Utente:Leo72/prove/Z80

Uno dei primi microprocessori Z80 fabbricati; la data impressa indica Giugno 1976

Un Z80 in versione CMOS Z80, pacchettizzato in formato QFP

Lo Zilog Z80 è un microprocessore ad 8 bit disegnato e commercializzato da Zilog a partire dal mese di luglio del 1976, largamente utilizzato in numerosi sistemi, dagli home computer agli arcade, dai sistemi embedded a quelli militari. Lo Z80, con i suoi derivati ed i suoi cloni, è una delle famiglie di CPU più usate di tutti i tempi e, con la famiglia del MOS 6502, dominò il mercato dei microcomputer e delle console giochi ad 8 bit di fine anni '70 e quello degli home computer dei primi anni '80.

Zilog tentò di realizzare delle versioni per minicomputer dell'architettura Z80, lo Z800 e lo Z280, che però non presero mai piede come il loro predecessore.

Zilog concesse in licenza senza royalty la proprietà intellettuale del progetto del core dello Z80 a qualunque società volesse realizzare una propria copia dello Z80, anche se diversi produttori dell'Europa dell'Est e dell'ex Unione Sovietica fabbricarono delle copie senza licenza della CPU. Questo permise ad un prodotto di una piccola società qual'era Zilog di affermarsi sul mercato mondiale grazie al fatto che i grossi produttori come Toshiba iniziarono a produrre lo Z80. Come conseguenza di questa scelta commerciale Zilog ha prodotto meno del 50% di tutti gli Z80 costruiti in questi anni.

Breve storia e analisi tecnica

Lo Z80 nacque quando Federico Faggin, dopo aver lavorato sull'8080, lasciò Intel alla fine del 1974 per fondare con Ralph Ungermann la ZiLOG, una società dedita esclusivamente alla produzione di CPU, il cui primo prodotto fu lo Z80, presentato a luglio del 1976. La CPU fu progettata per essere compatibile a livello di microcodice con l'Intel 8080 per cui molto del codice per l'8080, principalmente quello del sistema operativo CP/M, poteva girare senza modifiche sullo Z80. Masatoshi Shima, co-progettista dell'Intel 4004 e dell'Intel 8080, contribuì allo sviluppo dello Z80.

La piedinatura originale dello Z80 con pacchettizzazione DIL40

Lo Z80 offriva molte migliorìe rispetto all'8080:

• un insieme di istruzioni più completo incluse quelle per la manipolazione dei bit, lo spostamento dei blocchi di dati, l'I/O e le istruzioni per la ricerca dei byte;
• nuovi registri indice IX e IY, con le relative istruzioni;
• un più automatizzato e generalizzato sistema di interrupt vettorizzati (modo 2), così come un sistema di interrupt vettorizzati fissi (modo 1) per per sistemi semplici con hardware minimale (il modo 0 indica la modalità compatibile 8080).
• 2 banchi di registri separati, che possono essere velocemente invertiti, per velocizzare la risposta agli interrupt;
• necessità di meno hardare per l'alimentazione, la generazione del clock, l'interfaccia di memoria e l'I/O:
  • rchiesta di 1 singola alimentazione a 5V (l'8080 necessita di 3 alimentazioni, rispettivamente a -5V, +5V e +12V)
  • clock a 5 V a singola fase (l'8080 necessita di un generatore di clock a due fasi di grande ampiezza)
  • un meccanismo integrato per il refresh della memoria ad accesso diretto che altrimenti doveva essere fornito da una circuiteria esterna
  • bus dati non multiplato (l'8080 ha nel bus dati un sistema multiplato di segnali di stato)
• un prezzo più basso.

Lo Z80 si diffuse nel mercato dei processori molto più dell'8080 e del suo successore, l'Intel 8085 e divenne una delle CPU ad 8 bit più popolari. Uno dei fattori chiave del successo iniziale dello Z80 furono i sistemi integrati nel chip stesso, come quello per il refresh della memoria DRAM, che permettevano di utilizzarlo in abbinamento ad altri pochi chip di supporto (più in là comparvero sistemi embedded basati sullo Z80, che in genere utilizzano memorie statiche, che non necessitano di questo refresh).

Il progetto originale in logica NMOS vide il limite massimo della frequenza del clock crescere progressivamente dai 2,5 MHz iniziali fino ai ben noti 4 MHz dello Z80A, 6 MHz dello Z80B e 8 MHz dello Z80H. Ne fu realizzata anche una versione CMOS con un intervallo di frequenze che vanno dai 4 MHz fino ai 20 MHz delle versioni vendute attualmente. La versione CMOS permetteva, inoltre, una modalità d'attesa a basso consumo energetico in cui lo stato interno veniva mantenuto (non esisteva un limite "minimo" di frequenza). I chip derivati compatibili con lo Z80, l'HD64180/Z180 e eZ80 sono dichiarati capaci di 33 e 50 MHz, rispettivamente.

Descrizione tecnica

Modello di programmazione e gestione dei registri

Il modello di programmazione e la gestione dei registri sono convenzionzli e simili a quelli della famiglia x86. I registri AF, BC, DE e HL, compatibili con quelli dell'Intel 8080, sono duplicati nello Z80 in 2 banchi separati con il processore che può velocemente passare da un banco all'altro, una caratteristica utile per velocizzare la risposta agli interrupt ad alta priorità e livello singolo. Questa caratteristica era presente nel Datapoint 2200 ma non era invece implementata nell'Intel 8008. Il sistema dei registri doppi aveva un senso sullo Z80 (e su altri microprocessori dell'epoca) perché esso stato progettato anche per i sistemi embedded, non solo per i personal computer o per gli ancora da venire home computer. I doppi registri risultarono molto utili per la codifica assembly altamente ottimizzata: alcuni software, specialmente i giochi per i sistemi MSX, gli Sinclair ZX Spectrum ed altri computer basati sullo Z80, portarono l'ottimizzazione dell'assembly dello Z80 a livelli estremi, impiegando, tra le altre cose, proprio i registri duplicati.

