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Modern Embedded Recipes · 53/152

Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

“30년 된 표준이 아직도 살아있습니다.” 16×2 character LCD = HD44780 chip. 4-bit mode 6 wire로 충분합니다.

#어떤 상황에서 쓰나

문자만 표시하면 되는 간단한 status display — 전압계, 온도계, vending machine UI, 산업 제어 panel. SSD1306 OLED나 TFT가 더 예쁘지만 HD44780은 가격 1-2달러, 직관적 textual display, 전원 OFF에도 마지막 문자 잔상이 없는 장점이 있습니다.

이 글은 HD44780 4-bit interface로 STM32와 16×2 LCD를 연결하고, character 출력, custom character 정의까지 다룹니다.

#핵심 개념

#HD44780 핀

LCD 핀역할
1 VSSGND
2 VDD+5V
3 VOcontrast (10k pot)
4 RS0=command, 1=data
5 RW0=write, 1=read (보통 GND로 묶음)
6 Eenable (rising edge에서 latch)
7-14 DB0-7data bus
15 LED+backlight + (220Ω 직렬)
16 LED-backlight GND

4-bit mode에서는 DB4-7만 사용. DB0-3은 floating으로 두거나 GND.

#4-bit mode wiring

MCU GPIO LCD
───────── ────
PA0 ────────────► RS
GND ────────────► RW (write only)
PA1 ────────────► E
PB0-3 ──────────► DB4-7
GND ────────────► DB0-3
+5V + 10k pot ──► VO (contrast)

총 6 wire (RS, E, DB4-7).

#Command vs Data

RSRW의미
00command write (clear, cursor move, …)
10character data write
01busy flag read
11data read (거의 안 씀)

#Timing

E low → high → low cycle:

  • E high ≥ 230 ns
  • E low ≥ 500 ns
  • data valid 80 ns before E falling

Command execution:

  • Clear / Return Home: 1.52 ms
  • Other commands: 37 µs

대부분의 command 후 37 µs 대기가 필요합니다. clear만 1.52 ms.

#DDRAM address layout (16×2)

Line 1: 0x00 ~ 0x0F (16 chars)
Line 2: 0x40 ~ 0x4F
Cursor → row R, col C:
addr = (R ? 0x40 : 0x00) + C
command: 0x80 | addr

#CGRAM — custom character

8 custom character (code 0x00~0x07)을 정의 가능. 각 character는 8 byte (5×8 pixel).

’♥’ character (code 0x01):

  • Row 0: 0b00000 (top)
  • Row 1: 0b01010
  • Row 2: 0b11111
  • Row 3: 0b11111
  • Row 4: 0b11111
  • Row 5: 0b01110
  • Row 6: 0b00100
  • Row 7: 0b00000 (bottom)

CGRAM address 0x00~0x3F. character N의 byte M = address (N*8 + M).

#코드 예제

#1. 4-bit interface driver

// PA0=RS, PA1=E, PB0-3=D4-D7
#define LCD_RS_PORT GPIOA
#define LCD_RS_PIN 0
#define LCD_E_PORT GPIOA
#define LCD_E_PIN 1
#define LCD_D_PORT GPIOB
#define LCD_D_SHIFT 0 // D4 = PB0
static void lcd_write4(uint8_t nibble) {
LCD_D_PORT->BSRR = (0xFu << (LCD_D_SHIFT + 16)) // clear
| ((nibble & 0xF) << LCD_D_SHIFT); // set
LCD_E_PORT->BSRR = (1u << LCD_E_PIN); // E high
delay_us(1); // ≥ 230 ns
LCD_E_PORT->BSRR = (1u << (LCD_E_PIN + 16)); // E low
delay_us(1); // ≥ 500 ns
}
static void lcd_send(uint8_t byte, int rs) {
if (rs) LCD_RS_PORT->BSRR = (1u << LCD_RS_PIN);
else LCD_RS_PORT->BSRR = (1u << (LCD_RS_PIN + 16));
lcd_write4(byte >> 4);
lcd_write4(byte & 0xF);
delay_us(40); // command execution time
}
void lcd_cmd(uint8_t cmd) { lcd_send(cmd, 0); }
void lcd_data(uint8_t data) { lcd_send(data, 1); }

#2. Init sequence

datasheet에 정확한 sequence가 있습니다. 따르지 않으면 4-bit mode로 들어가지 않습니다.

