durchzuführen: Die beiden zu addierenden Zahlen müssen in zwei Registern stehen.

=== AVR-Befehle ===
<avrasm>
add r16, r17 ; Addition der Register r16 und r17. Das Ergebnis wird
; im Register r16 abgelegt
adc r16, r17 ; Addition der Register r16 und r17, wobei das Carry-Bit
; noch zusätzlich mit addiert wird.
</avrasm>

Bei der Addition zweier Register wird ein möglicher Überlauf in allen Fällen im Carry Bit abgelegt. Daraus erklärt sich dann auch das Vorhandensein eines Additionsbefehls, der das Carry-Bit noch zusätzlich mitaddiert: Man benötigt ihn zum Aufbau einer Addition die mehr als 8 Bit umfasst. Die niederwertigsten Bytes werden mit einem add addiert und alle weiteren höherwertigen Bytes werden, vom Niederwertigsten zum Höchstwertigsten, mittels adc addiert. Dadurch werden eventuelle Überträge automatisch berücksichtigt.

== Subtraktion ==
Subtraktionen können auf einem AVR in zwei unterschiedlichen Arten ausgeführt werden. Entweder es werden zwei Register voneinander subtrahiert oder es wird von einem Register eine konstante Zahl abgezogen. Beide Varianten gibt es wiederrum in den Ausführungen mit und ohne Berücksichtigung des Carry Flags

=== AVR-Befehle ===

<avrasm>
sub r16, r17 ; Subtraktion des Registers r17 von r16. Das Ergebnis wird
; im Register r16 abgelegt
sbc r16, r17 ; Subtraktion des Registers r17 von r16, wobei das Carry-Bit
; noch zusätzlich mit subtrahiert wird. Das Ergebnis wird
; im Register r16 abgelegt
subi r16, zahl ; Die Zahl (als Konstante) wird vom Register r16 subtrahiert.
; Das Ergebnis wird im Register r16 abgelegt
sbci r16, zahl ; Subtraktion einer konstanten Zahl vom Register r16, wobei
; zusätzlich noch das Carry-Bit mit subtrahiert wird.
; Das Ergebnis wird im Register r16 abgelegt.
</avrasm>

== Multiplikation ==
Multiplikation kann auf einem AVR je nach konkretem Typ auf zwei unterschiedliche Arten ausgeführt werden. Während die größeren ATMega Prozessoren über einen Hardwaremultiplizierer verfügen, ist dieser bei den kleineren Tiny Prozessoren nicht vorhanden. Hier muß die Multiplikation quasi zu Fuß durch entsprechende Addition von Teilresultaten erfolgen.

=== Hardwaremultiplikation ===
Vorzeichenbehaftete und vorzeichenlose Zahlen werden unterschiedlich multipliziert. Denn im Falle eines Vorzeichens darf ein gesetztes 7. Bit natürlich nicht in die eigentliche Berechnung mit einbezogen werden. Statt dessen steuert dieses Bit (eigentlich die beiden MSB der beiden beteiligten Zahlen) das Vorzeichen des Ergebnisses. Die Hardwaremultiplikation ist auch dahingehend eingeschränkt, dass das Ergebnis einer Multiplikation immer in den Registerpärchen ''r0'' und ''r1'' zu finden ist. Dabei steht das LowByte (also die unteren 8 Bit) des Ergebnisses in ''r0'' und das HighByte in ''r1''.

==== AVR-Befehl ====
<avrasm>
mul r16, r17 ; multipliziert r16 mit r17. Beide Registerinhalte werden
; als vorzeichenlose Zahlen aufgefasst.
; Das Ergebnis der Multiplikation ist in den Registern r0 und r1
; zu finden.

muls r16, r17 ; multipliziert r16 mit r17. Beide Registerinhalte werden
; als vorzeichenbehaftete Zahlen aufgefasst.
; Das Ergebnis der Multiplikation ist in den Registern r0 und r1
; zu finden und stellt ebenfalls eine vorzeichenbehaftete
; Zahl dar.

mulsu r16, r17 ; multipliziert r16 mit r17, wobei r16 als vorzeichenbehaftete
; Zahl aufgefasst wird und r17 als vorzeichenlose Zahl.
; Das Ergebnis der Multiplikation ist in den Registern r0 und r1
; zu finden und stellt eine vorzeichenbehaftete Zahl dar.
</avrasm>

=== Multiplikation in Software ===
Multiplikation in Software ist nicht weiter schwierig. Man erinnere sich daran, wie Multiplikationen in der Grundschule gelehrt wurden:
Zunächst stand da das kleine Einmal-Eins, welches auswendig gelernt wurde. Mit diesen Kenntnissen konnten dann auch größere Multiplikationen angegangen werden, indem der Multiplikand mit jeweils einer Stelle des Multiplikators multipliziert wurde und die Zwischenergebnisse, geeignet verschoben, addiert wurden. Die Verschiebung um eine Stelle entspricht dabei einer Multiplikation mit 10.

'''Beispiel:''' Zu multiplizieren sei 3456 * 7812

3456 * 7812
---------------
24192 <-+|||
+ 27648 <--+||
+ 3456 <---+|
+ 6912 <----+
--------
26998272

Im Binärsystem funktioniert Multiplikation völlig analog. Nur ist hier das kleine Einmaleins sehr viel einfacher! Es gibt nur 4 Multiplikationen (anstatt 100 im Dezimalsystem):

0 * 0 = 0
0 * 1 = 0
1 * 0 = 0
1 * 1 = 1

Es gibt lediglich einen kleinen Unterschied gegenüber dem Dezimalsystem: Anstatt zunächst alle Zwischenergebnisse aufzulisten und erst danach die Summe zu bestimmen, werden wir ein neues Zwischenergebnis gleich in die Summe einrechnen. Dies deshalb, da Additionen von mehreren Zahlen im Binärsystem im Kopf sehr leicht zu Flüchtigkeitsfehlern führen (durch die vielen 0-en und 1-en). Weiters wird eine einfache Tatsache benutzt: 1 mal eine Zahl ergibt wieder die Zahl, während 0 mal eine Zahl immer 0 ergibt. Dadurch braucht man im Grunde bei einer Multiplikation überhaupt nicht zu multiplizieren, sondern eigentlich nur die Entscheidung treffen: Muss die Zahl geeignet verschoben addiert werden oder nicht?

0b00100011 * 0b10001001
--------------------------------
00100011 <--+|||||||
+ 00000000 <---+||||||
--------- ||||||
001000110 ||||||
+ 00000000 <----+|||||
---------- |||||
0010001100 |||||
+ 00000000 <-----+||||
----------- ||||
00100011000 ||||
+ 00100011 <------+|||
------------ |||
001001010011 |||
+ 00000000 <-------+||
------------- ||
0010010100110 ||
+ 00000000 <--------+|
-------------- |
00100101001100 |
+ 00100011 <---------+
---------------
001001010111011

Man sieht auch, wie bei der Multiplikation zweier 8 Bit Zahlen sehr schnell ein 16 Bit Ergebnis entsteht. Dies ist auch der Grund, warum die Hardwaremultiplikation immer 2 Register zur Aufnahme des Ergebnisses benötigt.

Ein Assembler Code, der diese Strategie im wesentlichen verwirklicht, sieht z.B. so aus. Dieser Code wurde nicht auf optimale Laufzeit getrimmt, sondern es soll im Wesentlichen eine 1:1 Umsetzung des oben gezeigten Schemas sein. Einige der verwendeten Befehle wurden im Rahmen dieses Tutorials an dieser Stelle noch nicht besprochen. Speziell die Schiebe- (lsl) und Rotier- (rol) Befehle sollten in der AVR Befehlsübersicht genau studiert werden, um ihr Zusammenspiel mit dem Carry Flag zu verstehen. Nur soviel als Hinweis: Das Carry Flag dient in der lsl / rol Sequenz als eine Art Zwischenspeicher, um das höherwertigste Bit aus dem Register r0 beim Verschieben in das Register r1 verschieben zu können. Der lsl verschiebt alle Bits des Registers um 1 Stelle nach links, wobei das vorhergehende MSB ins Carry Bit wandert und rechts ein 0-Bit nachrückt. Der rol verschiebt ebenfalls alle Stellen eines Registers um 1 Stelle nach links. Diesmal wird aber rechts nicht mit einem 0-Bit aufgefüllt, sondern an dieser Stelle wird der momentane Inhalt des Carry Bits eingesetzt.

<avrasm>
ldi r16, 0b00100011 ; Multiplikator
ldi r17, 0b10001001 ; Multiplikand
; Berechne r16 * r17

ldi r18, 8 ; 8 mal verschieben und gegebenenfalls addieren
clr r19 ; 0 wird für die 16 Bit Addition benötigt
clr r0 ; Ergebnis Low Byte auf 0 setzen
clr r1 ; Ergebnis High Byte auf 0 setzen

mult:
lsl r0 ; r1:r0 einmal nach links verschieben
rol r1
lsl r17 ; Das MSB von r17 ins Carry schieben
brcc noadd ; Ist dieses MSB (jetzt im Carry) eine 1?
add r0,r16 ; Wenn ja, dann r16 zum Ergebnis addieren
adc r1,r19

noadd:
dec r18 ; Wurden alle 8 Bit von r17 abgearbeitet?
brne mult ; Wenn nicht, dann ein erneuter Verschiebe/Addier Zyklus

; r0 enthält an dieser Stelle den Wert 0b10111011
; r1 enthält 0b00010010
; Gemeinsam bilden r1 und r0 also die Zahl
; 0b0001001010111011
</avrasm>

== Division ==
Anders als bei der Multiplikation, gibt es auch auf einem ATMega-Prozessor keine hardwaremässige Divisionseinheit. Divisionen müssen also in jedem Fall mit einer speziellen Routine, die im wesentlichen auf Subtraktionen beruht, erledigt werden.
=== Division in Software ===

Um die Vorgangsweise bei der binären Division zu verstehen, wollen wir wieder zunächst anhand der gewohnten dezimalen Division untersuchen wie sowas abläuft.

Angenommen es soll dividiert werden: 938 / 4 ( 938 ist der Dividend, 4 ist der Divisor)

Wie haben Sie es in der Grundschule gelernt? Wahrscheinlich so wie der Autor auch:

938 : 4 = 234
---
-8
----
1
13
-12
---
1
18
-16
--
2 Rest

Der Vorgang war: Man nimmt die erste Stelle des Dividenden (9) und ruft seine gespeicherte Einmaleins Tabelle ab, um festzustellen, wie oft der Divisor in dieser Stelle enthalten ist. In diesem konkreten Fall ist die erste Stelle 9 und der Divisor 4. 4 ist in 9 zweimal enthalten. Also ist 2 die erste Ziffer des Ergebnisses. 2 mal 4 ergibt aber 8 und diese 8 werden von den 9 abgezogen, übrig bleibt 1.
Aus dem Dividenden wird die nächste Ziffer (3) heruntergezogen und man erhält mit der 1 aus dem vorhergehenden Schritt 13.
Wieder dasselbe Spiel: Wie oft ist 4 in 13 enthalten? 3 mal (3 ist die nächste Ziffer des Ergebnisses) und 3 * 4 ergibt 12. Diese 12 von den 13 abgezogen macht 1. Zu dieser 1 gesellt sich wieder die nächste Ziffer des Dividenden, 8, um so 18 zu bilden.
Wie oft ist 4 in 18 enthalten? 4 mal (4 ist die nächste Ziffer des Ergebnisses), denn 4 mal 4 macht 16, und das von den 18 abgezogen ergibt 2.
Da es keine nächste Ziffer im Dividenden mehr gibt, lautet also das Resultat:
938 : 4 ergibt 234 und es bleiben 2 Rest.

Die binäre Division funktioniert dazu völlig analog. Es gibt nur einen kleinen Unterschied, der einem sogar das Leben leichter macht. Es geht um den Schritt: Wie oft ist x in y enthalten?
Dieser Schritt ist in der binären Division besonders einfach, da das Ergebnis dieser Fragestellung nur 0 oder 1 sein kann. Das bedeutet aber auch: Entweder ist der Divisior in der zu untersuchenden Zahl enthalten, oder er ist es nicht. Das kann aber ganz leicht entschieden werden: Ist die Zahl größer oder gleich dem Divisior, dann ist der Divisor enthalten und zum Ergebnis kann eine 1 hinzugefügt werden. Ist die Zahl kleiner als der Divisior, dann ist der Divisior nicht enthalten und die nächste Ziffer des Ergebnisses ist eine 0.

Beispiel: Es soll die Division 0b01101100 : 0b00001001 ausgeführt werden.

Es wird wieder mit der ersten Stelle begonnen und die oben ausgeführte Vorschrift angewandt.

0b01101101 : 0b00001001 = 0b00001100
^^^^^^^^
||||||||
0 ---------+||||||| 1001 ist in 0 0-mal enthalten
-0 |||||||
-- |||||||
0 |||||||
01 ----------+|||||| 1001 ist in 1 0-mal enthalten
- 0 ||||||
-- ||||||
01 ||||||
011 -----------+||||| 1001 ist in 11 0-mal enthalten
- 0 |||||
--- |||||
011 |||||
0110 ------------+|||| 1001 ist in 110 0-mal enthalten
- 0 ||||
---- ||||
0110 ||||
01101 -------------+||| 1001 ist in 1101 1-mal enthalten
- 1001 |||
----- |||
0100 |||
01001 --------------+|| 1001 ist in 1001 1-mal enthalten
- 1001 ||
----- ||
00000 ||
000000 ---------------+| 1001 ist in 0 0-mal enthalten
- 0 |
------ |
0000001 ----------------+ 1001 ist in 1 0-mal enthalten
- 0
-------
1 Rest

Die Division liefert also das Ergebnis 0b00001100, wobei ein Rest von 1 bleibt. Der Dividend 0b01101101 entspricht der Dezimalzahl 109, der Divisor 0b00001001 der Dezimalzahl 9. Und wie man sich mit einem Taschenrechner leicht überzeugen kann, ergibt die Division von 109 durch 9 einen Wert von 12, wobei 1 Rest bleibt. Die Binärzahl für 12 lautet 0b00001100, das Ergebnis stimmt also.

