Zilog Z80

Zilog Z80   >> Центральный процессор
Микропроцессор Zilog Z80, одна из самых ранних реализаций (23 неделя 1976 года)
Производство:	июль 1976
Производитель:	Zilog, Mostek, SGS, NEC, Sharp, National Semiconductor, Hitachi
Частота ЦП:	1—20 МГц
Технология производства:	NMOS, CMOS, 3 мкм
Наборы инструкций:	расширенный набор на основе i8080, 158 основных инструкций, CISC
Разъём:	DIP40, PLCC44, PQFP44

Процессор Z0840004PSC производства Zilog на плате компьютера Daewoo CPC-300E

Z80 в корпусе QFP

Zilog Z80 — 8-разрядный микропроцессор, разработанный и производимый фирмой Zilog с 1976 года. Он широко использовался в домашних и персональных компьютерах, а также во встраиваемых и военных системах. Z80, вместе с его наследниками и клонами, составляют одно из наиболее широко использовавшихся семейств микропроцессоров, а также, вместе с семейством MOS Technology 6502, было доминирующим семейством на рынке 8-разрядных компьютеров с 1970-х до середины 1980-х годов.

Zilog предоставляла лицензии на ядро процессора, что позволяло сторонним компаниям производить свои совместимые процессоры без лицензионных отчислений с каждого чипа. В результате этого, Zilog выпустила менее 50 % от всех Z80.

В Советском Союзе были созданы полностью совместимые клоны Z80 — микропроцессоры Т34ВМ1 и КР1858ВМ1. В Восточной Германии производился клон U880; он использовался, в частности, в компьютерах Robotron 1715 и Правец 8М и принтере Robotron CM6329M.

Обзор

Архитектура процессора Z80

После ухода из Intel Федерико Фэггин основал компанию Zilog. К проекту также присоединились интеловский инженер Ральф Уингерманн и японский инженер Масатоши Шима (один из создателей Intel 4004). Команда Фэггина сразу же принялась за разработку нового процессора, взяв за основу Intel 8080, выпущенный незадолго перед этим. Новый CPU создавался бинарно-совместимым с 8080, так что большая часть старого кода работала на новом процессоре без изменений, в частности — операционная система CP/M.

Z80 имел ряд улучшений по сравнению с 8080:

• расширенный набор команд, включая побитовые операции, поблочное копирование, поблочный ввод/вывод, инструкции поиска
• новые регистры IX и IY, и инструкции для них
• новые режимы прерываний
• два отдельных блока регистров, между которыми можно быстро переключаться, например, для быстрой реакции на прерывания
• единственный 5-вольтовый источник питания
• встроенная схема регенерации динамической памяти
• требовалось меньшее количество других микросхем для обслуживания процессора
• значительно меньшая цена

Необычно большое, для 8-ми разрядного процессора, количество процессорных регистров, позволяло в ряде случаев строить схемы микроконтроллеров вообще без ОЗУ, используя, например, бо́льшую часть «альтернативного» набора регистров для оперативного запоминания данных.

Благодаря этим преимуществам, Z80 быстро опередил 8080 на рынке и в итоге стал одним из самых популярных 8-разрядных процессоров.

Первые опытные образцы кристаллов Z80 датированы 23 неделей 1976 года (первая половина июня).

Первые модели Z80 работали на тактовой частоте 2,5 МГц, со временем максимальная частота для первоначального дизайна была доведена до 8 МГц, и до 20 МГц в КМОП-версии, минимальная частота составляла порядка 1 МГц; производные от Z80 процессоры Z180 и eZ80 предназначены для частоты 33 и 50 МГц соответственно.