Architettura dello Z80

Registri

Come sull'8080, i registri ad 8 bit sono di solito accoppiati per ottenerne delle versioni a 16 bit. I registri compatibili con quelli dell'8080 sono:

• AF - (8 bit) accumulatore (A) e bit di flag (F) per resto, zero, meno, parità/overflow, semi-riporto (usato per codifica decimale), ed un flag Aggiungi/Sottrai (normalmente chiamato N), anch'esso per la codifica decimale;
• BC - (16 bit) registro dati/indirizzo oppure 2 registri ad 8 bit;
• DE - (16 bit) registro dati/indirizzo oppure 2 registri ad 8 bit;
• HL - (16 bit) registro accumulatore/indirizzo oppure 2 registri ad 8 bit;
• SP - (16 bit) stack pointer
• PC - (16 bit) program counter

I nuovi registri introdotti dallo Z80 sono:

• IX - (16 bit) registro indice o di base per offset ad 8 bit immediati
• IY - (16 bit) registro indice o di base oer offeset ad 8 bit immediati
• I - (8 bit) registro base per gli interrupt vettoriali
• R - (8 bit) contatore per refresh della DRAM (il bit più significativo non conta)
• AF' - accumulatore alternativo (od "ombra") e flags (attivati e disattivati con EX AF,AF' )
• BC', DE' e HL' - registri alternativi (od "ombra") (attivati o disattivati con EXX)
• 4 bit per lo stato degli interrupt e le modalità degli interrupt

Non c'è la possibilità di accedere direttamente ai registri alternativi: esistono per questo compito 2 istruzioni speciali, EX AF,AF' e EXX, ognuna delle quali modifica 1 di 2 multiplatori flip-flop. Questo permette passaggi veloci di contesto per le routine di servizio degli interrupt: EX AF, AF' può essere utilizzata da sola (per routine di interrupt molto semplici e veloci) o in abbinamento a EXX per invertire l'intero gruppo di registri AF, BC, DE e HL, un modo di operare molto più veloce di quello basato sull'inserimento degli stessi registri nello stack (interrupt con più livelli o interrupt lenti e con bassa priorità normalmente utilizzano lo stack per memorizzare il valore dei registri).

Il registro di refresh, R, viene incrementato ogni volta che la CPU esegue un opcode (o un prefisso opcode) e non ha pertanto una relazione semplice con l'esecuzione del programma. Questo modo di operare era spesso usato per generare numeri pseudo-casuali nei giochi ma anche in schemi di protezione software. Era anche utilizzato come contatore "hardware" in alcuni sistemi: un famoso esempio di questo utilizzo è lo ZX81, che permette di tener traccia delle posizioni dei caratteri sullo schermo TV innescando un interrupt al verificarsi della reinizializzazione (collegando l'interrupt ad A6).

Il registro vettoriale di interrupt, I, è usato per gli interrupt dello Z80 specificati con modalità 2 (selezionata dall'istruzione IM 2). Esso fornisce l'indirizzo di base per la tabella a 128 voci degli indirizzi degli interrupt di servizio che sono selezionati tramite un puntatore inviato alla CPU durante un ciclo di riconoscimento degli interrupt. Il puntatore identifica un particolare chip di periferica e/o una funzione di periferica o quant'altro, dove i chip sono normalmente connessi a cascata per la risoluzione della priorità. Come per quello di refresh, questo registro è stato talvolta utilizzato in maniera creativa.

Il linguaggio assembly dello Z80

Una retrospettiva - Il Datapoint 2200 e l'Intel 8008

Il linguaggio assembly del primo Intel 8008 era basato su una sintassi molto semplice (ma schematica) derivata dall'architettura del Datapoint 2200: questa sintassi fu poi trasformata in un nuovo e particolare, anche se in qualche modo più tradizionale, linguaggio assembly dedicato all'anch'esso particolare chip 8008. Il nuovo linguaggio assembly fu poi esteso, quasi nello stesso periodo, per adattarsi alle aggiunte possibilità di indirizzamento offerte dal più evoluto chip Intel 8080 (l'8008 e l'8080 condividevano un linguaggio senza che fossero compatibili a livello di codice binario; l'8008 era, invece, compatibile a livello binario con il Datapoint 2200).

In questo processo di trasformazione, l'abbreviazione mnemonica L, che stava per LOAD, fu sostituita dalle parole LOAD, STORE e MOVE, a cui erano aggiunte altre lettere simboliche. La lettera M, per Memory (referenziata da HL), fu trasformata da abbreviazione mnemonica a operando indipendente sintatticamente, mentre i registri e le combinazioni di registri furono indicati in maniera molto inconsistente, sia abbreviando gli operandi (MVI D, LXI H ecc.) sia usando le stesse forme mnemoniche delle istruzioni (LDA, LHLD etc.) sia usando entrambi gli schemi contemporaneamente (LDAX B, STAX D etc.).