<avrasm>
ldi r16, 109 ; Dividend
ldi r17, 9 ; Divisor

; Division r16 : r17

ldi r18, 8 ; 8 Bit Division
clr r19 ; Register für die Zwischenergebnisse / Rest
clr r20 ; Ergebnis

divloop:
lsl r16 ; Zwischenergebnis mal 2 nehmen und das
rol r19 ; nächste Bit des Dividenden anhängen

lsl r20 ; das Ergebnis auf jeden Fall mal 2 nehmen,
; das hängt effektiv eine 0 an das Ergebnis an.
; Sollte das nächste Ergebnis-Bit 1 sein, dann wird
; diese 0 in Folge durch eine 1 ausgetauscht

cp r19, r17 ; ist der Divisor größer?
brlo div_zero ; wenn nein, dann bleibt die 0
sbr r20, 1 ; wenn ja, dann jetzt die 0 durch eine 1 austauschen ...
sub r19, r17 ; ... und den Divisor abziehen

div_zero:
dec r18 ; das Ganze 8 mal wiederholen
brne divloop

; in r20 steht das Ergebnis der Division
; in r19 steht der bei der Division entstehende Rest
</avrasm>

== Arithmetik mit mehr als 8 Bit ==

Es gibt eine [[AVR_Arithmetik|Sammlung von Algorithmen zur AVR-Arithmetik]] mit mehr als 8 Bit, deren Grundprinzipien im wesentlichen identisch zu den in diesem Teil ausgeführten Prinzipien sind.

{{Navigation_zurückhochvor|
zurücktext=Logik|
zurücklink=AVR-Tutorial: Logik|
hochtext=Inhaltsverzeichnis|
hochlink=AVR-Tutorial|
vortext=Stack|
vorlink=AVR-Tutorial: Stack}}

[[Category:AVR-Tutorial]]
[[Kategorie:AVR-Arithmetik]]

HD44780

2009-12-18T19:05:03Z

Roolf: /* Pinbelegung */

Der HD44780 ist ein Steuer-IC für Textdisplays (siehe [[LCD]]). Praktisch alle Textdisplays werden mit diesem oder einem kompatiblen Controller (z.B. KS0066) angesteuert.

== Allgemeine Ansteuerung ==

=== Pinbelegung ===

Die Pinbelegung des ICs selber ist für den Anwender praktisch uninteressant. Hier ist die Pinbelegung vieler damit ausgestatteten LCD-Module angegeben.

{| class="wikitable"
!Pin || Funktion || Beschreibung
|-
|1 || | VSS || Versorgungsspannung GND
|-
|2 || | VCC || Versorgungsspannung, meistens 5V
|-
|3 || | V0 ||Kontrastspannung, zwischen VSS und VCC, kann auf VSS gelegt oder via Poti angeschlossen werden. Bei großflächigen LCDs oder LCDs für den erweiterten Temperaturbereich kann auch eine negative Kontrastspannung nötig sein.
|-
|4 || | RS || Registerauswahl 0 = Befehlsregister, 1 = Datenregister
|-
|5 || | R/W || Lese- oder Schreibzugriff; kann fest auf GND gelegt werden, wenn Busy-Auswertung durch Timing ersetzt wird 0 = Schreiben, 1 = Lesen
|-
|6 || | E || Taktleitung
|-
|7 || | DB0 || Datenleitung (bleibt im 4-Bit-Modus offen)
|-
|8 || |DB1 || Datenleitung (bleibt im 4-Bit-Modus offen)
|-
|9 || |DB2 || Datenleitung (bleibt im 4-Bit-Modus offen)
|-
|10 || |DB3 || Datenleitung (bleibt im 4-Bit-Modus offen)
|-
|11 || |DB4 || Datenleitung
|-
|12 || |DB5 || Datenleitung
|-
|13 || |DB6 || Datenleitung
|-
|14 || |DB7 || Datenleitung
|-
|15 || A || Anode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|-
|16 || K || Kathode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|}

===Speicher===

Ein HD44780 besitzt mehrere Speicher. In ihnen wird der Inhalt des Displays sowie das Aussehen von Sonderzeichen gespeichert.

==== CGROM ====

Der '''C'''haracter '''G'''enerator '''ROM''' enthält die Zeichen in Form von 5x8 oder 5x10 Punktmatrizen. Er kann nicht geändert werden, ausser man sendet einen EEPROM zu Hitachi für eine Massenproduktion. Es sind viele verschiedene ROMs (Zeichensätze, engl. Fonts) verfügbar. Er ist für den Anwender nicht zugänglich.

==== CGRAM ====

Im '''C'''haracter '''G'''enerator '''RAM''' können acht 5x8 Pixel oder vier 5x10 Pixel große benutzerdefinierte Zeichen abgelegt werden. Braucht man keine benutzerdefinierten Zeichen, kann man diesen Bereich als Auslagerungsspeicher für den ansteuernden Mikrocontroller benutzen.

==== DDRAM ====

Im '''D'''isplay '''D'''ata '''RAM''' ist der Inhalt des LCDs gespeichert. Die Kodierung orientiert sich weitestgehend am ASCII Zeichensatz.

Das DDRAM hat üblicherweise mehr Speicherstellen als das Display gleichzeitig anzeigt. Durch Anwenden der Display-Shift-Befehle können die nicht sichtbaren Zeichen zur Anzeige gebracht werden.

Benachbarte Zeichen haben im DDRAM nicht zwangsweise auch aufeinanderfolgende Adressen. So ist etwa bei 1x16-Displays (1 Zeile, 16 Zeichen) oft in der Mitte des Displays ein Adresssprung von 0x07 auf 0x40; bei 2x16-Displays ist der Sprung auf 0x40 normalerweise (programmiererfreundlich) zwischen Ende der ersten und Beginn der zweiten Zeile. Näheres ist dem Datenblatt zu entnehmen.

=== Kommandos ===

{| class="wikitable"
|+ '''HD44780 Befehlssatz'''
!Befehl
!RS
!RW
!D7
!D6
!D5
!D4
!D3
!D2
!D1
!D0
|-
|Bildschirminhalt löschen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|-
|Cursor auf Startpos
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|X
|-
|Modus festlegen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|I/D
|S
|-
|Display/Cursor
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|D
|C
|B
|-
|Cursor/Display schieben
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|S/C
|R/L
|X
|X
|-
|Funktionen
|0
|0
|0
|0
|1
|DL
|N
|F
|X
|X
|-
|CGRAM Adresse setzen
|0
|0
|0
|1
|colspan ="6" align="center"|CGRAM-Adresse
|-
|DDRAM Adresse setzen
|0
|0
|1
|colspan="7" align="center"|DDRAM-Adresse
|-
|Adresse/Status lesen
|0
|1
|BF
|colspan="7" align="center"|CG-/DDRAM-Adresse
|-
|Daten in DDRAM/CGRAM schreiben
|1
|0
|colspan="8" align="center"|Daten
|-
|Daten aus DDRAM/CGRAM lesen
|1
|1
|colspan="8" align="center"|Daten
|}

{| class="wikitable"
|+ '''Kodierung der Steuerbits'''
!Bit
!0
!1
|-
|I/D
|Cursorposition dekrementieren
|Cursorposition inkrementieren
|-
|S
|Displayinhalt fest
|Displayinhalt weiterschieben
|-
|D
|Display aus
|Display an
|-
|C
|Cursor aus
|Cursor an
|-
|B
|Cursor blinkt nicht
|Cursor blinkt
|-
|S/C
|Cursor bewegen
|Displayinhalt schieben
|-
|R/L
|Nach links schieben
|Nach rechts schieben
|-
|DL
|4-Bit Interface
|8-Bit Interface
|-
|N
|1-zeiliges Display
|2/4-zeiliges Display
|-
|F
|5×7-Font
|5×10-Font
|-
|BF
|Kann Kommandos annehmen
|Ist beschäftigt
|}

== Ansteuerung per Microcontroller ==

Die Ansteuerung eines HD44780-basierten Displays gestaltet sich sowohl in Bezug auf den Hardware- als auch den Softwareaufwand recht einfach. Sie eignet sich somit sehr gut als Übungsprojekt für Anfänger.

Das HD44780-Interface besteht aus acht Datenleitungen (D0-D7) sowie den drei Steuerleitungen RS ('''R'''egister '''S'''elect), R/W ('''R'''ead/'''W'''rite) und E ('''E'''nable). Die Displays werden mit 5V Betriebsspannung versorgt, die Kontrastspannung V0 bekommt man, indem man ein 10kΩ-[[Potentiometer]] zwischen VCC und GND anschließt und den mittleren Anschluss als Kontrastspannung verwendet. Bei ca. 0,5 Volt werden dann die Pixel sichtbar. Optional haben viele Displays noch eine LED-Beleuchtung eingebaut, diese kann manchmal direkt an 5V angeschlossen werden, da der Vorwiderstand auf der LCD-Platine integriert ist. Oft ist aber auch ein externer Vorwiderstand nötig! Darum vorher besser im Datenblatt nachschauen.

Möchte man IO-Pins am Mikrocontroller sparen, kann das Display im 4-Bit-Modus betrieben werden, die Dateneingänge D0 bis D3 bleiben dann offen. Durch zusätzliche Bauteile ([[AVR-Tutorial:_Schieberegister]]) kann die Zahl der benötigten Port-Pins noch weiter reduziert werden.

Beispielprogramme zur Ansteuerung findet man zuhauf im Internet, u.a. auch hier: [[AVR-Tutorial: LCD]] und [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|AVR-GCC-Tutorial: LCD-Ansteuerung]]

=== Fertige Projekte oder Bibliotheken ===

* Peter Fleurys [http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-software.html LCD library for HD44870 based LCDs]
* Kai Klenovseks [http://kk.elektronik-4u.de/index.php?Sid=9 LCD library for HD44870 based LCDs]
* avr-libc [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__stdiodemo.html Demo-Projekt für stdio]
* [http://wwwiti.cs.uni-magdeburg.de/~buchmann/privat/lcd.htm Grundlagen und Code für 8051] von Erik Buchmann
* [http://home.iae.nl/users/pouweha/lcd/lcd.shtml ''How to control a HD44780-based Character-LCD''] von Peter Ouwehand. Beispiele für 8051, PIC16C54, AT90S2313
* Firma wickenhäuser [http://www.wickenhaeuser.de 8051 Compiler und Treiber für LCDs ]

== Siehe auch ==

* [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung]]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Displays und Anzeigen]]
[[Category:LCD]]

AVR-Tutorial: LCD

2009-12-05T15:19:19Z

Roolf: /* Initialisierung des Displays */ +Erklärung für dreifache Initialisierung

Kaum ein elektronisches Gerät kommt heutzutage noch ohne ein LCD daher. Ist doch auch praktisch, Informationen im Klartext anzeigen zu können, ohne irgendwelche LEDs blinken zu lassen. Kein Wunder also, dass die häufigste Frage in Mikrocontroller-Foren ist: "Wie kann ich ein LCD anschließen?"

==Das LCD und sein Controller==

Die meisten Text-LCDs verwenden den Controller [[HD44780|'''HD44780''']] oder einen kompatiblen (z.B. KS0070) und haben 14 oder 16 Pins. Die Pinbelegung ist praktisch immer gleich:

<center>
{| {{Tabelle}}
|- style="background-color:#ffddcc"
! Pin # || Bezeichnung || Funktion
|-
|align="center" | 1
|align="center" | Vss
|| GND
|-
|align="center" | 2
|align="center" | Vcc
|| 5V
|-
|align="center" | 3
|align="center" | Vee
|| Kontrastspannung (0V bis 5V)
|-
|align="center" | 4
|align="center" | RS
|| Register Select (Befehl/Daten)
|-
|align="center" | 5
|align="center" | RW
|| Read/Write
|-
|align="center" | 6
|align="center" | E
|| Enable
|-
|align="center" | 7
|align="center" | DB0
|| Datenbit 0
|-
|align="center" | 8
|align="center" | DB1
|| Datenbit 1
|-
|align="center" | 9
|align="center" | DB2
|| Datenbit 2
|-
|align="center" | 10
|align="center" | DB3
|| Datenbit 3
|-
|align="center" | 11
|align="center" | DB4
|| Datenbit 4
|-
|align="center" | 12
|align="center" | DB5
|| Datenbit 5
|-
|align="center" | 13
|align="center" | DB6
|| Datenbit 6
|-
|align="center" | 14
|align="center" | DB7
|| Datenbit 7
|-
|align="center" | 15
|align="center" | A
|| LED-Beleuchtung, Anode
|-
|align="center" | 16
|align="center" | K
|| LED-Beleuchtung, Kathode
|}
</center>

Achtung: Unbedingt von der richtigen Seite zu zählen anfangen! Meistens ist neben Pin 1 eine kleine 1 auf der LCD-Platine, ansonsten im Datenblatt nachschauen.

Bei LCDs mit 16-poligem Anschluss sind die beiden letzten Pins für die Hintergrundbeleuchtung reserviert. Hier unbedingt das Datenblatt zu Rate ziehen, die beiden Anschlüsse sind je nach Hersteller verdreht beschaltet. Falls kein Datenblatt vorliegt, kann man mit einem Durchgangsprüfer feststellen, welcher Anschluss mit Masse (GND) verbunden ist.

Vss wird ganz einfach an GND angeschlossen und Vcc an 5V. Vee kann man testweise auch an GND legen. Wenn das LCD dann zu dunkel sein sollte muss man ein 10k-Potentiometer zwischen GND und 5V schalten, mit dem Schleifer an Vee:

[[Bild:LCD_Vee.gif|framed|center| Gewinnung der Kontrastspannung]]

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten zur Ansteuerung eines solchen Displays: den '''8-Bit-''' und den '''4-Bit-'''Modus.
* Für den '''8-Bit-Modus''' werden (wie der Name schon sagt) alle acht Datenleitungen zur Ansteuerung verwendet, somit kann durch einen Zugriff immer ein ganzes Byte übertragen werden.
* Der '''4-Bit-Modus''' verwendet nur die oberen vier Datenleitungen ('''DB4-DB7'''). Um ein Byte zu übertragen braucht man somit zwei Zugriffe, wobei zuerst das höherwertige '''"Nibble"''' (= 4 Bits), also Bit 4 bis Bit 7 übertragen wird und dann das niederwertige, also Bit 0 bis Bit 3. Die unteren Datenleitungen des LCDs, die beim Lesezyklus Ausgänge sind, lässt man offen (siehe Datasheets, z.B. vom KS0070).