void lcd_init(void) {
// GPIO init (RS, E, D4-D7)
gpio_init(GPIOA, 0, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
gpio_init(GPIOA, 1, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
for (int i = 0; i < 4; i++)
gpio_init(GPIOB, i, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
delay_ms(50); // power-on wait > 40 ms
// Function set sequence (8-bit mode first, then switch to 4-bit)
lcd_write4(0x3); delay_ms(5);
lcd_write4(0x3); delay_us(100);
lcd_write4(0x3); delay_us(100);
lcd_write4(0x2); // switch to 4-bit
lcd_cmd(0x28); // 4-bit, 2 line, 5x8 font
lcd_cmd(0x0C); // display ON, cursor OFF
lcd_cmd(0x01); delay_ms(2); // clear
lcd_cmd(0x06); // entry mode: cursor++, no shift
}
void lcd_clear(void) {
lcd_cmd(0x01);
delay_ms(2);
}
void lcd_goto(uint8_t row, uint8_t col) {
uint8_t addr = (row ? 0x40 : 0x00) + col;
lcd_cmd(0x80 | addr);
}
void lcd_print(const char *s) {
while (*s) lcd_data(*s++);
}

#3. Custom character

void lcd_define_char(uint8_t code, const uint8_t pattern[8]) {
lcd_cmd(0x40 | (code * 8)); // CGRAM address
for (int i = 0; i < 8; i++)
lcd_data(pattern[i]);
}
const uint8_t heart[8] = {
0b00000, 0b01010, 0b11111, 0b11111,
0b11111, 0b01110, 0b00100, 0b00000,
};
void demo(void) {
lcd_define_char(0, heart);
lcd_clear();
lcd_goto(0, 0);
lcd_print("Hello LCD ");
lcd_data(0); // ♥
}

#4. PCF8574 I2C backpack

요즘은 I2C backpack PCB를 LCD에 붙여 2 wire만 사용합니다.

PCF8574 mapping (common):

  • P0 = RS
  • P1 = RW (GND)
  • P2 = E
  • P3 = backlight
  • P4-7 = D4-D7
// I2C address 0x27 (typical)
#define LCD_I2C_ADDR 0x27
static uint8_t bl = 0x08; // backlight bit (P3)
static void lcd_i2c_write(uint8_t nibble, int rs) {
uint8_t v = (nibble & 0xF0) | bl | (rs ? 0x01 : 0) | 0x04; // E high
i2c_write(LCD_I2C_ADDR, &v, 1);
delay_us(1);
v &= ~0x04; // E low
i2c_write(LCD_I2C_ADDR, &v, 1);
delay_us(50);
}
void lcd_send_i2c(uint8_t byte, int rs) {
lcd_i2c_write(byte & 0xF0, rs);
lcd_i2c_write((byte << 4) & 0xF0, rs);
}

I2C는 delay가 자동으로 ms 단위라 timing이 더 여유롭습니다.

#측정 / 동작 확인

LCD에 *“HELLO WORLD”*가 표시되면 success. 안 보이면 다음 순서로 확인:

  1. Contrast (VO) — pot을 끝까지 돌려보기. 너무 어두우면 글자 안 보임.
  2. Backlight — LED+/- 연결 확인.
  3. Init sequence — 50ms power-on wait 누락 의심.
  4. Wire 순서 — D4-D7과 PB0-3 매칭.

스코프로 E 핀과 D4-D7을 보면 byte 단위 transaction이 보입니다.

E 핀은 명령마다 두 번 펄스를 만듭니다 — 상위 nibble 한 번 + 하위 nibble 한 번. 각 펄스의 high 구간 동안 D4–D7이 안정되어 있어야 LCD가 올바르게 latch 합니다.

#자주 보는 함정

⚠️ 50ms power-on wait 누락

HD44780은 power-on에 40 ms 이상의 self-init이 필요. 너무 빨리 command 보내면 무시.

⚠️ 4-bit init sequence 잘못

8-bit 모드 3회 → 4-bit 모드 1회 → 4-bit function set. 한 단계라도 빼면 random garbage.

⚠️ Contrast pot 안 돌림

새 LCD는 VO가 default로 너무 밝거나 어두워 글자가 안 보입니다. 항상 10k pot으로 조정.

⚠️ RW를 안 묶음

floating RW가 read mode로 떠 write가 안 됨. GND에 연결.

⚠️ 5V LCD를 3.3V signal로 구동

데이터 핀 high threshold가 ~3.5V. 3.3V signal이면 high가 인식 안 될 수 있음. level shifter 또는 I2C backpack (3.3V tolerant) 사용.

⚠️ 한글·한자 표시 시도

HD44780 ROM은 ASCII + 일부 일본 katakana만. 한글은 CGRAM 8개로 부족 — graphic LCD나 OLED가 필요.

#정리

  • HD44780 = 16×2 char LCD 표준. 4-bit mode 6 wire로 충분.
  • Init은 정확한 sequence (8-bit 3회 → 4-bit switch → function set).
  • Custom character 8개 (CGRAM), 8 byte each.
  • PCF8574 I2C backpack으로 2 wire 사용 가능.
  • Contrast (VO) 조정이 첫 디버깅.

다음 편은 **SPI OLED (SSD1306)**입니다. 128×64 graphic display, framebuffer, page mode를 다룹니다.

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Modern Embedded Recipes · 54 of 152

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  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
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  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
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  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
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  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX