Z80

T34BM1, sovětský klon Z80.

Klon vyráběný firmou SHARP.

LQFP verze procesoru Z80.

Zilog Z80 je osmibitový mikroprocesor, navržený firmou Zilog a prodávaný od července 1976. Byl široce používán jak ve stolních počítačích tak pro armádní účely. Z80 a jeho klony tvoří jednu z nejvíce používaných CPU sérií všech dob a společně se sérií MOS Technology 6502 dominoval trhu s osmibitovými počítači od začátku 70. až do poloviny 80. let 20. století.

Zilog licencoval design Z80 několika dodavatelům a mnoho východoevropských a ruských výrobců vyrábělo nelicencované kopie (U880D v počítačích Robotron). To umožnilo výrobkům menších společností prosadit se na trhu vedle větších společností, jako třeba Toshiba. V důsledku toho Zilog, od uvedení procesoru na trh, vyrobil méně než polovinu procesorů Z80. V posledních desetiletích se Zilog soustředí na stále rostoucí trh s vestavěnými systémy (pro který jsou učeny původní Z80 a Z180) a na nejnovější z rodiny mikrokontrolérů, Z80-kompatibilní.

Ačkoli už dříve Zilog uskutečnil pokusy s pokročilými mikropočítači, jako byly architektury Z80 (Z800 a Z280), tyto čipy se nikdy neuchytily. Společnost se také snažila proniknout na trh s pracovními stanicemi s jejich procesorem Z8000 a 32bitovým Z80000 (ani jeden nesouvisí s 8bitovým procesorem Z80).

Stručná historie a přehled

Z80 se objevil, když Federico Faggin, po práci na procesoru Intel 8080, opustil společnost Intel a na konci roku 1974 vstoupil do firmy Zilog. Společně s Raplhem Ungermanem uvedli v červenci 1976 procesor Z80 na trh. Byl navržen aby byl zpětně kompatibilní s procesorem Intel 8080, zejména CP/M operační systém mohl fungovat bez jakýchkoli dalších úprav. K vývoji procesoru Z80 přispěl také další z návrhářů procesorů Intel 4004 a 8080, Masatoshi Shima.

Patrně nejslavnější použití a boom přinesla procesoru řada domácích počítačů Sinclair ZX Spectrum. Později ho firma SEGA nasadila v herních konzolích Master System a Game Gear. Firma Nintendo použila v konzolích Game Boy a Game Boy Color klon procesoru Z80 od firmy Sharp.

Procesor Z80 byl také použit v japonském domácím počítači Sord M5.

V Československu byly na základě Z80 vyráběny počítače Ondra a Didaktik.

V současnosti je Z80 stále používán např. ve vestavěných systémech, mikrokontrolérech nebo v elektronice (například programovatelné kalkulátory, tiskárny, syntezátory či MP3 přehrávače atd.)

Z80 nabízí mnoho skutečných vylepšení oproti 8080

• Rozšířená instrukční sada obsahující blokové operace, manipulace s bity a relativní skoky
• Nové indexové registry IX a IY s podporovou adresování base+offset
• Lepší systém přerušení
  • Více automatický a obecný vektorizovaný systém přerušení, mode 2, stejně jako pevný vektor přerušení systému, mode 1, pro jednoduchý systém s minimálním hardwarem (mode 0 je 8080-kompatibilní).
  • Nemaskovatelné přerušení (NMI – Non Maskable Interrupt), může být použito v případě výpadku napájení a/nebo při jiné události s vysokou prioritou (umožňuje minimalistickému systému Z80 snadno implementovat dvouúrovňové schéma přerušení v mode 1).
  • Dva soubory registrů, mezi kterými lze rychle přepínat, což umožňuje zrychlit reakci na přerušení.
• Menší požadavky hardwaru.
  • Jeden 5V zdroj napájení (procesor 8080 potřeboval +5V/-5V/+12V).
  • Jednofázové 5V hodiny (procesor 8080 potřeboval dvoufázový generátor hodin s vysokou amplitudou).
  • Vestavěný obnovovací mechanismus pro paměti DRAM, který se jinak musí řešit externími obvody.
  • Nemultiplexová sběrnice

Z80 vystřídal procesor 8080 a jeho nástupce 8085, na trhu s procesory a stal se jedním z nejpopulárnějších 8bitových CPU. Možná, že klíčem, který zapříčinil úspěch procesoru Z80 byl zabudovaný DRAM refresh a ostatní funkce, které dovolovaly systému aby byl postaven s menším počtem podpůrných čipů (později, většina Z80 systémů byli vestavěné systémy, které typicky používaly statickou RAM, a proto nepotřebovali tento refresh).