Der 4-Bit-Modus hat den Vorteil, dass man 4 IO-Pins weniger benötigt als beim 8-Bit-Modus, weshalb hier eine 4-Bit-Ansteuerung verwendet wird.

Neben den vier Datenleitungen (DB4, DB5, DB6 und DB7) werden noch die Anschlüsse '''RS''', '''RW''' und '''E''' benötigt.

* Über '''RS''' wird ausgewählt, ob man einen Befehl oder ein Datenbyte an das LCD schicken möchte. Ist RS Low, dann wird das ankommende Byte als Befehl interpretiert. Ist RS high, dann wird das Byte auf dem LCD angezeigt.
* '''RW''' legt fest, ob geschrieben oder gelesen werden soll. High bedeutet lesen, low bedeutet schreiben. Wenn man RW auf lesen einstellt und RS auf Befehl, dann kann man das '''Busy-Flag''' an DB7 lesen, das anzeigt, ob das LCD den vorhergehenden Befehl fertig verarbeitet hat. Ist RS auf Daten eingestellt, dann kann man z.B. den Inhalt des Displays lesen - was jedoch nur in den wenigsten Fällen Sinn macht. Deshalb kann man RW dauerhaft auf low lassen (= an GND anschließen), so dass man noch ein IO-Pin am Controller einspart. Der Nachteil ist, dass man dann das Busy-Flag nicht lesen kann, weswegen man nach jedem Befehl vorsichtshalber ein paar Mikrosekunden warten sollte, um dem LCD Zeit zum Ausführen des Befehls zu geben. Dummerweise schwankt die Ausführungszeit von Display zu Display und ist auch von der Betriebsspannung abhängig. Für professionellere Sachen also lieber den IO-Pin opfern und Busy abfragen.
* Der '''E''' Anschluss schließlich signalisiert dem LCD, dass die übrigen Datenleitungen jetzt korrekte Pegel angenommen haben und es die gewünschten Daten von den Datenleitungen bzw. Kommandos von den Datenleitungen übernehmen kann.

== Anschluss an den Controller ==

Jetzt, da wir wissen, welche Anschlüsse das LCD benötigt, können wir das LCD mit dem Mikrocontroller verbinden:

<center>
{| {{Tabelle}}
|- style="background-color:#ffddcc"
!Pinnummer LCD || Bezeichnung || Anschluss
|-
| align="center" |1 || Vss || GND
|-
| align="center" |2 || Vcc || 5V
|-
| align="center" |3 || Vee || GND oder [[Potentiometer | Poti]]
|-
| align="center" |4 || RS || PD4 am AVR
|-
| align="center" |5 || RW || GND
|-
| align="center" |6 || E || PD5 am AVR
|-
| align="center" |7 || DB0 || nicht angeschlossen
|-
| align="center" |8 || DB1 || nicht angeschlossen
|-
| align="center" |9 || DB2 || nicht angeschlossen
|-
| align="center" |10 || DB3 || nicht angeschlossen
|-
| align="center" |11 || DB4 || PD0 am AVR
|-
| align="center" |12 || DB5 || PD1 am AVR
|-
| align="center" |13 || DB6 || PD2 am AVR
|-
| align="center" |14 || DB7 || PD3 am AVR
|-
| align="center" |15 || A || Vorsicht! Meistens nicht direkt an +5V anschließbar, nur über einen Vorwiderstand (z.B. 330Ω)!
|-
| align="center" |16 || K || GND
|}
</center>

Ok alles ist verbunden. Wenn man jetzt den Strom einschaltet, sollten ein oder zwei schwarze Balken auf dem Display angezeigt werden. Doch wie bekommt man jetzt die Befehle und Daten in das Display?

== Ansteuerung des LCDs im 4-Bit-Modus ==

Um ein Byte zu übertragen, muss man es erstmal in die beiden Nibbles zerlegen, die getrennt übertragen werden. Da das obere Nibble (Bit 4 - Bit 7) als erstes übertragen wird, die 4 Datenleitungen jedoch an die vier unteren Bits des Port D angeschlossen sind, muss man die beiden Nibbles des zu übertragenden Bytes erstmal vertauschen. Der AVR kennt dazu praktischerweise einen eigenen Befehl:

<avrasm>
swap r16 ; vertauscht die beiden Nibbles von r16
</avrasm>

Aus 0b00100101 wird so z.B. 0b01010010.

Jetzt sind die Bits für die erste Phase der Übertragung an der richtigen Stelle. Trotzdem wollen wir das Ergebnis nicht einfach so mit '''out PORTD, r16''' an den Port geben. Um die Hälfte des Bytes, die jetzt nicht an die Datenleitungen des LCDs gegeben wird auf null zu setzen, verwendet man folgenden Befehl:

<avrasm>
andi r16, 0b00001111 ; Nur die vier unteren (mit 1 markierten)
; Bits werden übernommen, alle anderen werden null
</avrasm>

Also: Das obere Nibble wird erst mit dem unteren vertauscht, damit es unten ist. Dann wird das obere (das wir jetzt noch nicht brauchen) auf null gesetzt.

Jetzt müssen wir dem LCD noch mitteilen, ob wir Daten oder Befehle senden wollen. Das machen wir, indem wir das Bit, an dem RS angeschlossen ist (PD4), auf 0 (Befehl senden) oder auf 1 (Daten senden) setzen. Um ein Bit in einem normalen Register zu setzen, gibt es den Befehl sbr (Set Bit in Register). Dieser Befehl unterscheidet sich jedoch von sbi (das nur für IO-Register gilt) dadurch, dass man nicht die Nummer des zu setzenden Bits angibt, sondern eine Bitmaske. Das geht so:

<avrasm>
sbr r16, 0b00010000 ; Bit 4 setzen, alle anderen Bits bleiben gleich
</avrasm>

RS ist an PD4 angeschlossen. Wenn wir r16 an den Port D ausgeben, ist RS jetzt also high und das LCD erwartet Daten anstatt von Befehlen.

Das Ergebnis können wir jetzt endlich direkt an den Port D übergeben:

<avrasm>
out PORTD, r16
</avrasm>

Natürlich muss vorher der Port D auf Ausgang geschalten werden, indem man 0xFF ins Datenrichtungsregister DDRD schreibt.

Um dem LCD zu signalisieren, dass es das an den Datenleitungen anliegende Nibble übernehmen kann, wird die E-Leitung (Enable, an PD5 angeschlossen) auf high und kurz darauf wieder auf low gesetzt:

<avrasm>
sbi PORTD, 5 ; Enable high
nop ; 3 Taktzyklen warten ("nop" = nichts tun)
nop
nop
cbi PORTD, 5 ; Enable wieder low
</avrasm>

Die eine Hälfte des Bytes wäre damit geschafft! Die andere Hälfte kommt direkt hinterher: Alles, was an der obenstehenden Vorgehensweise geändert werden muss, ist, das "swap" (Vertauschen der beiden Nibbles) wegzulassen.

== Initialisierung des Displays ==

Allerdings gibt es noch ein Problem. Wenn ein LCD eingeschaltet wird, dann läuft es zunächst im 8 Bit Modus. Irgendwie muss das Display initialisiert und auf den 4 Bit Modus umgeschaltet werden, und zwar nur mit den 4 zur Verfügung stehenden Datenleitungen. 

Wenn es Probleme gibt, dann meistens an diesem Punkt. Die "kompatiblen" Kontroller sind gelegentlich doch nicht 100% identisch. Es lohnt sich, das Datenblatt (siehe Weblinks im Artikel [[LCD]]) genau zu lesen, in welcher Reihenfolge und mit welchen Abständen (Delays) die Initialisierungbefehle gesendet werden. Eine weitere Hilfe können Ansteuerungsbeispiele in Forenbeiträgen geben z.B.

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/79609#664268 (A) KS0066U oder Ähnliche --- LCD Treiber]

=== Initialisierung für 4 Bit Modus ===

Achtung: Im Folgenden sind alle Bytes aus Sicht des LCD-Kontrollers angegeben! Da LCD-seitig nur die Leitungen DB4 - DB7 verwendet werden, ist daher immer nur das höherwertige Nibble gültig. Durch die Art der Verschaltung (DB4 - DB7 wurde auf dem PORT an PD0 bis PD3 angeschlossen) ergibt sich eine Verschiebung, so dass das am Kontroller auszugebende Byte nibblemässig vertauscht ist!

Die Sequenz, aus Sicht des Kontrollers, sieht so aus:

* Nach dem Anlegen der Betriebsspannung muss eine Zeit von mindestens ca. 15ms gewartet werden, um dem LCD-Kontroller Zeit für seine eigene Initialisierung zu geben
* $3 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* Mindestens 4.1ms warten
* $3 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* Mindestens 100µs warten
* $3 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* $2 ins Steuerregister schreiben (RS = 0), dadurch wird auf 4 Bit Daten umstellt
* Ab jetzt muss für die Übertragung eines Bytes jeweils zuerst das höherwertige Nibble und dann das niederwertige Nibble übertragen werden, wie oben beschrieben
* Mit dem Konfigurier-Befehl $20 das Display konfigurieren (4-Bit, 1 oder 2 Zeilen, 5x7 Format)
* Mit den restlichen Konfigurierbefehlen die Konfiguration vervollständigen: Display ein/aus, Cursor ein/aus, etc.

Eine Begründung, warum die ersten Befehle dreifach geschickt werden sollen, findet sich [http://www.mikrocontroller.net/topic/158983#1508510 im Forum].

=== Initialisierung für 8 Bit Modus ===

Der Vollständigkeit halber hier noch die notwendige Initialiserungssequenz für den 8 Bit Modus. Da hier die Daten komplett als 1 Byte übertragen werden können, sind einige Klimmzüge wie im 4 Bit Modus nicht notwendig. Begründung für die anfänglichen Wiederholungen siehe oben.

* Nach dem Anlegen der Betriebsspannung muss eine Zeit von mindestens ca. 15ms gewartet werden, um dem LCD-Kontroller Zeit für seine eigene Initialisierung zu geben
* $30 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* Mindestens 4.1ms warten
* $30 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* Mindestens 100µs warten
* $30 ins Steuerregister schreiben (RS = 0)
* Mit dem Konfigurier-Befehl 0x30 das Display konfigurieren (8-Bit, 1 oder 2 Zeilen, 5x7 Format)
* Mit den restlichen Konfigurierbefehlen die Konfiguration vervollständigen: Display ein/aus, Cursor ein/aus, etc.

== Routinen zur LCD-Ansteuerung ==

Die Routinen zur Kommunikation mit dem LCD sehen also so aus:

<avrasm>
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; LCD-Routinen ;;
;; ============ ;;
;; (c)andreas-s@web.de ;;
;; ;;
;; 4bit-Interface ;;
;; DB4-DB7: PD0-PD3 ;;
;; RS: PD4 ;;
;; E: PD5 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;sendet ein Datenbyte an das LCD
lcd_data:
mov temp2, temp1 ; "Sicherungskopie" für
; die Übertragung des 2.Nibbles
swap temp1 ; Vertauschen
andi temp1, 0b00001111 ; oberes Nibble auf Null setzen
sbr temp1, 1<<4 ; entspricht 0b00010000 (Anm.1)
out PORTD, temp1 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
; 2. Nibble, kein swap da es schon
; an der richtigen stelle ist
andi temp2, 0b00001111 ; obere Hälfte auf Null setzen
sbr temp2, 1<<4 ; entspricht 0b00010000
out PORTD, temp2 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
rcall delay50us ; Delay-Routine aufrufen
ret ; zurück zum Hauptprogramm

; sendet einen Befehl an das LCD
lcd_command: ; wie lcd_data, nur RS=0
mov temp2, temp1
swap temp1
andi temp1, 0b00001111
out PORTD, temp1
rcall lcd_enable
andi temp2, 0b00001111
out PORTD, temp2
rcall lcd_enable
rcall delay50us
ret

; erzeugt den Enable-Puls
;
; Bei höherem Takt (>= 8 MHz) kann es notwendig sein,
; vor dem Enable High 1-2 Wartetakte (nop) einzufügen.
; Siehe dazu http://www.mikrocontroller.net/topic/81974#685882
lcd_enable:
sbi PORTD, 5 ; Enable high
nop ; 3 Taktzyklen warten
nop
nop
cbi PORTD, 5 ; Enable wieder low
ret ; Und wieder zurück

; Pause nach jeder Übertragung
delay50us: ; 50us Pause
ldi temp1, $42
delay50us_:dec temp1
brne delay50us_
ret ; wieder zurück

; Längere Pause für manche Befehle
delay5ms: ; 5ms Pause
ldi temp1, $21
WGLOOP0: ldi temp2, $C9
WGLOOP1: dec temp2
brne WGLOOP1
dec temp1
brne WGLOOP0
ret ; wieder zurück

; Initialisierung: muss ganz am Anfang des Programms aufgerufen werden
lcd_init:
ldi temp3,50
powerupwait:
rcall delay5ms
dec temp3
brne powerupwait
ldi temp1, 0b00000011 ; muss 3mal hintereinander gesendet
out PORTD, temp1 ; werden zur Initialisierung
rcall lcd_enable ; 1
rcall delay5ms
rcall lcd_enable ; 2
rcall delay5ms
rcall lcd_enable ; und 3!
rcall delay5ms
ldi temp1, 0b00000010 ; 4bit-Modus einstellen
out PORTD, temp1
rcall lcd_enable
rcall delay5ms
ldi temp1, 0b00101000 ; 4Bit / 2 Zeilen / 5x8
rcall lcd_command
ldi temp1, 0b00001100 ; Display ein / Cursor aus / kein Blinken
rcall lcd_command
ldi temp1, 0b00000100 ; inkrement / kein Scrollen
rcall lcd_command
ret

; Sendet den Befehl zur Löschung des Displays
lcd_clear:
ldi temp1, 0b00000001 ; Display löschen
rcall lcd_command
rcall delay5ms
ret

; Sendet den Befehl: Cursor Home
lcd_home:
ldi temp1, 0b00000010 ; Cursor Home
rcall lcd_command
rcall delay5ms
ret
</avrasm>

Anm.1: Siehe [[Bitmanipulation]]

Weitere Funktionen (wie z.B. Cursorposition verändern) sollten mit Hilfe der [[AVR-Tutorial:_LCD#Welche_Befehle_versteht_das_LCD.3F|Befehlscodeliste]] nicht schwer zu realisieren sein. Einfach den Code in temp laden, lcd_command aufrufen und ggf. eine Pause einfügen.