Datapoint 2200 & i8008	i8080	Z80	i8086/i8088
ca. -1973	ca. 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	MOV [DX],AL
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]

Illustrazione di 4 sintassi che usano esempi di istruzioni di LOAD e STORE equivalenti o (per l'8086) molto simili.

La nuova sintassi

Intel dichiarò che i codici mnemonici del suo assembly erano brevettati. Fu perciò sviluppata una nuova sintassi, questa volta con un approccio più semantico:

• tutti i registri e le coppie di registri venivano indicati esplicitamente con i loro nomi interi;
• le parentesi tonde "()" venivano utilizzate coerentemente per indicare "contenuto di memoria a" (puntatore non referenziato) con l'eccezione di alcune istruzioni di salto.
• Tutte le istruzioni "load" e "store" usavano lo stesso codice mnemonico, LD per LOAD (un ritorno al vocabolario semplicistico del Datapoint 2200); altre istruzioni di uso comune, come ADD, INC ecc., usavano lo stesso codice mnemonico, indipendentemente dal modo di indirizzamento o dalla dimensione dell'operando (ciò era possibile perché gli stessi operandi contenevano in sé abbastanza informazioni).

Queste linee guida rese semplice il compito di trovare i nomi e la sintassi di tutte le nuove istruzioni dello Z80, così come il riaddattamento delle vecchie, ad esempio "LD BC,(1234)" espresso più sopra.

Dalla tabella si nota anche l'interessante somiglianza tra la sintassi dello Z80 e quella dell'Intel 8086. A parte la differenza di nomenclatura, ed a dispetto di una certa discrepanza nella struttura base dei registri, le due sintassi sono virtualmente isomorfe per una larga porzione di istruzioni. Non è, però, certo se questa somiglianza sia dovuta alle comuni influenze avute su entrambi i gruppi di progettazione dalle CPU ante Intel 8080, come il PDP-11, alla natura competitiva della relazione fra i due progetti o ad una questione di scelte.

Istruzioni e codifica

Lo Z80 utilizza 252 dei 256 codici disponibili come singoli byte opcode ("root instructions", "istruzioni base"); i 4 codici rimanenti sono utilizzati estesamente come prefissi opcode: CB e ED abilitano delle istruzioni aggiuntive, e DD e FD selezionano rispettivamente IX+d e IY+d (in alcuni casi senza utilizzare d) al posto di HL. Questo schema dà allo Z80 un elevato numero di permutazioni di istruzioni e registri; ZiLOG le inquadrò in 158 differenti "tipi di istruzioni", 78 delle quali sono le stesse di quelle dell'8080 (permettendo l'esecuzione dei programmi 8080 sullo Z80). La documentazione di ZiLOG raggruppa inoltre le istruzioni nelle seguenti categorie:

• operazioni aritmetiche e logiche ad 8 bit;
• operazioni aritmetiche a 16 bit;
• operazioni di caricamento ad 8 bit;
• operazioni di caricamento a 16 bit;
• operazioni sui bit (inserimento di valore 1, 0 o di test);
• operazioni di chiamata, ritorno e ripartenza;
• operazioni di scambio, trasferimento e ricerca dei blocchi;
• operazioni di controllo CPU e aritmetica semplice;
• operazioni di gestione dell'input/output;
• operazioni di salto;
• operazioni di rotazione e scorrimento dei bit;

Nessuna istruzione di moltiplicazione è disponibile nell'originale Z80. Le differenti dimensioni e le varianti delle operazioni di addizione, spostamento e rotazione dei bit avevano anche differenti effetti sui flag a causa delle proprietà di influenza sui flag copiate dall'8080. Le istruzioni di caricamento non influenzavano i flag (tranne nei casi di caricamento negli speciali registri I e R). Le istruzioni sui registri indice erano utili per ridurre la dimensione del codice e, anche se alcune di esse non erano molto più veloci delle "equivalenti" sequenze composte dalle semplici operazioni, esse permettevano di ridurre indirettamente il tempo di esecuzione diminuendo la necessità di salvare e ripristrinare i registri. Similarmente, le istruzioni per le addizioni a 16 bit non erano particolarmente veloci nell'originale Z80 (11 cicli); comunque, esse erano circa il doppio più veloci se paragonate alle operazioni ad 8 bit alle prese con gli stessi calcoli e, cosa ugualmente importante, esse riducevano l'utilizzo dei registri.

Istruzioni non documentate

I registri indice IX e IY erano stati pensati come flessibili puntatori a 16 bit, per migliorare l'abilità di manipolare la memoria, le strutture di dati e gli stack. Ufficialmente essi erano gestiti solo come registri solo a 16 bit ma, in realtà, essi erano implementati come una coppia di registri ad 8 bit alla stessa maniera del registro HL, che era accessibile sia integralmente a 16 bit sia nei suoi come singoli registri ad 8 bit "High" e "Low". Ugualmente i codici opcodeEven (linguaggio macchina) erano identici ma preceduti da un nuovo prefisso opcode.

ZiLOG pubblicò gli opcode ed i relativi codici mnemonici per le funzioni illustrate ma non documentò il fatto che ogni opcode che permetteva la manipolazione dei registri H e L era ugualmente valido per le porzioni ad 8 bit dei registri IX e IY. Un esempio è l'opcode 26h seguito immediatamente da un byte (LD H,n), che caricherà quel valore nel registro H. Precedendo questa istruzione a 2 byte con il prefisso opcode per il registro IX si avrà il caricamento di quel valore negli 8 bit più significativi del registro IX. Una importante eccezione a questo modo di operare è data dalle istruzioni simili a LD H,(IX+d) che fanno uso sia del registro HL sia di IX, o di IY, nella stessa istruzione: in questo caso il prefisso DD si applica solo alla porzione (IX+d) dell'istruzione.