Podle originálního designu NMOS se určená horní hranice frekvence postupně zvyšuje z původních 2,5 MHz, přes dobře známé 4 MHz (Z80A), až na 6 MHz (Z80B) a 8 MHz (Z80H). CMOS verze byla také vyvinuta se stanovenými limity frekvencí v rozsahu od 4 MHz až do 20 MHz pro verzi, která se prodává dnes. CMOS verze také umožňovala spánek s nízkou spotřebou se zachováním vnitřních stavů (nemá žádnou dolní hraniční frekvenci). Plně kompatibilní s deriváty HD64180/Z180 a eZ80, ty jsou v současné době určené až pro 33 MHz a 50 MHz.

Technický popis

Programovací model a nastavení registrů

Programovací mode a nastavení registrů jsou konvenční a podobně souvisejí s rodinou x86. U procesoru Z80 jsou kompatibilní registry procesoru 8080, AF,BC,DE,HL, duplikovány jako dvě od sebe oddělené banky, kde procesor může rychle přepínat z jedné banky do jiné, což je užitečná vlastnost pro urychlení odezvy u jednoúrovňového přerušení s vysokou prioritou. Tato vlastnost byla představena v Datapoint 200, ale v procesoru 8008 nebyla Intelem implementována. Nastavení duálního registru dává smysl, Z80 (stejně jako ve většině procesorů té doby) byl skutečně určen pro použití v terminálech, nikoli pro použití v osobních počítačích. Podle jednoho z designérů, Masatoshi Shima, se trh zaměřil na vysoce výkonný tisk, velké cash registry a inteligentní terminály. Také se ukázalo být velmi užitečné vysoce optimalizované, manuální kompletování kódování. Některý software, hlavně hry pro MSX, Sinclair ZX Spectrum a další počítače založené na Z80, optimalizovaly kód na extrémní úroveň, mimo jiné použily také duplicitní registry.

Registry

Stejně jako v procesoru 8080, 8bitové registry jsou většinou spojeny, aby poskytovaly 16bitovou verzi. Kompatibilní registry procesoru 8080 jsou:

• AF: 8bitový akumulátor (A) a Flag bity (F) carry, zero, minus, parity/overflow, half-carry (používané pro BCD kód), a Add/Subtract Flag (obvykle nazývaný N) také pro BCD kód
• BC: 16bitový data/address registr nebo dva 8bitové registry
• DE: 16bitový data/address registr nebo dva 8bitové registry
• HL: 16bitový akumulátor/address registr nebo dva 8bitové registry
• SP: stack pointer, 16 bitů
• PC: program counter, 16 bitů

Nové registry zavedené v Z80 jsou:

• IX: 16bitový index nebo base registr pro 8bitový immediate offsets
• IY: 16bitový index nebo base registr pro 8bitový immediate offsets
• I: interrupt vector base registr, 8 bitů
• R: DRAM refresh counter, 8 bitů
• AF´: alternativní (nebo stínový) akumulátor a flag (přepínatelný dovnitř a ven s EX AF, AF´)
• BC´, DE´ a HL´: alternatvní (nebo stínový) registr (přepínatelný dovnitř a ven s EXX)
• Čtyři bity interrupt status a interrupt mode status

Není zde žádný přímý přístup k alternativním registrům, místo toho jsou použity dvě speciální instrukce, EX AF, AF a EXX, každá přepíná jeden nebo dva flip-flop multiplexery. To umožňuje rychlé prohození kontextu pro obsluhu přerušení: EX AF, AF´ mohou být použity samostatně (pro opravdu jednoduché a rychlé přerušení) nebo dohromady s EXX aby se vyměnila celá sada AF, BC, DE, HL. Stále je to rychlejší, než přidávání toho samého registru do fronty (pomalejší, nižší priorita, víceúrovňová přerušení běžně používají frontu k ukládání registrů).