Natürlich kann man die LCD-Ansteuerung auch an einen anderen Port des Mikrocontrollers "verschieben": Wenn das LCD z.B. an Port B angeschlossen ist, dann reicht es, im Programm alle "PORTD" durch "PORTB" und "DDRD" durch "DDRB" zu ersetzen.

Wer eine höhere Taktfrequenz als 4 MHz verwendet, der sollte daran denken, die Dauer der Verzögerungsschleifen anzupassen.

==Anwendung==

Ein Programm, das diese Routinen zur Anzeige von Text verwendet, kann z.B. so aussehen (die Datei lcd-routines.asm muss sich im gleichen Verzeichnis befinden). Nach der Initialisierung wird zuerst der Displayinhalt gelöscht. Um dem LCD ein Zeichen zu schicken, lädt man es in temp1 und ruft die Routine "lcd_data" auf. Das folgende Beispiel zeigt das Wort "Test" auf dem LCD an.

[http://www.mikrocontroller.net/sourcecode/tutorial/lcd-test.asm Download lcd-test.asm]

<avrasm>
.include "m8def.inc"

.def temp1 = r16
.def temp2 = r17
.def temp3 = r18

ldi temp1, LOW(RAMEND) ; LOW-Byte der obersten RAM-Adresse
out SPL, temp1
ldi temp1, HIGH(RAMEND) ; HIGH-Byte der obersten RAM-Adresse
out SPH, temp1

ldi temp1, 0xFF ; Port D = Ausgang
out DDRD, temp1

rcall lcd_init ; Display initialisieren
rcall lcd_clear ; Display löschen

ldi temp1, 'T' ; Zeichen anzeigen
rcall lcd_data

ldi temp1, 'e' ; Zeichen anzeigen
rcall lcd_data

ldi temp1, 's' ; Zeichen anzeigen
rcall lcd_data

ldi temp1, 't' ; Zeichen anzeigen
rcall lcd_data

loop:
rjmp loop

.include "lcd-routines.asm" ; LCD-Routinen werden hier eingefügt
</avrasm>

Für längere Texte ist die Methode, jedes Zeichen einzeln in das Register zu laden und "lcd_data" aufzurufen natürlich nicht sehr praktisch. Dazu später aber mehr.

Bisher wurden in Register immer irgendwelche Zahlenwerte geladen, aber in diesem Programm kommt plötzlich die Anweisung
<avrasm>
ldi temp1, 'T'
</avrasm>
vor. Wie ist diese zu verstehen? Passiert hier etwas grundlegend anderes als beim Laden einer Zahl in ein Register?

Die Antwort darauf lautet: Nein. Auch hier wird letztendlich nur eine Zahl in ein Register geladen. Der Schlüssel zum Verständnis beruht darauf, dass zum LCD, so wie zu allen Ausgabegeräten, für die Ausgabe von Texten immer nur Zahlen übertragen werden, sog. Codes. Zum Beispiel könnte man vereinbaren, dass ein LCD, wenn es den Ausgabecode 65 erhält, ein 'A' anzeigt, bei einem Ausgabecode von 66 ein 'B' usw. Naturgemäß gibt es daher viele verschiedene Code-Buchstaben Zuordnungen. Damit hier etwas Ordnung in das potentielle Chaos kommt, hat man sich bereits in der Steinzeit der Programmierung auf bestimmte Codetabellen geeinigt, von denen die verbreitetste sicherlich die ASCII-Zuordnung ist.

==ASCII==

ASCII steht für ''American Standard Code for Information Interchange'' und ist ein standardisierter Code zur Zeichenumsetzung. Die Codetabelle sieht hexadezimal dabei wie folgt aus:

<center>
{| {{Tabelle}}
|- style="background-color:#ffddcc"
! ||x0||x1||x2||x3||x4||x5||x6||x7||x8||x9||xA||xB||xC||xD||xE||xF
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 0x
|NUL||SOH||STX||ETX||EOT||ENQ||ACK||BEL||BS||HT||LF||VT||FF||CR||SO||SI
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 1x
|DLE||DC1||DC2||DC3||DC4||NAK||SYN||ETB||CAN||EM||SUB||ESC||FS||GS||RS||US
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 2x
|SP||!||"||#||$||%||&||'||(||)||*||+||,||-||.||/
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 3x
|0||1||2||3||4||5||6||7||8||9||:||;||<||=||>||?
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 4x
|@||A||B||C||D||E||F||G||H||I||J||K||L||M||N||O
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 5x
|P||Q||R||S||T||U||V||W||X||Y||Z||[||\||]||^||_
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 6x
|`||a||b||c||d||e||f||g||h||i||j||k||l||m||n||o
|-
!style="background-color:#ffddcc"| 7x
|p||q||r||s||t||u||v||w||x||y||z||{|| | ||}||~||DEL
|}
</center>

Die ersten beiden Zeilen enthalten die Codes für einige Steuerzeichen, ihre vollständige Beschreibung würde hier zu weit führen. Das Zeichen '''SP''' steht für ein ''Space'', also ein Leerzeichen. '''BS''' steht für ''Backspace'', also ein Zeichen zurück. '''DEL''' steht für ''Delete'', also das Löschen eines Zeichens. '''CR''' steht für ''Carriage Return'', also wörtlich: der Wagenrücklauf (einer Schreibmaschine), während '''LF''' für ''Line feed'', also einen Zeilenvorschub steht.

Der Assembler kennt diese Codetabelle und ersetzt die Zeile

<avrasm>
ldi temp1, 'T'
</avrasm>

durch

<avrasm>
ldi temp1, $54
</avrasm>

was letztendlich auch der Lesbarkeit des Programmes zugute kommt. Funktional besteht kein Unterschied zwischen den beiden Anweisungen. Beide bewirken, dass das Register temp1 mit dem Bitmuster 01010100 ( = hexadezimal 54, = dezimal 84 oder eben der ASCII Code für '''T''') geladen wird.

Das LCD wiederrum kennt diese Code-Tabelle ebenfalls und wenn es über den Datenbus die Codezahl $54 zur Anzeige empfängt, dann schreibt es ein '''T''' an die aktuelle Cursorposition. Genauer gesagt, weiss das LCD nichts von einem '''T'''. Es sieht einfach in seinen internen Tabellen nach, welche Pixel beim Empfang der Codezahl $54 auf schwarz zu setzen sind. 'Zufällig' sind das genau jene Pixel, die für uns Menschen ein '''T''' ergeben.

==Welche Befehle versteht das LCD?==

Auf dem LCD arbeitet ein Controller vom Typ HD44780. Dieser Kontroller versteht eine Reihe von Befehlen, die allesamt mittels lcd_command gesendet werden können. Ein Kommando ist dabei nichts anderes als ein Befehlsbyte, in dem die verschiedenen Bits verschiedene Bedeutungen haben:

<center>
{| {{Tabelle}}
|- style="background-color:#ffddcc"
! Bitwert || Bedeutung
|-
|align="center" | 0
||dieses Bit muss 0 sein
|-
|align="center" | 1
||dieses Bit muss 1 sein
|-
|align="center" | x
||der Zustand dieses Bits ist egal
|-
|align="center" | sonstige Buchstaben
||das Bit muss je nach gewünschter Funktionalität gesetzt werden. Die mögliche Funktionalität des jeweiligen Bits geht aus der Befehlsbeschreibung hervor
|}
</center>

Beispiel: Das Kommando 'ON/OFF Control' soll benutzt werden, um das Display einzuschalten, der Cursor soll eingeschaltet werden und der Cursor soll blinken.
Das Befehlsbyte ist so aufgebaut:
0b00001dcb
Aus der Befehlsbeschreibung entnimmt man:
* Display ein bedeutet, dass an der Bitposition d eine 1 stehen muss. 
* Cursor ein bedeutet, dass an der Bitposition c ein 1 stehen muss. 
* Cursor blinken bedeutet, dass an der Bitposition b eine 1 stehen muss. 
Das dafür zu übertragende Befehlsbyte hat also die Gestalt 0b00001111 oder in hexadezimaler Schreibweise $0F.

===Clear display: 0b00000001===

Die Anzeige wird gelöscht und der Ausgabecursor kehrt an die Home Position (links, erste Zeile) zurück.

Ausführungszeit: 1.64ms

===Cursor home: 0b0000001x===

Der Cursor kehrt an die Home Position (links, erste Zeile) zurück. Ein verschobenes Display wird auf die Grundeinstellung zurückgesetzt.

Ausführungszeit: 40µs bis 1.64ms

===Entry mode: 0b000001is===

Legt die Cursor Richtung sowie eine mögliche Verschiebung des Displays fest
* i = 1, Cursorposition bei Ausgabe eines Zeichens erhöhen
* i = 0, Cursorposition bei Ausgabe eines Zeichens vermindern
* s = 1, Display wird gescrollt, wenn der Cursor das Ende/Anfang, je nach Einstellung von i, erreicht hat.

Ausführungszeit: 40µs

===On/off control: 0b00001dcb===

Display insgesamt ein/ausschalten; den Cursor ein/ausschalten; den Cursor auf blinken schalten/blinken aus. Wenn das Display ausgeschaltet wird, geht der Inhalt des Displays nicht verloren. Der vorher angezeigte Text wird nach wiedereinschalten erneut angezeigt.
Ist der Cursor eingeschaltet, aber Blinken ausgeschaltet, so wird der Cursor als Cursorzeile in Pixelzeile 8 dargestellt. Ist Blinken eingeschaltet, wird der Cursor als blinkendes ausgefülltes Rechteck dargestellt, welches abwechselnd mit dem Buchstaben an dieser Stelle angezeigt wird.

* d = 0, Display aus
* d = 1, Display ein
* c = 0, Cursor aus
* c = 1, Cursor ein
* b = 0, Cursor blinken aus
* b = 1, Cursor blinken ein

Ausführungszeit: 40µs

===Cursor/Scrollen: 0b0001srxx===

Bewegt den Cursor oder scrollt das Display um eine Position entweder nach rechts oder nach links.

* s = 1, Display scrollen
* s = 0, Cursor bewegen
* r = 1, nach rechts
* r = 0, nach links

Ausführungszeit: 40µs

===Konfiguration: 0b001dnfxx===

Einstellen der Interface Art, Modus, Font
* d = 0, 4-Bit Interface
* d = 1, 8-Bit Interface
* n = 0, 1 zeilig
* n = 1, 2 zeilig
* f = 0, 5x7 Pixel
* f = 1, 5x11 Pixel

Ausführungszeit: 40µs

===Character RAM Address Set: 0b01aaaaaa===

Mit diesem Kommando werden maximal 8 selbst definierte Zeichen definiert. Dazu wird der Character RAM Zeiger auf den Anfang des Character Generator (CG) RAM gesetzt und das Zeichen durch die Ausgabe von 8 Byte definiert. Der Adresszeiger wird nach Ausgabe jeder Pixelspalte (8 Bit) vom LCD selbst erhöht. Nach Beendigung der Zeichendefinition muss die Schreibposition explizit mit dem Kommando "Display RAM Address Set" wieder in den DD-RAM Bereich gesetzt werden.

aaaaaa 6-bit CG RAM Adresse

Ausführungszeit: 40µs

===Display RAM Address Set: 0b1aaaaaaa===

Den Cursor neu positionieren. Display Data (DD) Ram ist vom Character Generator (CG) Ram unabhängig. Der Adresszeiger wird bei Ausgabe eines Zeichens ins DD Ram automatisch erhöht. Das Display verhält sich so, als ob eine Zeile immer aus 32 logischen Zeichen besteht, von der, je nach konkretem Displaytyp (16 Zeichen, 20 Zeichen) immer nur ein Teil sichtbar ist.

aaaaaaa 7-bit DD RAM Adresse. Auf 2-zeiligen Displays (und den meisten 16x1 Displays), kann die Adressangabe wie folgt interpretiert werden:

1laaaaaa
* l = Zeilennummer (0 oder 1)
* a = 6-Bit Spaltennummer

--------------------------------
RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
--- --- --- --- --- --- --- --- --- ---
0 0 1 A A A A A A A

Setzt die DDRAM Adresse:

Wenn N = 0 (1 line display)
AAAAAAA = "00h" - "4Fh"

Wenn N = 1 (2 line display) ((1x16))
AAAAAAA = "00h" - "27h" Zeile 1. (0x80)
AAAAAAA = "40h" - "67h" Zeile 2. (0xC0)

Ausführungszeit: 40µs

==Einschub: Code aufräumen==

Es wird Zeit, sich einmal etwas kritisch mit den bisher geschriebenen Funktionen auseinander zu setzen.

===Portnamen aus dem Code herausziehen===

Wenn wir die LCD-Funktionen einmal genauer betrachten, dann fällt sofort auf, dass über die Funktionen verstreut immer wieder das '''PORTD''' sowie einzelne Zahlen für die Pins an diesem Port auftauchen. Wenn das LCD an einem anderen Port betrieben werden soll, oder sich die Pin-Belegung ändert, dann muss an all diesen Stellen eine Anpassung vorgenommen werden. Dabei darf keine einzige Stelle übersehen werden, ansonsten würden die LCD-Funktionen nicht oder nicht vollständig funktionieren.