Ovviamente ci sono diverse altre istruzioni non documentate.

Esecuzione delle istruzioni

Ogni istruzione è eseguita in passaggi che sono di solito indicati come cicli macchina (o M-cycles), dall'inglese "machine cycles"), ognuno dei quali può richiedere da 3 a 6 cicli clock (o T-states o T-cycles). Ogni M-cycle corrisponde approssimativamente ad un accesso alla memoria e/o ad un'operazione interna. Molte istruzione terminano effettivamente durante il ciclo M1 dell'istruzione successiva, condizione nota come fetch/execute overlap.

Esempi di istruzioni tipiche (R=lettura, W=scrittura)

M-cycle totali	istruzione	M1	M2	M3	M4	M5	M6
1	INC BC	opcode
2	ADD A,n	opcode	n
3	ADD HL,DE	opcode	internal	internal
4	SET b,(HL)	prefix	opcode	R(HL), set	W(HL)
5	LD (IX+d),n	prefix	opcode	d	n,add	W(IX+d)
6	INC (IY+d)	prefix	opcode	d	add	R(IY+d),inc	W(IY+d)

I cicli macchina dello Z80 sono gestiti da una macchina a stati finiti interna che costruisce ogni M-cycle a partire da 3, 4, 5 o 6 T-cycle, a seconda del contesto. Questo meccanismo evita di dover usare un'ingombrante logica asincrona e fa sì che i segnali di controllo si comportino in modo coerente all'interno di una vasta gamma di frequenze di clock. Naturalmente, ciò significa anche che va usato un clock con una frequenza superiore rispetto a quello che si userebbe nella situazione in cui questa suddivisione dei cicli macchina non esistesse (approssimativamente 2-3 volte superiore).

Questo non implica, però, la necessità di usare una memoria con dei tempi di accesso migliori perché un clock con una risoluzione più elevata permette un controllo più preciso dei timing della memoria e la stessa può essere attiva in parallelo con la CPU per un margine più ampio (cioè registra meno idle), permettendo un uso più efficiente delle sue prestazioni. Parlando di esecuzione delle istruzioni, lo Z80 combina 2 cicli di clock completi in un lungo periodo di accesso alla memoria (il segnale M1) che generalmente dura solo una frazione di un (più lungo) ciclo di clock, in una specie di design più asincrono (tipo il Motorola 6800 o altre CPU simili).

La memoria, soprattutto quella di tipo EPROM ma anche di le Flash, erano di solito troppo lente se paragonate ai sotto-cicli della macchine a stato finito (i cicli di clock) usate nei processori contemporanei. Il ciclo macchina più breve che poteva essere usato nei progetti embedded era spesso limitato dai tempi di accesso della memoria, non dalla massima frequenza della CPU (specialmente durante l'era degli home computer). Questa relazione, però, è cambiata leggermente durante le ultime decadi, particolarmente per quanto riguarda le SRAM; senza cache, i disegni a ciclo singolo come l'eZ80 sono pertanto divenuti recentemente molto più significativi.

Periferiche compatibili

ZiLOG introdusse un certo numero di periferiche per lo Z80 che supportavano tutte il sistema di gestione degli interrupt e lo spazio di indirizzi I/O della CPU. Queste includevano il CTC, Counter-Timer-Circuit, il SIO, Serial Input Output, il DMA Direct Memory Access, il PIO, Parallel Input-Output, ed il DART, Dual Asynchronous Receiver Transmitter. Col tempo, di questi chip furono offerte anche versioni in tecnologia CMOS, che offrivano un consumo energetico più basso unito ad una velocità superiore.

Come i processori Intel 8085 e 8086, ma non come i processori Motorola 6800 e MOS 6502, lo Zilog Z80 e l'Intel 8080 avevano per le istruzioni che riguardavano l'I/O una linea di controllo ed uno spazio d'indirizzi separati. Nonostante alcuni computer basati sullo Z80, come l'Osborne 1, utilizzassero dei dispositivi di I/O mappati su memoria, in genere lo spazio I/O era utilizzato per indirizzare uno dei molti chip periferici di Zilog compatibili con lo Z80: i chip di I/O di Zilog supportavano gli interrupt in modo 2 dello Z80 (vedi sopra), che semplificava la gestione degli stessi per un gran numero di periferiche.

Indirizzamento I/O a 16 bit 'non documentato'

Lo Z80 veniva indicato ufficialmente come capace di supportare l'indirizzamento della memoria a 16 bit (max. 64 KB), e l'indirizzamento I/O ad 8 bit (max. 256 porte). Ma leggendo attentamente il manuale hardware di riferimento si poteva notare come tutte le istruzioni di I/O potessero gestire l'intero bus indirizzi a 16 bit: OUT (C),reg e IN reg,(C) inseriscono l'intero contenuto del registro BC nel bus indirizzi; OUT (n),A e IN A,(n) inseriscono il contenuto del registro A nei bit b8-b15 del bus indirizizzi e di n nei bit b0-b7 del bus indirizzi. Un progettista poteva scegliere se decodificare l'intero bus indirizzi a 16 bit sulle operazioni di I/O, così da avvantaggiarsi di questa caratteristica, oppure usare i bit più alti del bus indirizzi (b8-b15) per selezionare delle sotto-caratteristiche del dispositivo di I/O. Questa peculiarità è stata usata anche per minimizzare i requisiti hardware di decodifica, come negli Amstrad CPC e nello ZX81.