Технические характеристики

Схема распиновки

• Дата анонса: июль 1976 года
• Тактовая частота (МГц): 2,5 — 8 для основной версии; КМОП-версии от 1 (версия Z80L Z8300-1) до 20; короткие команды исполняются за 4 такта.
• Разрядность регистров: 8 бит
• Разрядность шины данных: 8 бит
• Разрядность шины адреса: 16 бит
• Объём адресуемой памяти: 64 Кбайт
• Количество транзисторов: 8500
• Техпроцесс (нм): 3000 (3 мкм)
• Размер кристалла: 4,6 на 4,9 мм; площадь — 22,54 мм²
• Напряжение питания: +5 В
• Корпус: 40-контактный керамический или пластмассовый DIP, 44-контактный PLCC и PQFP

Использование

Z80, в частности, использовался:

• Во многих моделях домашних компьютеров, включая:
  • Sinclair ZX80, ZX81 и ZX Spectrum; SAM Coupé
  • TRS-80
  • Galaksija
  • Amstrad CPC и Amstrad PCW
  • Cambridge Computer Z88 (портативный)
  • Jupiter ACE
  • MicroBee
  • Enterprise-64 и Enterprise-128
  • Компьютеры стандарта MSX
• В ряде игровых автоматов, в качестве центрального либо звукового процессора
• В игровых приставках ColecoVision, Sega Master System и Sega Game Gear
• В карманных игровых приставках Nintendo GameBoy, Game Boy Color (в виде упрощённой версии) и Game Boy Advance (как вспомогательный)
• В калькуляторах серий TI-83/TI-84/TI-85/TI-86 фирмы Texas Instruments.
• В большинстве телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера (АОН), продаваемых в России в начале-середине 1990-х годов
• В пультах ДУ телевизоров

Сопроцессоры

Для увеличения производительности Z80, не имеющего, как и i8080, аппаратных команд деления и умножения, а также команд для работы над числами с плавающей запятой, использовались сопроцессоры.

am9511 и am9512

В 1979 году фирмой AMD для Z80 был разработан арифметический сопроцессор am9511 (3-х микронная технология, 32-битная математика, включая вычисления с плавающей точкой над числами в формате 23+7), а год спустя к нему добавился am9512, расширяющий функциональные возможности и добавляющий операции над 64-разрядными числами. Процессоры были основаны на 16-разрядном ALU, использовали обратную польскую нотацию и стек глубиной в четыре шага.

При использовании комплекта производительность компьютера на математических вычислениях вырастала примерно в 4 раза по сравнению с программными вычислениями на Z80. Умножение двух 32-разрядных чисел занимало примерно 200 циклов.

Комплект использовался в некоторых S-100 CP/M системах, в частности, в компьютерах фирмы NorthStar.

National Semiconductor MM57109N

В 1979 году британская фирма Powertran выпустила компьютер PSI Comp 80, где совместно с Z80 использовался математический сопроцессор National Semiconductor MM57109N из семейства COP4xx.

Микропроцессорный комплект

Кроме собственно процессора, фирма Zilog разработала и выпустила серию микросхем поддержки:

• Z80PIO (Parallel Input Output) — интерфейс параллельного ввода/вывода, два независимых двухсторонних канала, корпуса DIP40, PLCC44 и PQFP44.
• Z80CTC (Counter Timer Circuit) — Z0843004, Z0843006, Z84C3006, Z84C3008, Z84C3010 — счётчик/таймер, четыре независимых канала, корпуса DIP28, PLCC44 и PQFP44.
• Z80SIO (Serial Input Output) — USART интерфейс последовательного ввода/вывода, двухканальный, многофункциональный, поддерживает как синхронный/асинхронный байт-ориентированный протокол IBM Bisync, так и бит-ориентированные синхронные HDLC и IBM SDLC; поддерживается CRC-контроль; корпуса DIP40, PLCC44 и PQFP44.
• Z80DMA (Direct Memory Access) — контроллер прямого доступа к памяти, одноканальный, корпуса DIP40, PLCC44 и PQFP44
• Z80DART (Dual Asynchronous Receiver/Transmitter) — UART двухканальный асинхронный приёмопередатчик.

См. также

• ASCII R800
• BDS C

Ссылки

• www.z80.info (англ.)
• Неплохая книжечка со всеми необходимыми данными по микропроцессору Zilog Z80 (рус.)
• Транслятор к отладчику микропроцессора Zilog Z80 (рус.)
• Полная система команд Z80, включая недокументированные  (рус.)
• Информация о продуктах семейства Z80 на сайте Zilog. (англ.)
• Страница, где, среди прочего, можно найти материалы по программированию на ассемблере Z80.

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставив сноски, внести более точные указания на источники.