Eine Möglichkeit, dem vorzubeugen, ist es, diese immer gleichbleibenden Dinge an den Anfang der LCD-Funktionen vorzuziehen:

<avrasm>
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; LCD-Routinen ;;
;; ============ ;;
;; (c)andreas-s@web.de ;;
;; ;;
;; 4bit-Interface ;;
;; DB4-DB7: PD0-PD3 ;;
;; RS: PD4 ;;
;; E: PD5 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

.equ LCD_PORT = PORTD
.equ LCD_DDR = DDRD
.equ PIN_E = 5
.equ PIN_RS = 4

;sendet ein Datenbyte an das LCD
lcd_data:
mov temp2, temp1 ; "Sicherungskopie" für
; die Übertragung des 2.Nibbles
swap temp1 ; Vertauschen
andi temp1, 0b00001111 ; oberes Nibble auf Null setzen
sbr temp1, 1<<PIN_RS ; entspricht 0b00010000
out LCD_PORT, temp1 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
; 2. Nibble, kein swap da es schon
; an der richtigen stelle ist
andi temp2, 0b00001111 ; obere Hälfte auf Null setzen
sbr temp2, 1<<PIN_RS ; entspricht 0b00010000
out LCD_PORT, temp2 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
rcall delay50us ; Delay-Routine aufrufen
ret ; zurück zum Hauptprogramm

; sendet einen Befehl an das LCD

lcd_command: ; wie lcd_data, nur RS=0
mov temp2, temp1
swap temp1
andi temp1, 0b00001111
out LCD_PORT, temp1
rcall lcd_enable
andi temp2, 0b00001111
out LCD_PORT, temp2
rcall lcd_enable
rcall delay50us
ret

; erzeugt den Enable-Puls
lcd_enable:
sbi LCD_PORT, PIN_E ; Enable high
nop ; 3 Taktzyklen warten
nop
nop
cbi LCD_PORT, PIN_E ; Enable wieder low
ret ; Und wieder zurück

; Pause nach jeder Übertragung
delay50us: ; 50us Pause
ldi temp1, $42
delay50us_:dec temp1
brne delay50us_
ret ; wieder zurück

; Längere Pause für manche Befehle
delay5ms: ; 5ms Pause
ldi temp1, $21
WGLOOP0: ldi temp2, $C9
WGLOOP1: dec temp2
brne WGLOOP1
dec temp1
brne WGLOOP0
ret ; wieder zurück

; Initialisierung: muss ganz am Anfang des Programms aufgerufen werden
lcd_init:
ldi temp1, 0xFF ; alle Pins am Ausgabeport auf Ausgang
out LCD_DDR, temp1

ldi temp3,6
powerupwait:
rcall delay5ms
dec temp3
brne powerupwait
ldi temp1, 0b00000011 ; muss 3mal hintereinander gesendet
out LCD_PORT, temp1 ; werden zur Initialisierung
rcall lcd_enable ; 1
rcall delay5ms
rcall lcd_enable ; 2
rcall delay5ms
rcall lcd_enable ; und 3!
rcall delay5ms
ldi temp1, 0b00000010 ; 4bit-Modus einstellen
out LCD_PORT, temp1
rcall lcd_enable
rcall delay5ms
ldi temp1, 0b00101000 ; 4 Bit, 2 Zeilen
rcall lcd_command
ldi temp1, 0b00001100 ; Display on, Cursor off
rcall lcd_command
ldi temp1, 0b00000100 ; endlich fertig
rcall lcd_command
ret

; Sendet den Befehl zur Löschung des Displays
lcd_clear:
ldi temp1, 0b00000001 ; Display löschen
rcall lcd_command
rcall delay5ms
ret

; Sendet den Befehl: Cursor Home
lcd_home:
ldi temp1, 0b00000010 ; Cursor Home
rcall lcd_command
rcall delay5ms
ret
</avrasm>

Mittels '''.equ''' werden mit dem Assembler Textersetzungen vereinbart. Der Assembler ersetzt alle Vorkomnisse des Quelltextes durch den zu ersetzenden Text. Dadurch ist es z.B. möglich, alle Vorkommnisse von '''PORTD''' durch '''LCD_PORT''' auszutauschen. Wird das LCD an einen anderen Port, z.B. '''PORTB''' gelegt, dann genügt es, die Zeilen
<avrasm>
.equ LCD_PORT = PORTD
.equ LCD_DDR = DDRD
</avrasm>
durch
<avrasm>
.equ LCD_PORT = PORTB
.equ LCD_DDR = DDRB
</avrasm>
zu ersetzen. Der Assembler sorgt dann dafür, dass diese Portänderung an den relevanten Stellen im Code über die Textersetzungen einfließt. Selbiges natürlich mit der Pin-Zuordnung.

===Registerbenutzung===

Bei diesen Funktionen mussten einige Register des Prozessors benutzt werden, um darin Zwischenergebnisse zu speichern bzw. zu bearbeiten.

Beachtet werden muss dabei natürlich, dass es zu keinen Überschneidungen kommt. Solange nur jede Funktion jeweils für sich betrachtet wird, ist das kein Problem. In 20 oder 30 Code-Zeilen kann man gut verfolgen, welches Register wofür benutzt wird. Schwieriger wird es, wenn Funktionen wiederum andere Funktionen aufrufen, die ihrerseits wieder Funktionen aufrufen usw. Jede dieser Funktionen benutzt einige Register und mit zunehmender Programmgröße wird es immer schwieriger, zu verfolgen, welches Register zu welchem Zeitpunkt wofür benutzt wird.

Speziell bei Basisfunktionen wie diesen LCD-Funktionen, ist es daher oft ratsam, dafür zu sorgen, dass jede Funktion die Register wieder in dem Zustand hinterlässt, indem sie sie auch vorgefunden hat. Wir benötigen dazu wieder den Stack, auf dem die Registerinhalte bei Betreten einer Funktion zwischengespeichert werden und von dem die Register bei Verlassen einer Funktion wiederhergestellt werden.

Nehmen wir die Funktion
<avrasm>
; Sendet den Befehl zur Löschung des Displays
lcd_clear:
ldi temp1, 0b00000001 ; Display löschen
rcall lcd_command
rcall delay5ms
ret
</avrasm>

Diese Funktion verändert das Register temp1. Um das Register abzusichern, schreiben wir die Funktion um:

<avrasm>
; Sendet den Befehl zur Löschung des Displays
lcd_clear:
push temp1 ; temp1 auf dem Stack sichern
ldi temp1, 0b00000001 ; Display löschen
rcall lcd_command
rcall delay5ms
pop temp1 ; temp1 vom Stack wiederherstellen
ret
</avrasm>

Am besten hält man sich an die Regel: Jede Funktion ist dafür zuständig, die Register zu sichern und wieder herzustellen, die sie auch selbst verändert. '''lcd_clear''' ruft die Funktionen '''lcd_command''' und '''delay5ms''' auf. Wenn diese Funktionen selbst wieder Register verändern (und das tun sie), so ist es die Aufgabe dieser Funktionen, sich um die Sicherung und das Wiederherstellen der entsprechenden Register zu kümmern. '''lcd_clear''' sollte sich nicht darum kümmern müssen. Auf diese Weise ist das Schlimmste, das einem passieren kann, dass ein paar Register unnütz gesichert und wiederhergestellt werden. Das kostet zwar etwas Rechenzeit und etwas Speicherplatz auf dem Stack, ist aber immer noch besser als das andere Extrem: Nach einem Funktionsaufruf haben einige Register nicht mehr den Wert, den sie haben sollten, und das Programm rechnet mit falschen Zahlen weiter.

===Lass den Assembler rechnen===
Betrachtet man den Code genauer, so fallen einige konstante Zahlenwerte auf (Das vorangestellte $ kennzeichnet die Zahl als Hexadezimalzahl):

<avrasm>
delay50us: ; 50us Pause
ldi temp1, $42
delay50us_:
dec temp1
brne delay50us_
ret ; wieder zurück
</avrasm>

Der Code benötigt eine Warteschleife, die mindestens 50µs dauert. Die beiden Befehle innerhalb der Schleife benötigen 3 Takte: 1 Takt für den '''dec''' und der '''brne''' benötigt 2 Takte, wenn die Bedingung zutrifft, der Branch also genommen wird. Bei 4 Mhz werden also 4000000 / 3 * 50 / 1000000 = 66.6 Durchläufe durch die Schleife benötigt, um eine Verzögerungszeit von 50µs (0.000050 Sekunden) zu erreichen, hexadezimal ausgedrückt: $42.

Der springende Punkt ist: Bei anderen Taktfrequenzen müsste man nun jedesmal diese Berechnung machen und den entsprechenden Zahlenwert einsetzen. Das kann aber der Assembler genausogut erledigen. Am Anfang des Codes wird ein Eintrag definiert, der die Taktfrequenz festlegt. Traditionell heißt dieser Eintrag XTAL:

<avrasm>
.equ XTAL = 4000000

...

delay50us: ; 50us Pause
ldi temp1, ( XTAL * 50 / 3 ) / 1000000
delay50us_:
dec temp1
brne delay50us_
ret ; wieder zurück
</avrasm>

An einer anderen Codestelle gibt es weitere derartige magische Zahlen:

<avrasm>
; Längere Pause für manche Befehle
delay5ms: ; 5ms Pause
ldi temp1, $21
WGLOOP0: ldi temp2, $C9
WGLOOP1: dec temp2
brne WGLOOP1
dec temp1
brne WGLOOP0
ret ; wieder zurück
</avrasm>

Was geht hier vor?
Die innere Schleife benötigt wieder 3 Takte pro Durchlauf. Bei $C9 = 201 Durchläufen werden also 201 * 3 = 603 Takte verbraucht. In der äußeren Schleife werden pro Durchlauf alo 1 + 603 + 1 + 2 = 607 Takte verbraucht. Da die äußere Schleife $21 = 33 mal wiederholt wird, werden 20031 Takte verbraucht. Bei 4Mhz benötigt der Prozessor 20031 / 4000000 = 0.005007 Sekunden, also 5 ms.
Wird der Wiederholwert für die innere Schleife bei $C9 belassen, so werden 4000000 / 607 * 5 / 1000 Wiederholungen der äusseren Schleife benötigt. Auch diese Berechnung kann wieder der Assembler übernehmen:

<avrasm>
; Längere Pause für manche Befehle
delay5ms: ; 5ms Pause
ldi temp1, ( XTAL * 5 / 607 ) / 1000
WGLOOP0: ldi temp2, $C9
WGLOOP1: dec temp2
brne WGLOOP1
dec temp1
brne WGLOOP0
ret ; wieder zurück
</avrasm>

Ein kleines Problem kann bei der Verwendung dieses Verfahrens entstehen: Bei hohen Taktfrequenzen und großen Wartezeiten kann der berechnete Wert größer als 255 werden und man bekommt die Fehlermeldung "Operand(s) out of range" beim Assemblieren. Dieser Fall tritt zum Beispiel für obige Konstruktion bei einer Taktfrequenz von 16 MHz ein (genauer gesagt ab 15,3 MHz), während darunter XTAL beliebig geändert werden kann. Als einfachste Lösung bietet es sich an, die Zahl der Takte pro Schleifendurchlauf durch das Einfügen von '''nop''' zu erhöhen und die Berechnungsvorschrift anzupassen.

== Ausgabe eines konstanten Textes ==

Weiter oben wurde schon einmal ein Text ausgegeben. Dies geschah durch Ausgabe von einzelnen Zeichen. Das können wir auch anders machen. Wir können den Text im Speicher ablegen und eine Funktion schreiben, die die einzelnen Zeichen aus dem Speicher holt und ausgibt. Dabei erhebt sich aber eine Fragestellung: Woher weiß die Funktion eigentlich, wie lange der Text ist? Die Antwort darauf lautet: Sie kann es nicht wissen. Wir müssen irgendwelche Vereinbarungen treffen, woran die Funktion erkennen kann, dass der Text zu Ende ist. Im Wesentlichen werden dazu 2 Methoden benutzt:
* Der Text enthält ein spezielles Zeichen, welches das Ende des Textes markiert
* Wir speichern nicht nur den Text selbst, sondern auch die Länge des Textes
Mit einer der beiden Methoden ist es der Textausgabefunktion dann ein Leichtes, den Text vollständig auszugeben.

Wir werden uns im Weiteren dafür entscheiden, ein spezielles Zeichen, eine 0, dafür zu benutzen. Die Ausgabefunktionen werden dann etwas einfacher, als wenn bei der Ausgabe die Anzahl der bereits ausgegebenen Zeichen mitgezählt werden muss.

Den Text selbst speichern wir im Flash-Speicher, also dort, wo auch das Programm gespeichert ist:

<avrasm>
; Einen konstanten Text aus dem Flash Speicher
; ausgeben. Der Text wird mit einer 0 beendet
lcd_flash_string:
push temp1
push ZH
push ZL

lcd_flash_string_1:
lpm temp1, Z+
cpi temp1, 0
breq lcd_flash_string_2
rcall lcd_data
rjmp lcd_flash_string_1

lcd_flash_string_2:
pop ZL
pop ZH
pop temp1
ret
</avrasm>

Diese Funktion benutzt den Befehl '''lpm''', um das jeweils nächste Zeichen aus dem Flash Speicher in ein Register zur Weiterverarbeitung zu laden. Dazu wird der sog. '''Z-Pointer''' benutzt. So nennt man das Registerpaar '''R30''' und '''R31'''. Nach jedem Ladevorgang wird dabei durch den Befehl
<avrasm>
lpm temp1, Z+
</avrasm>
dieser Z-Pointer um 1 erhöht. Mittels '''cpi''' wird das in das Register '''temp1''' geladene Zeichen mit 0 verglichen. '''cpi''' vergleicht die beiden Zahlen und merkt sich das Ergebnis in einem speziellen Register in Form von Status Bits. '''cpi''' zieht dabei ganz einfach die beiden Zahlen voneinander ab. Sind sie gleich, so kommt da als Ergebnis 0 heraus und '''cpi''' setzt daher konsequenter Weise das Zero-Flag, das anzeigt, dass die vorhergegangene Operation eine 0 als Ergebnis hatte.'''breq''' wertet diese Status-Bits aus. Wenn die vorhergegangene Operation ein 0-Ergebnis hatte, das Zero-Flag also gesetzt ist, dann wird ein Sprung zum angegebenen Label durchgeführt. In Summe bewirkt also die Sequenz
<avrasm>
cpi temp1, 0
breq lcd_flash_string_2
</avrasm>
dass das gelesene Zeichen mit 0 verglichen wird und falls das gelesene
Zeichen tatsächlich 0 war, an der Stelle lcd_flash_string_2 weiter gemacht wird. Im anderen Fall wird die bereits geschriebene Funktion '''lcd_data''' aufgerufen, welche das Zeichen ausgibt. '''lcd_data''' erwartet dabei das Zeichen im Register '''temp1''', genau in dem Register, in welches wir vorher mittels '''lpm''' das Zeichen geladen hatten.