Copie su licenza, cloni e derivati

Cloni

Il NEC µPD780C, un clone dello Z80

Lo Sharp LH0080, un clone dello Z80

Il T34BM1, un clone russo dello Z80

Il Toshiba TMPZ84C015, uno Z80 standard con diverse periferiche della famiglia Z80 integrate in un unico chip, in formato QFP

L'Hitachi HD64180, compatibile con lo Z80

Lo Z180 in formato PLCC

L'R800, compatibile con lo Z80, in formato QFP.

Lo Z280 in formato PLCC

Il Mostek MK3880 e l'SGS-Thomson Z8400 (ora STMicroelectronics) erano entrambi copie ufficiali dello Z80. Sharp e NEC svilupparono dei cloni in tecnologia NMOS, l'LH0080 ed il NEC µPD780C rispettivamente. Toshiba ne realizzò una versione CMOS, il TMPZ84C00, che è ritenuto essere lo stesso processore dello Zilog Z84C00, anch'esso in CMOS. Ci furono anche chip Z80 realizzati da GoldStar (poi LG), così come la serie BU18400 dei cloni Z80 (inclusi i chip DMA, PIO, CTC, DART e SIO) in tecnologia NMOS e CMOS realizzati da ROHM Electronics.

Nella Germania dell'Est comparve un clone senza licenza dello Z80 noto come U880: fu molto popolare ed utilizzato nei computer realizzati da VEB Robotron e VEB Mikroelektronik Mühlhausen, come la serie KC85, ma anche per computer auto-assemblati come il COMP JU+TER. In Romania era diffuso un altro clone senza licenza, l'MMN80CPU di Microelectronica, utilizzato negli home computer quali il TIM-S, l'HC ed il COBRA.

Diversi cloni dello Z80 furono realizzati anche nell'Unione Sovietica. Uno di questi era il T34BM1, chiamato anche КP1858ВМ1 (realizzato parallelamente al clone russo dell'8080, il KR580VM80A): il primo doveva essere usato nelle serie di pre-produzione mentre il secondo doveva essere utilizzato per le produzioni in larga scala anche se, a causa del collasso dell'industria microelettronica sovietica di fine anni '80, esistono più T34BM1 che КP1858ВМ1.

Derivati

Compatibili con lo Z80 originale

• Hitachi sviluppò l'HD64180, un microcodificato e parzialmente dinamico Z80 in CMOS, con le periferiche montate su chip ed una semplice MMU che gestiva uno spazio indirizzi di 1 MB. Questo chip fu poi realizzato anche da Zilog, inizialmente come Z64180 e poi come Z180 che ha il protocollo del bus ed i timing adattati meglio ai chip periferici dello Z80. Zilog ha continuato a produrre lo Z180 ed a migliorarlo: le nuove versioni si chiamavano S180/L180, ed avevano core pienamente statici, con bassi consumi energetici e ridotte interferente elettromagnetiche (EMI, elimination of electromagnetic interference)
• Toshiba sviluppò le serie di controller intelligenti Z84013/Z84C13, ad 84 pin, e Z84015/Z84C15, a 100 pin, in pratica dei core Z80 con le sue periferiche in tecnologia NMOS e CMOS, con un temporizzatore di supervisione, funzione di POR ("Power-On-Reset") e generatore di stati d'attesa, tutto sullo stesso chip. Essi furono fabbricati anche da Sharp. Questi processori sono oggi assemblati anche da Zilog.
• Lo Zilog Z380, un chip a 32 bit compatibile con lo Z80, introdotto nel 1994, è sopravvissuto durante questi anni, anche se non ha mai vissuto un vero momento di gloria; è usato principalmente nei dispositivi per le telecomunicazioni.
• Lo Zilog eZ80, pienamente compatibile con lo Z80 con word di 8/16/24/32 bit ed uno spazio indirizzi lineare di 16 MB; è stato introdotto nel 2001. Esiste in diverse versioni, con SRAM o memoria flash integrata, così come con le periferiche montate su chip. Una variante integra su chip un MAC ed il software a corredo include uno stack IP. A differenza dello Z800 e dello Z280, presenta solo qualche istruzione aggiuntiva (di cui le principali riguardano i metodi di indirizzamento e quelle per caricare i registri in memoria, con indirizzo variabile a 16/24 bit): la vera innovazione risiede nel fatto che le istruzioni sono eseguite da 2 ad 11 volte più velocemente rispetto allo Z80 (con un valore medio di 3-5 volte). E' certificato per frequenze di clock fino a 50 MHz.
• Kawasaki produsse il KL5C8400, compatibile a livello binario con lo Z80, di cui risulta mediamente 1,2-1,3 volte più veloce dello Z80 e può operare con clock fino a 33 MHz. Kawasaki produsse anche la famiglia KL5C80A1x, con le perifieriche ed una piccola memoria RAM integrata nel chip: è efficiente approssimativamente quanto l'eZ80 e può operare fino a 10 MHz(2006)
• Alcune famiglie di processori multimediali del costruttore cinese Actions Semiconductor, come l'ATJ2085 ed altri chip, contengono una MCU compatibile con lo Z80 insieme ad un processore DSP dedicato a 24 bit. Questi chip sono utilizzati in molti lettori MP3 e multimediali.