Refresh registr, R, se zvýší pokaždé, když CPU vykoná opcode (operační kód) nebo opcode prefix a proto nemá žádný přímí vztah s vykonáním programu. Toto se někdy používá pro generování pseudonáhodných čísel ve hrách a také ve schématech ochrany softwaru. V některých návrzích je také použit jako „hardware“ counter, slavný příklad toho je ZX81, který umožňuje sledovat pozici písmene na televizní obrazovce tím, že spouští přerušení okolo obalu (připojením INT do A6).

Interupt vector registr, I, se používá u Z80 konkrétně pro přerušení mode 2 (vybraný IM 2 instrukcí). Dodává nejvyšší byt ze základních adres pro 128-vstupní tabulku obsluhy adres, které jsou vybírány přes ukazatel zaslání CPU během vědomého přerušení cyklu. Nejnižší byt ze základních adres je napevno nastaven na nulu. Ukazatel identifikuje zejména periferní čip a/nebo periferní funkci nebo akci, kde jsou čipy normálně spojeny v takzvaném sériovém zapojení pro prioritní řešení. Stejně jako refresh registr, tento registr je někdy použit také kreativně, u přerušení v mode 0 a 1 může být použit jednoduše jako další 8bitový data registr.

Z80 - jazyk symbolických adres

Datapoint 2200 a Intel 8008

První jazyk symbolických adres (dále jen assembler) pro Intel 8008 byl založen na velmi jednoduché (ale systematické) syntaxi, zděděné od Datapointu 2200. Pro původní čip Intel 8008 byla později tato originální syntaxe změněna na novou, poněkud tradičnější formu assembleru. V tu samou dobu byl assembler rozšířen, aby se přizpůsobil přidání nových adresních možností ve více pokročilém čipu Intel 8080 (Intel 8008 a 8080 sdíleli jazykovou podskupinu bez toho aby byly binárně kompatibilní, nicméně, Intel 8008 byl binárně kompatibilní s Datapointem 2200).

V tomto procesu, symbolický název (neboli mnemonická zkratka) L, pro LOAD, byla nahrazena různými zkratkami slov LOAD, STORE a MOVE, a ty byli smíchány s ostatními symbolickými písmeny. Symbolický název písmene M, pro paměť, byl odstraněn ze symbolických instrukcí, aby se stal syntakticky samostatným operandem, zatímco registry a kombinace registrů byli velmi rozporuplně označeny. Buď zkrácením operandu (MVI D, LXI H a podobně) nebo v rámci vlastních symbolických instrukcí (LDA, LHLD a podobně) nebo obojím najednou (LDAX B, STAX D a podobně).

Datapoint 2200 a i8008	i8080	Z80	i8086/i8088
před rokem 1973	~1974	1976	1978
LBC	MOV B,C	LD B,C	MOV BL,CL
--	LDAX B	LD A,(BC)	MOV AL,[BX]
LAM	MOV A,M	LD A,(HL)	MOV AL,[BP]
LBM	MOV B,M	LD B,(HL)	MOV BL,[BP]
--	STAX D	LD (DE),A	--
LMA	MOV M,A	LD (HL),A	MOV [BP],AL
LMC	MOV M,C	LD (HL),C	MOV [BP],CL
LDI 56	MVI D,56	LD D,56	MOV DL,56
LMI 56	MVI M,56	LD (HL),56	MOV byte ptr [BP],56
--	LDA 1234	LD A,(1234)	MOV AL,[1234]
--	STA 1234	LD (1234),A	MOV [1234],AL
--	--	LD B,(IX+56)	MOV BL,[SI+56]
--	--	LD (IX+56),C	MOV [SI+56],CL
--	--	LD (IY+56),78	MOV byte ptr [DI+56],78
--	LXI B,1234	LD BC,1234	MOV BX,1234
--	LXI H,1234	LD HL,1234	MOV BP,1234
--	SHLD 1234	LD (1234),HL	MOV [1234],BP
--	LHLD 1234	LD HL,(1234)	MOV BP,[1234]
--	--	LD BC,(1234)	MOV BX,[1234]
--	--	LD IX,(1234)	MOV SI,[1234]

Ukázka čtyř syntaxí, používajících vzorky ekvivalentní nebo (pro 8086) velmi podobné LOAD a STORE instrukcím.