Das verwendende Programm sieht dann so aus:

<avrasm>
.include "m8def.inc"

.def temp1 = r16
.def temp2 = r17
.def temp3 = r18

ldi temp1, LOW(RAMEND) ; LOW-Byte der obersten RAM-Adresse
out SPL, temp1
ldi temp1, HIGH(RAMEND) ; HIGH-Byte der obersten RAM-Adresse
out SPH, temp1

rcall lcd_init ; Display initialisieren
rcall lcd_clear ; Display löschen

ldi ZL, LOW(text*2) ; Adresse des Strings in den
ldi ZH, HIGH(text*2) ; Z-Pointer laden

rcall lcd_flash_string ; Unterprogramm gibt String aus der
; durch den Z-Pointer adressiert wird
loop:
rjmp loop

text:
.db "Test",0 ; Stringkonstante, durch eine 0
; abgeschlossen

.include "lcd-routines.asm" ; LCD Funktionen
</avrasm>

Genaueres über die Verwendung unterschiedlicher Speicher findet sich im Kapitel [[AVR-Tutorial:_Speicher|Speicher]]

==Zahlen ausgeben==
Um Zahlen, die beispielsweise in einem Register gespeichert sind, ausgeben zu können, ist es notwendig sich eine Textrepräsentierung der Zahl zu generieren. Die Zahl 123 wird also in den Text "123" umgewandelt welcher dann ausgegeben wird. Aus praktischen Gründen wird allerdings der Text nicht vollständig generiert (man müsste ihn ja irgendwo zwischenspeichern) sondern die einzelnen Buchstaben werden sofort ausgegeben, sobald sie bekannt sind.

===Dezimal ausgeben===
Das Prinzip der Umwandlung ist einfach. Um herauszufinden wieviele Hunderter in der Zahl 123 enthalten sind, genügt es in einer Schleife immer wieder 100 von der Zahl abzuziehen und mitzuzählen wie oft dies gelang, bevor das Ergebnis negativ wurde. In diesem Fall lautet die Antwort: 1 mal, denn 123 - 100 macht 23. Versucht man erneut 100 anzuziehen, so ergibt sich eine negative Zahl.
Also muss eine '1' ausgeben werden. Die verbleibenden 23 werden weiter behandelt, indem festgestellt wird wieviele Zehner darin enthalten sind. Auch hier wiederum: In einer Schleife solange 10 abziehen, bis das Ergebnis negativ wurde. Konkret geht das 2 mal gut, also muss das nächste auszugebende Zeichen ein '2' sein. Damit verbleiben noch die Einer, welche direkt in das entsprechende Zeichen umgewandelt werden können. In Summe hat man also an das Display die Zeichen '1' '2' '3' ausgegeben.

<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Eine 8 Bit Zahl ohne Vorzeichen ausgeben
;
; Übergabe: Zahl im Register temp1
; veränderte Register: keine
;
lcd_number:
push temp1 ; die Funktion verändert temp1 und temp2,
push temp2 ; also sichern wir den Inhalt, um ihn am Ende
; wieder herstellen zu können

mov temp2, temp1 ; das Register temp1 frei machen
; abzählen wieviele Hunderter
; in der Zahl enthalten sind
;** Hunderter **
ldi temp1, '0'-1 ; temp1 mit ASCII '0'-1 vorladen
lcd_number_1:
inc temp1 ; ASCII erhöhen (somit ist nach dem ersten
; Durchlauf eine '0' in temp1)
subi temp2, 100 ; 100 abziehen
brcc lcd_number_1 ; ist dadurch kein Unterlauf entstanden?
; nein, dann zurück zu lcd_number_1
subi temp2, -100 ; 100 wieder dazuzählen, da die
; vorherhgehende Schleife 100 zuviel
; abgezogen hat
rcall lcd_data ; die Hunderterstelle ausgeben

;** Zehner **
ldi temp1, '0'-1 ; temp1 mit ASCII '0'-1 vorladen
lcd_number_2:
inc temp1 ; ASCII erhöhen (somit ist nach dem ersten
; Durchlauf eine '0' in temp1)
subi temp2, 10 ; 10 abziehen
brcc lcd_number_2 ; ist dadurch kein Unterlauf enstanden?
; nein, dann zurück zu lcd_number_2
subi temp2, -10 ; 10 wieder dazuzählen, da die
; vorherhgehende Schleife 10 zuviel
; abgezogen hat
rcall lcd_data ; die Zehnerstelle ausgeben

;** Einer **
ldi temp1, '0' ; die Zahl in temp2 ist jetzt im Bereich
add temp1, temp2 ; 0 bis 9. Einfach nur den ASCII Code für
rcall lcd_data ; '0' dazu addieren und wir erhalten dierekt
; den ASCII Code für die Ziffer

pop temp2 ; den gesicherten Inhalt von temp2 und temp1
pop temp1 ; wieder herstellen
ret ; und zurück
</avrasm>

Beachte: Diese Funktion benutzt wiederrum die Funktion '''lcd_data'''. Anders als bei den bisherigen Aufrufen ist '''lcd_number''' aber darauf angewiesen, dass '''lcd_data''' das Register '''temp2''' unangetastet lässt. Falls sie es noch nicht getan haben, dann ist das jetzt die perfekte Gelegenheit, '''lcd_data''' mit den entsprechenden '''push''' und '''pop''' Befehlen zu versehen. Sie sollten dies unbedingt zur Übung selbst machen. Am Ende muß die Funktion dann wie diese hier aussehen:

<avrasm>
;sendet ein Datenbyte an das LCD
lcd_data:
push temp2
mov temp2, temp1 ; "Sicherungskopie" für
; die Übertragung des 2.Nibbles
swap temp1 ; Vertauschen
andi temp1, 0b00001111 ; oberes Nibble auf Null setzen
sbr temp1, 1<<PIN_RS ; entspricht 0b00010000
out LCD_PORT, temp1 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
; 2. Nibble, kein swap da es schon
; an der richtigen stelle ist
andi temp2, 0b00001111 ; obere Hälfte auf Null setzen
sbr temp2, 1<<PIN_RS ; entspricht 0b00010000
out LCD_PORT, temp2 ; ausgeben
rcall lcd_enable ; Enable-Routine aufrufen
rcall delay50us ; Delay-Routine aufrufen
pop temp2
ret ; zurück zum Hauptprogramm

; sendet einen Befehl an das LCD
lcd_command: ; wie lcd_data, nur ohne RS zu setzen
push temp2
mov temp2, temp1
swap temp1
andi temp1, 0b00001111
out LCD_PORT, temp1
rcall lcd_enable
andi temp2, 0b00001111
out LCD_PORT, temp2
rcall lcd_enable
rcall delay50us
pop temp2
ret
</avrasm>

Kurz zur Funktionsweise der Funktion '''lcd_number''': Die Zahl in einem Register bewegt sich im Wertebereich 0 bis 255. Um herauszufinden, wie die Hunderterstelle lautet, zieht die Funktion einfach in einer Schleife immer wieder 100 von der Schleife ab, bis bei der Subtraktion ein Unterlauf, angezeigt durch das Setzen des Carry-Bits bei der Subtraktion, entsteht. Die Anzahl wird im Register '''temp1''' mitgezählt. Da dieses Register mit dem ASCII Code von '0' initialisiert wurde, und dieser ASCII Code bei jedem Schleifendurchlauf um 1 erhöht wird, können wir das Register '''temp1''' direkt zur Ausgabe des Zeichens für die Hunderterstelle durch die Funktion '''lcd_data''' benutzen. Völlig analog funktioniert auch die Ausgabe der Zehnerstelle.

===Unterdrückung von führenden Nullen===

Diese Funktion gibt jede Zahl im Register '''temp1''' immer mit 3 Stellen aus. Führende Nullen werden nicht unterdrückt. Möchte man dies ändern, so ist das ganz leicht möglich: Vor Ausgabe der Hunderterstelle muss lediglich überprüft werden, ob die Entsprechende Ausgabe eine '0' wäre. Ist sie das, so wird die Ausgabe übersprungen. Ist es allerdings eine Zahl 1..9, so muss sie der Zehner Stelle signalisieren, daß eine Prüfung auf eine '0' nicht stattfinden darf. Und dazu wird das T-Flag im SREG genutzt. Lediglich in der Einerstelle wird jede Ziffer wie errechnet ausgegeben.

<avrasm>
...
; die Hunderterstelle ausgeben, wenn
; sie nicht '0' ist
clt ; T-Flag löschen
cpi temp1, '0'
breq lcd_number_1a
rcall lcd_data ; die Hunderterstelle ausgeben
set ; T-Flag im SREG setzen da 100er Stelle eine
; 1..9 war

lcd_number_1a:
...

...
brts lcd_number_2a ; Test auf '0' überspringen, da 100er eine
; 1..9 war (unbedingt anzeigen
; auch wenn der Zehner eine '0' ist)
cpi temp1, '0' ; ansonsten Test auf '0'
breq lcd_number_2b
lcd_number_2a:
rcall lcd_data
lcd_number_2b:
...

</avrasm>

Das Verfahren, die einzelnen Stellen durch Subtraktion zu bestimmen, ist bei kleinen Zahlen eine durchaus gängige Alternative. Vor allem dann, wenn keine hardwaremäßige Unterstützung für Multiplikation und Division zur Verfügung steht. Ansonsten könnte man die die einzelnen Ziffern auch durch Division bestimmen. Das Prinzip ist folgendes (beispielhaft an der Zahl 52783 gezeigt)

<pre>
52783 / 10 -> 5278
52783 - 5278 * 10 -> 3

5278 / 10 -> 527
5278 - 527 * 10 -> 8

527 / 10 -> 52
527 - 52 * 10 -> 7

52 / 10 -> 5
52 - 5 * 10 -> 2

5 / 10 -> 0
5 - 0 * 10 -> 5
</pre>

Das Prinzip ist also die Restbildung bei einer fortgesetzten Division durch 10, wobei die einzelnen Ziffern in umgekehrter Reihenfolge ihrer Wertigkeit entstehen. Dadurch hat man aber ein Problem: Damit die Zeichen in der richtigen Reihenfolge ausgegeben werden können, muß man sie meistens zwischenspeichern um sie in der richtigen Reihenfole ausgeben zu können. Wird die Zahl in einem Feld von immer gleicher Größe ausgegeben, dann kann man auch die Zahl von rechts nach links ausgeben (bei einem LCD ist das möglich).

===Hexadezimal ausgeben===

Zu guter letzt hier noch eine Funktion, die eine Zahl aus dem Register '''temp1''' in hexadezimaler Form ausgibt. Die Funktion weist keine Besonderheiten auf und sollte unmittelbar verständlich sein.

<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Eine 8 Bit Zahl ohne Vorzeichen hexadezimal ausgeben
;
; Übergabe: Zahl im Register temp1
; veränderte Register: keine
;
lcd_number_hex:
swap temp1
rcall lcd_number_hex_digit
swap temp1

lcd_number_hex_digit:
push temp1

andi temp1, $0F
cpi temp1, 10
brlt lcd_number_hex_digit_1
subi temp1, -( 'A' - '9' - 1 ) ; es wird subi mit negativer Konstante verwendet, weil es kein addi gibt
lcd_number_hex_digit_1:
subi temp1, -'0' ; ditto
rcall lcd_data

pop temp1
ret
</avrasm>

===Binär ausgeben===
Um die Sache komplett zu machen; Hier eine Routine mit der man eine 8 Bit-Zahl binär auf das LC-Display ausgeben kann:
<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Eine 8 Bit Zahl ohne Vorzeichen binär ausgeben
;
; Übergabe: Zahl im Register temp1
; veränderte Register: keine

; eine Zahl aus dem Register temp1 binär ausgeben
lcd_number_bit:
push temp1 ; temp1 gesichert
push temp2
push temp3

mov temp2, temp1;

ldi temp3, 8; ; 8 Bits werden ausgelesen
lcd_number_loop:
dec temp3;
rol temp2; ; Datenbits ins Carry geschoben ...
brcc lcd_number_bit_carryset_0;
brcs lcd_number_bit_carryset_1;
rjmp lcd_number_loop;

lcd_number_bit_carryset_0:
ldi temp1, '0' ; Bit low ausgeben
rcall lcd_data
tst temp3;
breq lcd_number_ende;
rjmp lcd_number_loop;

lcd_number_bit_carryset_1:
ldi temp1, '1' ; Bit high ausgeben
rcall lcd_data
tst temp3;
breq lcd_number_ende;
rjmp lcd_number_loop;

lcd_number_ende:
pop temp3
pop temp2
pop temp1
ret
</avrasm>

===Eine 16-Bit Zahl aus einem Registerpärchen ausgeben===

Um eine 16 Bit Zahl auszugeben wird wieder das bewährte Schema benutzt die einzelnen Stellen durch Subtraktion abzuzählen. Da es sich hierbei allerdings um eine 16 Bit Zahl handelt, müssen die Subtraktionen als 16-Bit Arithmetik ausgeführt werden.