Non compatibili

• La serie di microcontrollori Toshiba TLCS-900 (principalmente PROM) sono basati sullo Z80, condividendo con questo la struttura base dei registri suddivisi in BC, DE, HL, IX, IY e gran parte delle stesse istruzioni, ma non sono compatibili a livello binario, cose che era invece la precedente famiglia TLCS 90.
• La serie di microcontrollori NEC 78K è basata sullo Z80: essi condividono la stessa struttura base dei registri BC, DE, HL ed una istruzioni simili (ma con nomi diversi). Non sono compatibili a livello binario con lo Z80.

Parzialmente compatibili

• I microprocessori/microcontroller Rabbit Semiconductor Rabbit 2000/3000/4000 sono basati sull'architettura HD64180/Z180, anche se non sono pienamente compatibili a livello binario.

Non più in produzione:

• Lo Z800 prodotto da ASCII Corporation fu un veloce processore a 16 bit utilizzato nei computer MSX Turbo R: era compatibile con lo Z80 a livello software ma non a livello hardware (i timing dei segnali, la disposizione ed i segnali dei pin differivano dallo Z80).
• Gli sfortunati Z800 in tecnologia NMOS e lo Z280 in tecnologia CMOS furono implementazioni dello Z80, più veloci di questo (prima dell'arrivo dell'HD64180/Z180), con una MMU capace di gestire uno spazio indirizzi di 16 MB; essi aggiungevano molte variazioni e modalità di indirizzamento al set di istruzioni originali dello Z80. Non riuscirono ad imporsi a causa della loro eccessiva complessità e perché erano stati progetti più per l'uso nei mini-computer che nei sistemi embedded. Per contro lo Z80 in versione CMOS era rimasto popolare, a fianco delle famiglie compatibili Z180 ed eZ80.

Versioni FPGA e ASIC

L'Evatronix CZ80CPU è un core per CPU equivalente allo Z80 disponibile come codice sorgente Verilog o VHDL per i diffusi ASIC o come sorgente EDIF di netlist per i FPGA da Actel, Altera, Lattice o Xilinx.

Versioni libere sono il T80 ed il TV80, disponibili come sorgenti VHDL e Verilog sotto una licenza in stile BSD. La versione in VHDL, una volta sintetizzata, può essere impostata fino a 35 MHz su un FPGA Spartan II di Xilinx. Per produzioni in grandi volumi è comunque più conveniente utilizzare una soluzione tradizionale (o ASIC) piuttosto che un FPGA.

Emulazione software

Gli emulatori software degli Z80 girano oggi sui modermi PC molto più velocemente di quanto facesse la CPU Z80 originale: essi sono utilizzati per simulare gli home computer basati sullo Z80 (come l'Amstrad CPC, l'MSX ed il Sinclair ZX Spectrum) ma anche negli emulatori di videogiochi (come il MAME) per eseguire i vecchi arcade. Il SIMH emula il computer MITS Altair 8800 con l'Intel 8080, lo Zilog Z80 o l'Intel 8086 come processore.

Usi

Nei computer desktop

Durante la fine degli anni '70 e i primi anni '80 lo Z80 fu utilizzato in un gran numero di macchine da ufficio basate sul sistema operativo CP/M, un binomio che dominò il mercato di quel tempo.

Due esempi ben noti di macchine da ufficio basate sul binomio Z80+CP/M furono il portatile Osborne 1 e la serie Kaypro. Research Machines realizzò i microcomputer 380Z e 480Z nel 1981: essi erano dotati di collegamento Ethernet tipo LAN e CP/NET. Altri costruttori di tali sistemi furono Televideo, Xerox (serie 820) ed un gran numero di altre società sconosciute. Alcuni sistemi utilizzavano un multitasking software per distribuire un processo fra diversi utenti.

Il Commodore 128 integrava un processore Z80 a fianco del MOS 8502 grazie al quale poteva entrare in una modalità particolare compatibile con il CP/M. Altri computer basati sul MOS 6502 in vendita a quel tempo, come il BBC Micro e l'Apple II, o basati sul MOS 6510, come il Commodore 64, potevano usare lo Z80 con un'unità esterna, una scheda aggiuntiva o una cartuccia di espansione. La Z-80 SoftCard di Microsoft per l'Apple II era una scheda aggiuntiva particolarmente diffusa ed uno dei pochi prodotti hardware realizzati da Microsoft a quel tempo.

Acer, all'epoca Multitech, introdusse il Microprofessor I nel 1981, un semplice ed economico dispositivo per l'apprendimento del linguaggio macchina dello Z80. Attualmente è ancora prodotto e venduto da Flite Electronics International Limited, con sede a Southampton, Inghilterra.

Nei sistemi embedded e nell'elettronica di consumo

Il PABX, basato sullo Z80. La CPU è nella parte sinistra, accanto al chip con l'etichetta sopra

Lo Zilog Z80 è stato a lungo un microprocessore molto diffuso nei sistemi embedded] e nei microcontroller dove continua ad essere largamente utilizzato anche ai giorni nostri. Di seguito sono illustrati alcuni usi dello Z80, inclusi i prodotti dell'elettronica di consumo.