Nová syntaxe

Protože Intel prohlašoval, že vlastní práva na symbolické názvy, musela být v assembleru vyvinuta nová syntaxe. Tentokrát byl použit mnohem systematičtější přístup:

• Všechny registry, včetně párových registrů jsou explicitně označeny jejich celými jmény.
• Závorky jsou běžně použity k označení "obsahu paměti", s výjimkou nějakých skokových instrukcí.
• Všechny LOAD a STORE instrukce používají stejný symbolický název, LD pro LOAD (byl to návrat ke zjednodušenému slovníku z Datapointu 2200). Ostatní běžné instrukce, jako například ADD a INC, používali stejný symbolický název, bez ohledu na adresní režim nebo velikost operandu. To je možné právě proto, že operand už sám o sobě obsahuje dostatek informací.

Tyto zásady umožňovaly přímočaře zjistit jména a tvary všech instrukcí procesoru Z80.

S výjimkou pojmenování rozdílů, a navzdory určitému rozporu v základní registrové struktuře, syntaxe Z80 a 8086 je v podstatě izomorfní pro velkou část instrukcí. V assembleru pro 8080 a 8086 existují pouze docela nedůležité podobnosti (jako například slovo MOV, nebo písmeno X pro rozšířené registry). Programy pro procesor 8080 mohou být přeloženy do strojového kódu pro procesor 8086 pomocí speciálního assembleru nebo přeloženy do jazyku symbolických adres pomocí překladatelského programu.

Instrukční sada a kódování

Procesor Z80 používá 252 z 256 možných kódů jednotlivých bajtů opcodu (operační kód - "kořenové instrukce"). Čtyři zbývající kódy jsou značně používané jako opcode prefix. CB a ED povolí speciální instrukce a DD nebo FD vyberou IX+d nebo IY+d příslušně (v některých případech bez posunutí "d") v místě HL. Toto schéma dává procesoru Z80 velké množství permutací instrukcí a registrů. Zilog je kategorizuje do 158 různých instrukčních typů, 78 z nich jsou ty samé jako u procesoru Intel 8080 (umožňují provoz programů z procesoru 8080 na procesoru Z80). Dokumentace k Z80 dělí skupiny instrukcí do následujících kategorií:

• 8bitové aritmeticko logické operace
• 16bitová aritmetika
• 8bitový load
• 16bitový load
• Nastavení bitů, resetování a testování
• Call, return a restart
• Výměna, transfer bloků a vyhledávání
• Základní účel aritmetiky a řízení CPU
• Vstup a výstup
• Skoky
• Rotace a posun

V originálním procesoru Z80 nejsou dostupné několikanásobné instrukce. Rozdílné velikosti a varianty sčítání, posunu a rotace mají někdy rozdílné účinky na příznaky, a to proto, že z procesoru 8080 byly zkopírovány příznaky ovlivňující vlastnosti. Instrukce LOAD neovlivňuje příznaky (s výjimkou LOAD registru I a R, které jsou pro zvláštní účely). Instrukce index registru jsou užitečné pro snížení délky kódu a zatímco některé nejsou o mnoho rychlejší než ekvivalentní sekvence jednodušších operací, nepřímo šetří čas pro vykonání instrukce tím, že snižuje potřebu uložit a obnovit registry. O deset let mladší design Z180 si mohl ze začátku dovolit více "čipového prostoru", který umožňuje o něco účinnější implementaci (mimo jiné používá širší ALU). Podobné věci mohou být řečeny o Z800, Z280 a Z380. Nicméně až roku 2001, když byl vydán procesor eZ80 umožňující plné zřetězení instrukcí (neboli Pipelining), se jim tyto instrukce konečně přiblížili svou efektivitou v cyklech jak jen to bylo technicky možné, to jest vzhledem ke kódování v Z80 kombinovaném se schopností realizovat 8bitové čtení nebo zápis v každém hodinovém cyklu. Stejně tak instrukce pro 16bitové sčítání nejsou v originálním procesoru Z80 příliš rychlé (11 hodinových cyklů). Nicméně, jsou asi dvakrát rychlejší, než když se vykonávají ty samé výpočty pomocí 8bitových operací. A stejně tak důležité je, že snižují množství operací s registry.

Externí odkazy

• ZX magazín, Stručně o CPU Z80: http://zxmagazin.80.cz/…
• Z80 Product Family, oficiální stránky: http://www.zilog.com/…
• Thomas Scherrer Z80-Family Official Support Page: http://www.z80.info/
• Počítače používající procesory Z80 (Michael Kromeke): http://www.zianet.com/…