<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Eine 16 Bit Zahl ohne Vorzeichen ausgeben
;
; Übergabe: Zahl im Register temp2 (low Byte) / temp3 (high Byte)
; veränderte Register: keine
;
lcd_number16:
push temp1
push temp2
push temp3

; ** Zehntausender **
ldi temp1, '0'-1
lcd_number1:
inc temp1
subi temp2, low(10000)
sbci temp3, high(10000)
brcc lcd_number1
subi temp2, low(-10000)
sbci temp3, high(-10000)
rcall lcd_data

; ** Tausender **
ldi temp1, '0'-1
lcd_number2:
inc temp1
subi temp2, low(1000)
sbci temp3, high(1000)
brcc lcd_number2
subi temp2, low(-1000)
sbci temp3, high(-1000)
rcall lcd_data

; ** Hunderter **
ldi temp1, '0'-1
lcd_number3:
inc temp1
subi temp2, low(100)
sbci temp3, high(100)
brcc lcd_number3
subi temp2, -100 ; + 100 High-Byte nicht mehr erforderlich
rcall lcd_data

; ** Zehner **
ldi temp1, '0'-1
lcd_number4:
inc temp1
subi temp2, 10
brcc lcd_number4
subi temp2, -10
rcall lcd_data

; ** Einer **
ldi temp1, '0'
add temp1, temp2
rcall lcd_data

; ** Stack aufräumen **
pop temp3
pop temp2
pop temp1

ret
</avrasm>

===Eine BCD Zahl ausgeben===

<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Übergabe: BCD Zahl in temp1
; veränderte Register: keine
;
lcd_bcd:
push temp2

mov temp2, temp1 ; temp1 sichern
swap temp1 ; oberes mit unterem Nibble tauschen
andi temp1, 0b00001111 ; und "oberes" ausmaskieren
subi temp1, -0x30 ; in ASCII umrechnen
rcall lcd_data ; und ausgeben
mov temp1, temp2 ; ... danach unteres
andi temp1, 0b00001111
subi temp1, -0x30
rcall lcd_data
mov temp1, temp2 ; temp1 rekonstruieren

pop temp2
ret
</avrasm>

== Benutzerdefinierte Zeichen ==
[[Bild:LCD_Character_Grid.png | framed | right| Zeichenraster für 1 Zeichen]]

Das LCD erlaubt für spezielle Zeichen, welche sich nicht im Zeichensatz finden, eigene Zeichen zu definieren. Dazu werden die ersten 8 ASCII Codes reserviert, auf denen sich laut ASCII Tabelle spezielle Steuerzeichen befinden, die normalerweise keine sichtbare Anzeige hervorrufen sondern zur Steuerung von angeschlossenen Geräten dienen. Da diese Zeichen auf einem LCD keine Rolle spielen, können diese Zeichen benutz werden um sich selbst Sonderzeichen zu erzeugen, die für die jeweilige Anwendung massgeschneidert sind.

Das LCD stellt für jedes Zeichen eine 5*8 Matrix zur Verfügung. Um sich selbst massgeschneiderte Zeichen zu erstellen, ist es am einfachsten sich zunächst auf einem Stück karriertem Papier zu erstellen.

[[Bild:BellCharacter.png | framed | right| Zeichenraster für ein Glockensymbol]]

In diesem Raster markiert man sich dann diejenigen Pixel, die im fertigen Zeichen dunkel erscheinen sollen. Als Beispiel sei hier ein Glockensymbol gezeichnet, welches in einer Telefonapplikation zb als Kennzeichnung für einen Anruf dienen könnte.

Eine Spalte in diesem Zeichen repräsentiert ein an das LCD zu übergebende Byte. Gesetzte Pixel stellen ein 1 Bit dar, nicht gesetzte Pixel sind ein 0-Bit. Das niedrigstwertige Bit einer Spalte befindet sich unten. Auf diese Art wird jede Spalte in eine Binärzahl übersetzt, und 5 Bytes repräsentieren ein komplettes Zeichen. Am Beispiel des Glockensymboles: Die 5 Bytes, welches das Symbol repräsentiern, lauten: 0x04 0x3C 0x46 0x3C 0x04

Dem LCD wird die neue Definition übertragen, indem man dem LCD die 'Schreibposition' mittels des Kommandos ''Character RAM Address Set'' in den Zeichensatzgenerator verschiebt. Danach werden die 5 Bytes ganz normal als Daten ausgegeben, die das LCD damit in seine Zeichensatztabelle schreibt.

Durch die Wahl der Speicheradresse definiert man, welches Zeichen (0 bis 7) man eigentlich durch eine eigene Definition ersetzen will.
{| {{Tabelle}}
|- style="background-color:#ffddcc"
! ASCII Code || Zeichensatzadresse
|-
| 0 || 0x00
|-
| 1 || 0x05
|-
| 2 || 0x0A
|-
| 3 || 0x0F
|-
| 4 || 0x14
|-
| 5 || 0x19
|-
| 6 || 0x1E
|-
| 7 || 0x23
|}

Nach erfolgter Definition des Zeichens, muss die Schreibposition wieder explizit in den DDRAM-Bereich gesetzt werden.
Danach kann ein entsprechendes Zeichen mit dem definierten ASCII Code ausgegeben werden, wobei das LCD die von uns definierte Pixelform zur Anzeige benutzt.

Zuerst müssen natürlich erstmal die Zeichen definiert werden.
Dieses geschieht einmalig durch den Aufruf der Routine "lcd_load_user_chars"
unmittelbar nach der Initialisierung des LCD-Displays.

<avrasm>
.
.
rcall lcd_init ; Display initialisieren
rcall lcd_load_user_chars ; User Zeichen in das Display laden
rcall lcd_clear ; Display löschen
.
.
</avrasm>

Durch diesen Aufruf werden die im Flash definierten Zeichen in den
GC-Ram übertragen. Diese Zeichen werden ab Adresse 0 im GC-Ram
gespeichert und sind danach wie jedes andere Zeichen nutzbar.

<avrasm>
.
.
ldi temp1, 0 ; Ausgabe des User-Char "A"
rcall lcd_data
ldi temp1, 6 ; Ausgabe des User-Char "G"
rcall lcd_data
ldi temp1, 5 ; Ausgabe des User-Char "E"
rcall lcd_data
ldi temp1, 4 ; Ausgabe des User-Char "M"
rcall lcd_data
ldi temp1, 3 ; Ausgabe des User-Char "-"
rcall lcd_data
ldi temp1, 2 ; Ausgabe des User-Char "R"
rcall lcd_data
ldi temp1, 1 ; Ausgabe des User-Char "V"
rcall lcd_data
ldi temp1, 0 ; Ausgabe des User-Char "A"
rcall lcd_data
.
.
</avrasm>

Jetzt sollte der Schriftzug "AVR-MEGA"
verkehrt herum (180 Grad gedreht) erscheinen.

Es fehlt natürlich noch die Laderoutine:

<avrasm>
;**********************************************************************
;
; Lädt User Zeichen in den GC-Ram des LCD bis Tabellenende (0xFF)
; gelesen wird. (max. 8 Zeichen können geladen werden)
;
; Übergabe: -
; veränderte Register: temp1, temp2, temp3, zh, zl
; Bemerkung: ist einmalig nach lcd_init aufzurufen
;

lcd_load_user_chars:
ldi zl, LOW (ldc_user_char * 2) ; Adresse der Zeichentabelle
ldi zh, HIGH(ldc_user_char * 2) ; in den Z-Pointer laden
clr temp3 ; aktuelles Zeichen = 0

lcd_load_user_chars_2:
clr temp2 ; Linienzähler = 0

lcd_load_user_chars_1:
ldi temp1, 0b01000000 ; Kommando: 0b01aaalll
add temp1, temp3 ; + akt. Zeichen (aaa)
add temp1, temp2 ; + akt. Linie (lll)
rcall lcd_command ; Kommando schreiben

lpm temp1, Z+ ; Zeichenline laden
rcall lcd_data ; ... und ausgeben

ldi temp1, 0b01001000 ; Kommando: 0b01aa1lll
add temp1, temp3 ; + akt. Zeichen (aaa)
add temp1, temp2 ; + akt. Linie (lll)
rcall lcd_command

lpm temp1, Z+ ; Zeichenline laden
rcall lcd_data ; ... und ausgeben

inc temp2 ; Linienzähler + 1
cpi temp2, 8 ; 8 Linien fertig?
brne lcd_load_user_chars_1 ; nein, dann nächste Linie

subi temp3, -0x10 ; zwei Zeichen weiter (addi 0x10)
lpm temp1, Z ; nächste Linie laden
cpi temp1, 0xFF ; Tabellenende erreicht?
brne lcd_load_user_chars_2 ; nein, dann die nächsten
; zwei Zeichen
ret
</avrasm>

... und die Zeichendefinition:

<avrasm>
ldc_user_char:
; Zeichen
; 0 1
.db 0b10001, 0b00100 ; @ @ , @
.db 0b10001, 0b01010 ; @ @ , @ @
.db 0b11111, 0b10001 ; @@@@@ , @ @
.db 0b10001, 0b10001 ; @ @ , @ @
.db 0b10001, 0b10001 ; @ @ , @ @
.db 0b10001, 0b10001 ; @ @ , @ @
.db 0b01110, 0b10001 ; @@@ , @ @
.db 0b00000, 0b00000 ; ,

; Zeichen
; 2 3
.db 0b10001, 0b00000 ; @ @ ,
.db 0b01001, 0b00000 ; @ @ ,
.db 0b00101, 0b00000 ; @ @ ,
.db 0b11111, 0b11111 ; @@@@@ , @@@@@
.db 0b10001, 0b00000 ; @ @ ,
.db 0b10001, 0b00000 ; @ @ ,
.db 0b01111, 0b00000 ; @@@@ ,
.db 0b00000, 0b00000 ; ,

; Zeichen
; 4 5
.db 0b10001, 0b11111 ; @ @ , @@@@@
.db 0b10001, 0b00001 ; @ @ , @
.db 0b10001, 0b00001 ; @ @ , @
.db 0b10001, 0b01111 ; @ @ , @@@@
.db 0b10101, 0b00001 ; @ @ @ , @
.db 0b11011, 0b00001 ; @@ @@ , @
.db 0b10001, 0b11111 ; @ @ , @@@@@
.db 0b00000, 0b00000 ; ,

; Zeichen
; 6 7
.db 0b11110, 0b11111 ; @@@@ , @@@@@
.db 0b10001, 0b01010 ; @ @ , @ @
.db 0b10001, 0b00100 ; @ @ , @
.db 0b11101, 0b01110 ; @@@ @ , @@@
.db 0b00001, 0b00100 ; @ , @
.db 0b10001, 0b01010 ; @ @ , @ @
.db 0b01110, 0b11111 ; @@@ , @@@@@
.db 0b00000, 0b00000 ; ,

; End of Tab
.db 0xFF, 0xFF
</avrasm>

==Der überarbeitete, komplette Code==

Hier also die komplett überarbeitete Version der LCD Funktionen.

Die für die Benutzung relevanten Funktionen
* '''lcd_init'''
* '''lcd_clear'''
* '''lcd_home'''
* '''lcd_data'''
* '''lcd_command'''
* '''lcd_flash_string'''
* '''lcd_number'''
* '''lcd_number_hex'''
sind so ausgeführt, dass sie kein Register (ausser dem Statusregister '''SREG''') verändern. Die bei manchen Funktionen notwendige Argumente werden immer im Register '''temp1''' übergeben, wobei '''temp1''' vom Usercode definiert werden muss.

[[Media:lcd-routines.asm|Download lcd-routines.asm]]

{{Navigation_zurückhochvor|
zurücktext=Stack|
zurücklink=AVR-Tutorial: Stack|
hochtext=Inhaltsverzeichnis|
hochlink=AVR-Tutorial|
vortext=Interrupts|
vorlink=AVR-Tutorial: Interrupts}}

[[Category:AVR-Tutorial]]
[[Category:LCD]]

HD44780

2009-12-04T14:50:28Z

Roolf: /* Ansteuerung per Microcontroller */

Der HD44780 ist ein Steuer-IC für Textdisplays (siehe [[LCD]]). Praktisch alle Textdisplays werden mit diesem oder einem kompatiblen Controller (z.B. KS0066) angesteuert.

== Allgemeine Ansteuerung ==

=== Pinbelegung ===

Die Pinbelegung des ICs selber ist für den Anwender praktisch uninteressant. Hier ist die Pinbelegung vieler damit ausgestatteten LCD-Module angegeben.

{| class="wikitable"
!Pin || Funktion || Beschreibung
|-
|1 || | VSS || Versorgungsspannung GND
|-
|2 || | VCC || Versorgungsspannung, meistens 5V
|-
|3 || | V0 ||Kontrastspannung, zwischen VSS und VCC, kann auf VSS gelegt oder via Poti angeschlossen werden. Bei großflächigen LCDs oder LCDs für den erweiterten Temperaturbereich kann auch eine negative Kontrastspannung nötig sein.
|-
|4 || | RS || Registerauswahl 0 = Befehlsregister, 1 = Datenregister
|-
|5 || | R/W || Lese oder Schreibzugriff, kann meistens fest auf GND gezogen werden 0 = Schreiben, 1 = Lesen,
|-
|6 || | E || Taktleitung
|-
|7 || | DB0 || Datenleitung
|-
|8 || |DB1 || Datenleitung
|-
|9 || |DB2 || Datenleitung
|-
|10 || |DB3 || Datenleitung
|-
|11 || |DB4 || Datenleitung
|-
|12 || |DB5 || Datenleitung
|-
|13 || |DB6 || Datenleitung
|-
|14 || |DB7 || Datenleitung
|-
|15 || A || Anode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|-
|16 || K || Kathode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|}

===Speicher===

Ein HD44780 besitzt mehrere Speicher. In ihnen wird der Inhalt des Displays sowie das Aussehen von Sonderzeichen gespeichert.

==== CGROM ====

Der '''C'''haracter '''G'''enerator '''ROM''' enthält die Zeichen in Form von 5x8 oder 5x10 Punktmatrizen. Er kann nicht geändert werden, ausser man sendet einen EEPROM zu Hitachi für eine Massenproduktion. Es sind viele verschiedene ROMs (Zeichensätze, engl. Fonts) verfügbar. Er ist für den Anwender nicht zugänglich.