Utilizzo industriale/professionale

• Apparecchiature da ufficio quali fax, segreterie telefoniche e fotocopiatrici usano spesso lo Z80.
• Controller PLC industriali utilizzano lo Z80 in moduli CPU per le funzioni ausiliarie quali l'I/O analogico, o in moduli di comunicazione.
• E' anche usato in robotica, ad esempio per il riconoscimento vocale ed in compiti di basso livello come unità di controllo dei servomeccanismi per selezionare e posizionare i meccanismi.
• I multiplexer RS232 che collegano un gran numero di "terminali" in vecchio stile ai minicomputer o ai mainframe utilizziavano matrici schede Z80 CPU/SIO.
• ALo Z80 è stato usato anche nei mixer video usati nelle emittenti TV per operazioni di modifica video in sistema real-time.
• E' stato usato anche nei dischi rigidi di Seagate Technology e di altri produttori come controller.
• I terminali per le carte di credito delle pompe di benzina in America utilizzavano la CPU Z80 ed i chip PIO (Brevetti USA 4930665, 4962462 e 5602745).
• Diverse schede di espansione per PC, come le schede SCSI di Adaptec, hanno utilizzato lo Z80/Z180 ed i loro chip periferici..
• I processori Z80/Z180/Z380 sono stati utilizzati in apparecchiature per le telecomunicazioni come i commutatori telefonici ed i modem.
• Il commutatore di messaggi Stofor, utilizzato ampiamente dalle banche e dagli agenti di borsa inglesi negli anni '80, era basato sullo Z80.
• Dispositivi per la domotica, come i controller wireless degli impianti di annaffiatura o le reti senza fili, usano il sistema opensource N8VEM.
• Alcuni etilometri utilizzavano uno Z80.

Elettronica di consumo

• Diverse calcolatrici scientifiche hanno usato lo Z80, incluse la TI-73, la TI-81, la TI-82, la serie TI-83, la serie TI-84, la TI-85 e la serie TI-86 di Texas Instruments.
• Tutti i lettori multimediali S1 MP3 sono basati sul core Z80.
• Lo Z80 è stato usato spesso anche nei videogiochi arcade, sia come CPU, sia come coprocessore audio o video. Il gioco Pac-Man utilizza un singolo Z80 come CPU. Galaxian ed i giochi arcade come King & Balloon e Check Man che usano la scheda madre Namco Galaxian utilizzano tutti lo Z80 come CPU principale. Altri giochi Namco come Galaga e quelli che utilizzano la scheda madre Namco Galaga, tra cui Bosconian, Dig Dug, Xevious e Super Xevious, utilizzano 3 processori Z80 in parallelo per la CPU, la gestione della grafica e del suono.
• Lo Z80 fu usato anche in alcune console giochi come la ColecoVision, il Sega Master System ed il Sega Game Gear, come coprocessore audio nel Sega Mega Drive e come controller audio e coprocessore del Motorola 6800 nel Neo Geo di SNK.
• I sistemi gioco portatili Game Boy e Game Boy Color di Nintendo usavano un processore derivato dallo Z80 con un insieme di istruzioni leggermente differente (i registri indice ed il set di registri alternativi mancavano, ma erano state aggiunte le modalità di indirizzamento con incremento/decremento automatico), prodotto da Sharp Corporation. Da segnalare che il Game Boy Color è capace di raddoppiare il clock della CPU quando esegue software specifico questo modello. La serie Game Boy Advance originariamente includeva questo Z80 modificato per motivi di retrocompatibilità ma, in seguito, questa CPU fu eliminata quando fu presentato il Game Boy Micro.
• In Russia lo Z80 ed i suoi cloni furono usati largamente in telefonia nelle linee telefoniche terrestri con Caller ID.

Strumenti musicali ed altro

• Alcuni sequencer MIDI come l'E-mu 4060 Polyphonic Keyboard and Sequencer, lo Zyklus MPS ed il Roland MSQ700, erano costruiti intorno allo Z80.
• Anche alcuni controller e commutatori MIDI, come il Waldorf Midi-Bay MB-15, usavano lo Z80.
• Alcuni sintetizzatori analogici polifonici integravano lo Z80 come scanner della tastiera (ma anche per gestire le manopole delle impostazioni, i display ed altro) e nei convertitori D/A o nei controlli PWM dei livelli analogici; nei sistemi più recenti è stato usato alle volte per gestire le comunicazioni tra i dispositivi MIDI. Lo Z80 è stato spesso utilizzato anche per generare il suono, implementanto un oscillatore a bassa frequenza o un sintetizzatore. Esempi sono:
  • i sintetizzatori Prophet 5, Prophet 10, Prophet 600, Six-Trak, Multitrak, MAX e Split-8 di Sequential Circuits;
  • il sintetizzatore a 6 voci MemoryMoog
  • il sintetizzatore ad 8 voci Oberheim OB-8 con MIDI
  • il sintetizzatore ad 8 voci Roland Jupiter-8;
• Sintetizzatori/campionatori digitali come l'Emulator I, l'Emulator II ed il campionatore a 12 bit Akai S700;
• drum machine come l'E-mu SP-12, l'E-mu SP-1200, l'E-mu Drumulator ed il Drumtraks di Sequential Circuits usavano i processori Z80.
• Molti riverberatori digitali della Lexicon (PCM70, LXP15, LXP1, MPX100) usavano uno o più Z80 per l'interfaccia utente e l'oscilloscopio a bassa frequenza; le funzioni sul segnale digitale erano poi eseguite da hardware dedicato.
• Il premaplificatore per chitarra con controller MIDI a valvole ADA MP-1 usava lo Z80.

Voci correlate

• Zilog
• CP/M
• SymbOS
• S-100
• Processori ad 8 bit

Letture di approfondimento

Manuali per Z80 CPU con le referenze di programmazione di 3 aziende.