==== CGRAM ====

Im '''C'''haracter '''G'''enerator '''RAM''' können acht 5x8 Pixel oder vier 5x10 Pixel große benutzerdefinierte Zeichen abgelegt werden. Braucht man keine benutzerdefinierten Zeichen, kann man diesen Bereich als Auslagerungsspeicher für den ansteuernden Mikrocontroller benutzen.

==== DDRAM ====

Im '''D'''isplay '''D'''ata '''RAM''' ist der Inhalt des LCDs gespeichert. Die Kodierung orientiert sich weitestgehend am ASCII Zeichensatz.

Das DDRAM hat üblicherweise mehr Speicherstellen als das Display gleichzeitig anzeigt. Durch Anwenden der Display-Shift-Befehle können die nicht sichtbaren Zeichen zur Anzeige gebracht werden.

Benachbarte Zeichen haben im DDRAM nicht zwangsweise auch aufeinanderfolgende Adressen. So ist etwa bei 1x16-Displays (1 Zeile, 16 Zeichen) oft in der Mitte des Displays ein Adresssprung von 0x07 auf 0x40; bei 2x16-Displays ist der Sprung auf 0x40 normalerweise (programmiererfreundlich) zwischen Ende der ersten und Beginn der zweiten Zeile. Näheres ist dem Datenblatt zu entnehmen.

=== Kommandos ===

{| class="wikitable"
|+ '''HD44780 Befehlssatz'''
!Befehl
!RS
!RW
!D7
!D6
!D5
!D4
!D3
!D2
!D1
!D0
|-
|Bildschirminhalt löschen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|-
|Cursor auf Startpos
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|X
|-
|Modus festlegen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|I/D
|S
|-
|Display/Cursor
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|D
|C
|B
|-
|Cursor/Display schieben
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|S/C
|R/L
|X
|X
|-
|Funktionen
|0
|0
|0
|0
|1
|DL
|N
|F
|X
|X
|-
|CGRAM Adresse setzen
|0
|0
|0
|1
|colspan ="6" align="center"|CGRAM-Adresse
|-
|DDRAM Adresse setzen
|0
|0
|1
|colspan="7" align="center"|DDRAM-Adresse
|-
|Adresse/Status lesen
|0
|1
|BF
|colspan="7" align="center"|CG-/DDRAM-Adresse
|-
|Daten in DDRAM/CGRAM schreiben
|1
|0
|colspan="8" align="center"|Daten
|-
|Daten aus DDRAM/CGRAM lesen
|1
|1
|colspan="8" align="center"|Daten
|}

{| class="wikitable"
|+ '''Kodierung der Steuerbits'''
!Bit
!0
!1
|-
|I/D
|Cursorposition dekrementieren
|Cursorposition inkrementieren
|-
|S
|Displayinhalt fest
|Displayinhalt weiterschieben
|-
|D
|Display aus
|Display an
|-
|C
|Cursor aus
|Cursor an
|-
|B
|Cursor blinkt nicht
|Cursor blinkt
|-
|S/C
|Cursor bewegen
|Displayinhalt schieben
|-
|R/L
|Nach links schieben
|Nach rechts schieben
|-
|DL
|4-Bit Interface
|8-Bit Interface
|-
|N
|1-zeiliges Display
|2/4-zeiliges Display
|-
|F
|5×7-Font
|5×10-Font
|-
|BF
|Kann Kommandos annehmen
|Ist beschäftigt
|}

== Ansteuerung per Microcontroller ==

Die Ansteuerung eines HD44780-basierten Displays gestaltet sich sowohl in Bezug auf den Hardware- als auch den Softwareaufwand recht einfach. Sie eignet sich somit sehr gut als Übungsprojekt für Anfänger.

Das HD44780-Interface besteht aus acht Datenleitungen (D0-D7) sowie den drei Steuerleitungen RS ('''R'''egister '''S'''elect), R/W ('''R'''ead/'''W'''rite) und E ('''E'''nable). Die Displays werden mit 5V Betriebsspannung versorgt, die Kontrastspannung V0 bekommt man, indem man ein 10kΩ-[[Potentiometer]] zwischen VCC und GND anschließt und den mittleren Anschluss als Kontrastspannung verwendet. Bei ca. 0,5 Volt werden dann die Pixel sichtbar. Optional haben viele Displays noch eine LED-Beleuchtung eingebaut, diese kann manchmal direkt an 5V angeschlossen werden, da der Vorwiderstand auf der LCD-Platine integriert ist. Oft ist aber auch ein externer Vorwiderstand nötig! Darum vorher besser im Datenblatt nachschauen.

Möchte man IO-Pins am Mikrocontroller sparen, kann das Display im 4-Bit-Modus betrieben werden, die Dateneingänge D0 bis D3 bleiben dann offen. Durch zusätzliche Bauteile ([[AVR-Tutorial:_Schieberegister]]) kann die Zahl der benötigten Port-Pins noch weiter reduziert werden.

Beispielprogramme zur Ansteuerung findet man zuhauf im Internet, u.a. auch hier: [[AVR-Tutorial: LCD]] und [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|AVR-GCC-Tutorial: LCD-Ansteuerung]]

=== Fertige Projekte oder Bibliotheken ===

* Peter Fleurys [http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-software.html LCD library for HD44870 based LCDs]
* Kai Klenovseks [http://kk.elektronik-4u.de/index.php?Sid=9 LCD library for HD44870 based LCDs]
* avr-libc [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__stdiodemo.html Demo-Projekt für stdio]
* [http://wwwiti.cs.uni-magdeburg.de/~buchmann/privat/lcd.htm Grundlagen und Code für 8051] von Erik Buchmann
* [http://home.iae.nl/users/pouweha/lcd/lcd.shtml ''How to control a HD44780-based Character-LCD''] von Peter Ouwehand. Beispiele für 8051, PIC16C54, AT90S2313
* Firma wickenhäuser [http://www.wickenhaeuser.de 8051 Compiler und Treiber für LCDs ]

== Siehe auch ==

* [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung]]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Displays und Anzeigen]]
[[Category:LCD]]

HD44780

2009-12-04T14:35:51Z

Roolf: /* DDRAM */ Adresssprung

Der HD44780 ist ein Steuer-IC für Textdisplays (siehe [[LCD]]). Praktisch alle Textdisplays werden mit diesem oder einem kompatiblen Controller (z.B. KS0066) angesteuert.

== Allgemeine Ansteuerung ==

=== Pinbelegung ===

Die Pinbelegung des ICs selber ist für den Anwender praktisch uninteressant. Hier ist die Pinbelegung vieler damit ausgestatteten LCD-Module angegeben.

{| class="wikitable"
!Pin || Funktion || Beschreibung
|-
|1 || | VSS || Versorgungsspannung GND
|-
|2 || | VCC || Versorgungsspannung, meistens 5V
|-
|3 || | V0 ||Kontrastspannung, zwischen VSS und VCC, kann auf VSS gelegt oder via Poti angeschlossen werden. Bei großflächigen LCDs oder LCDs für den erweiterten Temperaturbereich kann auch eine negative Kontrastspannung nötig sein.
|-
|4 || | RS || Registerauswahl 0 = Befehlsregister, 1 = Datenregister
|-
|5 || | R/W || Lese oder Schreibzugriff, kann meistens fest auf GND gezogen werden 0 = Schreiben, 1 = Lesen,
|-
|6 || | E || Taktleitung
|-
|7 || | DB0 || Datenleitung
|-
|8 || |DB1 || Datenleitung
|-
|9 || |DB2 || Datenleitung
|-
|10 || |DB3 || Datenleitung
|-
|11 || |DB4 || Datenleitung
|-
|12 || |DB5 || Datenleitung
|-
|13 || |DB6 || Datenleitung
|-
|14 || |DB7 || Datenleitung
|-
|15 || A || Anode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|-
|16 || K || Kathode der LED-Hintergrundbeleuchtung
|}

===Speicher===

Ein HD44780 besitzt mehrere Speicher. In ihnen wird der Inhalt des Displays sowie das Aussehen von Sonderzeichen gespeichert.

==== CGROM ====

Der '''C'''haracter '''G'''enerator '''ROM''' enthält die Zeichen in Form von 5x8 oder 5x10 Punktmatrizen. Er kann nicht geändert werden, ausser man sendet einen EEPROM zu Hitachi für eine Massenproduktion. Es sind viele verschiedene ROMs (Zeichensätze, engl. Fonts) verfügbar. Er ist für den Anwender nicht zugänglich.

==== CGRAM ====

Im '''C'''haracter '''G'''enerator '''RAM''' können acht 5x8 Pixel oder vier 5x10 Pixel große benutzerdefinierte Zeichen abgelegt werden. Braucht man keine benutzerdefinierten Zeichen, kann man diesen Bereich als Auslagerungsspeicher für den ansteuernden Mikrocontroller benutzen.

==== DDRAM ====

Im '''D'''isplay '''D'''ata '''RAM''' ist der Inhalt des LCDs gespeichert. Die Kodierung orientiert sich weitestgehend am ASCII Zeichensatz.

Das DDRAM hat üblicherweise mehr Speicherstellen als das Display gleichzeitig anzeigt. Durch Anwenden der Display-Shift-Befehle können die nicht sichtbaren Zeichen zur Anzeige gebracht werden.

Benachbarte Zeichen haben im DDRAM nicht zwangsweise auch aufeinanderfolgende Adressen. So ist etwa bei 1x16-Displays (1 Zeile, 16 Zeichen) oft in der Mitte des Displays ein Adresssprung von 0x07 auf 0x40; bei 2x16-Displays ist der Sprung auf 0x40 normalerweise (programmiererfreundlich) zwischen Ende der ersten und Beginn der zweiten Zeile. Näheres ist dem Datenblatt zu entnehmen.

=== Kommandos ===

{| class="wikitable"
|+ '''HD44780 Befehlssatz'''
!Befehl
!RS
!RW
!D7
!D6
!D5
!D4
!D3
!D2
!D1
!D0
|-
|Bildschirminhalt löschen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|-
|Cursor auf Startpos
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|X
|-
|Modus festlegen
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|I/D
|S
|-
|Display/Cursor
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|D
|C
|B
|-
|Cursor/Display schieben
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|S/C
|R/L
|X
|X
|-
|Funktionen
|0
|0
|0
|0
|1
|DL
|N
|F
|X
|X
|-
|CGRAM Adresse setzen
|0
|0
|0
|1
|colspan ="6" align="center"|CGRAM-Adresse
|-
|DDRAM Adresse setzen
|0
|0
|1
|colspan="7" align="center"|DDRAM-Adresse
|-
|Adresse/Status lesen
|0
|1
|BF
|colspan="7" align="center"|CG-/DDRAM-Adresse
|-
|Daten in DDRAM/CGRAM schreiben
|1
|0
|colspan="8" align="center"|Daten
|-
|Daten aus DDRAM/CGRAM lesen
|1
|1
|colspan="8" align="center"|Daten
|}

{| class="wikitable"
|+ '''Kodierung der Steuerbits'''
!Bit
!0
!1
|-
|I/D
|Cursorposition dekrementieren
|Cursorposition inkrementieren
|-
|S
|Displayinhalt fest
|Displayinhalt weiterschieben
|-
|D
|Display aus
|Display an
|-
|C
|Cursor aus
|Cursor an
|-
|B
|Cursor blinkt nicht
|Cursor blinkt
|-
|S/C
|Cursor bewegen
|Displayinhalt schieben
|-
|R/L
|Nach links schieben
|Nach rechts schieben
|-
|DL
|4-Bit Interface
|8-Bit Interface
|-
|N
|1-zeiliges Display
|2/4-zeiliges Display
|-
|F
|5×7-Font
|5×10-Font
|-
|BF
|Kann Kommandos annehmen
|Ist beschäftigt
|}

== Ansteuerung per Microcontroller ==

Die Ansteuerung eines HD44780-basierten Displays gestaltet sich sowohl in Bezug auf den Hardware- als auch den Softwareaufwand recht einfach. Sie eignet sich somit sehr gut als Übungsprojekt für Anfänger.

Das HD44780-Interface besteht aus acht Datenleitungen (D0-D7) sowie den drei Steuerleitungen RS ('''R'''egister '''S'''elect), R/W ('''R'''ead/'''W'''rite) und E ('''E'''nable). Die Displays werden mit 5V Betriebsspannung versorgt, die Kontrastspannung V0 bekommt man, indem man ein 10kΩ-[[Potentiometer]] zwischen VCC und GND anschließt und den mittleren Anschluss als Kontrastspannung verwendet. Bei ca. 0,5 Volt werden dann die Pixel sichtbar. Optional haben viele Displays noch eine LED-Beleuchtung eingebaut, diese kann manchmal direkt an 5V angeschlossen werden, da der Vorwiderstand auf der LCD-Platine integriert ist. Oft ist aber auch ein externer Vorwiderstand nötig! Darum vorher besser im Datenblatt nachschauen. Möchte man IO-Pins am Mikrocontroller sparen, muss das Display im 4-Bit-Modus betrieben werden.

Beispielprogramme zur Ansteuerung findet man zuhauf im Internet, u.a. auch hier: [[AVR-Tutorial: LCD]] und [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|AVR-GCC-Tutorial: LCD-Ansteuerung]]

=== Fertige Projekte oder Bibliotheken ===

* Peter Fleurys [http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-software.html LCD library for HD44870 based LCDs]
* Kai Klenovseks [http://kk.elektronik-4u.de/index.php?Sid=9 LCD library for HD44870 based LCDs]
* avr-libc [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__stdiodemo.html Demo-Projekt für stdio]
* [http://wwwiti.cs.uni-magdeburg.de/~buchmann/privat/lcd.htm Grundlagen und Code für 8051] von Erik Buchmann
* [http://home.iae.nl/users/pouweha/lcd/lcd.shtml ''How to control a HD44780-based Character-LCD''] von Peter Ouwehand. Beispiele für 8051, PIC16C54, AT90S2313
* Firma wickenhäuser [http://www.wickenhaeuser.de 8051 Compiler und Treiber für LCDs ]

== Siehe auch ==

* [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung]]

[[Category:Bauteile]]
[[Category:Displays und Anzeigen]]
[[Category:LCD]]