Articoli sull'architettura dello Z80

• A. El-Hajj, K.Y. Kabalan; M. Mneimneh; F. Karablieh, Microprocessor simulation and program assembling using spreadsheets, in Simulation, vol. 75, n. 2, agosto 2000, pp. 82-90, DOI:10.1119/1.14604.
• K. Nagasawa, K. Taki; H. Tamemoto; B.Y. Lee; H. Tanaka; S. Imai; Y. Kajikawa; D. Azuma, Design and evaluation for super low power Z80 with pass-transistor logic, in Sharp Technical Journal, vol. 67, aprile 1997, pp. 35-40.
• W. Lunscher, Semaphore Strategy For Z80, in IEEE Micro, vol. 5, n. 3, IEEE, 1985, p. 4, DOI:10.1109/MM.1985.304535.
• M. Smith, B.E. Luff, Automatic Assembler Source Translation From The Z80 To The Mc6809, in IEEE Micro, vol. 4, n. 2, IEEE, 1984, pp. 3-9, DOI:10.1109/MM.1984.291314.

Impieghi educativi

• H.B. Diab, I. Demashkieh, A computer-aided teaching package for microprocessor systems education, in IEEE Transactions on Education, vol. 34, n. 2, IEEE, maggio 1991, pp. 179-183, DOI:10.1109/13.81598.
• M.H. Nehrir, A.J. Odermann; B.D. Bowen, A microcomputer-microprocessor-based DC motor speed controller for undergraduate electric machinery laboratory, in IEEE Transactions on Education, vol. 33, n. 4, IEEE, novembre 1990, pp. 341-345, DOI:10.1109/13.61087.
• C. D. Spencer, P. F. Seligmann, Microcomputers as digital electronics, in American Journal of Physics, vol. 54, n. 5, AAPT, maggio 1986, pp. 411-415, DOI:10.1119/1.14604.
• Trevor N. Mudge, Gregory D. Buzzard, Teaching Assembly Language Programming With ZIP, A Z80 Assembly Language Interpreter Program, in IEEE Transactions on Education, vol. 26, n. 3, IEEE, 1983, pp. 91-98, DOI:10.1109/TE.1983.4321615.
• Sistema Microprofessor I con Z80, con corso e manuali di apprendimento.

Applicazioni scientifiche

• F.O. Otieno, B.O. Kola; F. N. Onyango, On-line determination of thermophysical properties in an absorption calorimeter, in Measurement Science & Technology, vol. 8, n. 3, IOP, marzo 1997, pp. 239-244, DOI:10.1088/0957-0233/8/3/004.
• S. Altieri, F. Fossati; A. Lanza; T. Pinelli, An Automated-System to Control the Polarization Voltage of Silicon Detectors, in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 42, n. 2, IEEE, aprile 1995, pp. 57-60, DOI:10.1109/23.372132.
• F.M. Xiao, S. Li, A Front-End Data Acquisition-System for Mossbauer-Spectroscopy, in Hyperfine Interactions, vol. 71, Springer Netherlands, 1992, pp. 1531-1534, DOI:10.1007/BF02397372.
• T. Brenner, S. Buttgenbach; T. Fabula; W. Rupprecht, Real-time data acquisition system for laser and radio frequency spectroscopy, in J. Phys. E: Sci. Instrum., vol. 21, IOP, 1988, pp. 1150-1153, DOI:10.1088/0022-3735/21/12/005.
• P.M. Kennedy, Z.H. Stachurski, A novel semi-contact extensometer based on Z80 microprocessor, in J. Phys. E: Sci. Instrum., vol. 19, IOP, 1986, pp. 115-118, DOI:10.1088/0022-3735/19/2/003.
• L. Thomas, W. Bunn; S. Woodward; T. Baer, Design and operation of a 12.5-ns multichannel scaler, in Review of Scientific Instruments, vol. 55, n. 11, AIP, novembre 1984, pp. 1849-1853, DOI:10.1063/1.1137678.
• K. L. Sala, R. LeSage; R. W. Yip, S-100/Z80 microprocessor-based scanning microdensitometer and signal processing system, in Review of Scientific Instruments, vol. 53, n. 11, AIP, novembre 1982, pp. 1682-1684, DOI:10.1063/1.1136870.

Bibliografia

• Zilog Components Data Book, Zilog, 1985.
• Zilog Z-80 Data Book (PDF), Zilog, 1978. URL consultato il 20/07/2009.
• Alexander John Anderson, Foundations of Computer Technology, 1a ediz., CRC Press, 08/09/1994, ISBN 0-412-59810-8.
• Steve Ciarcia, Build your own Z80 computer: design guidelines and application notes, Circuit Cellar, ottobre 1981, ISBN 0-07-010962-1.

Collegamenti esterni

• Famiglia dei prodotti Zilog Z80 - dal sito ufficiale di Zilog
• Z80-Family Pagina di supporto ufficiale – creata da Thomas Scherrer, mantenuta da Gaby Chaudry
• Emulatori software per Z80 – elenco presente sul sito Zophar's Domain
• YAZE-AG (Yet Another Z80 Emulator by AG) – emulatore per Unix(Solaris), Linux, FreeBSD, Macintosh e Windows
• Strumento educativo che simula una scheda basata sullo Z80 liberamente scaricabile da qui
• Flite Electronics - Costruttore del sistema educativo per Z80 Microprofessor I
• Core gratuito della CPU Z80 in codice VHDL oppure in codice Verilog – da OpenCores.org
• Tutte le caratteristiche non documentate dello Z80 – creato da Sean Young (su [1])
• SBC N8VEM
• Lista degli opcode dello Z80 - da mdfs.net
• Mostek Z80 Manuale tecnico del processore – manuale completo

Note

[[Categoria:Microprocessori]]