Zilog Z80 - Zona EMEC Conalep 150

Zilog Z80
del Intel 4004 y del Intel 8080. Cuando se terminó de producir, en 1974, Federico Faggin dejó Intel, fundó Zilog y
comenzó a trabajar en el diseño de Z80 basándose en la
experiencia adquirida creando el Intel 8080 y basándose
en la estructura de este último. Dos años después estaba
a la venta el Z80.
El Z80 estaba diseñado para ser compatible a nivel de
código con el Intel 8080, de forma que la mayoría de los
programas para el 8080 pudieran funcionar en él, especialmente el sistema operativo CP/M
Zilog Z80 A.
El Z80 tenía ocho mejoras fundamentales respecto al Intel
8080:
• Un conjunto de instrucciones mejorado, incluyendo
los nuevos registros índice IX e IY y las instrucciones necesarias para manejarlos.
• Dos bancos de registros que podían ser cambiados de forma rápida para acelerar la respuesta a
interrupciones.
• Instrucciones de movimiento de bloques, E/S de bloques y búsqueda de bytes.
• Instrucciones de manipulación de bits.
• Un contador de direcciones para el refresco de la
DRAM integrado, que en el 8080 tenía que ser proporcionado por el conjunto de circuitos de soporte.
Un Z80 en encapsulado LQFP.
El Zilog Z80 (Z80) es un microprocesador de 8 bits cuya
arquitectura se encuentra a medio camino entre la organización de acumulador y de registros generales. Si consideramos al Z80 como procesador de arquitectura de
registros generales, se sitúa dentro del tipo de registromemoria.
• Alimentación única de 5 voltios.
• Necesidad de menos circuitos auxiliares, tanto para
la generación de la señal de reloj como para el enlace
con la memoria y la E/S.
• Más barato que el Intel 8080.
Fue lanzado al mercado en julio de 1976 por la compañía
Zilog, y se popularizó en los años 80 a través de ordena• Una tipo especial de reset que sólo reinicia el condores como el Sinclair ZX Spectrum, Amstrad CPC o los
tador de programa de modo que el Z80 se puede
ordenadores de sistema MSX. Es uno de los procesadousar en un sistema de desarrollo ICE (In-Circuit
res de más éxito del mercado, del cual se han producido
Emulator).[1]
infinidad de versiones clónicas, y sigue siendo usado de
forma extensiva en la actualidad en multitud de sistemas El Z80 eliminó rápidamente al Intel 8080 del mercado y
embebidos.
se convirtió en uno de los procesadores de 8 bits más populares. Las primeras versiones funcionaban a 2,5 MHz,
pero su velocidad ha aumentado hasta los 20 MHz. Así,
1 Historia
la versión más utilizada fue el Z80A funcionando a 3,58
MHz (un cuarto de la frecuencia PAL o NTSC) siendo la
velocidad de fábrica de 4 MHz.[2]
1.1
Introducción
En la actualidad Zilog sigue fabricando versiones del Z80
El Z80 fue diseñado principalmente por Federico Fag- original y otros modelos compatibles con él que mejoran
gin, que estuvo trabajando en Intel como diseñador jefe las prestaciones.
1
2
1.2
2
Usos notables
EVOLUCIONES
en muchos ordenadores de fabricación casera.
En Rumanía se fabricó una versión clónica del Z80, el
MMN80, y que según algunas fuentes fue también fabricada en la Unión Soviética, donde se crearon varias copias del Z80, siendo el más conocido el T34. Este microprocesador fue utilizado en la mayoría de ordenadores fabricados en este país, casi todos clones de los
Sinclair ZX Spectrum: Ice Felix HC85, HC90, HC91,
HC2000, Datatim/Universidad Técnica de Timisoara
TIM-S, MicroTIM y MicroTIM+ o los Intreprinderea
A mediados de los años 1980 el Z80 fue usado en el Electrónica CIP, CIP-02, CIP-03, CIP-04.
Tatung Einstein y la familia de ordenadores domésticos Hoy en día existen dos núcleos de procesador llamados
y empresariales Amstrad CPC y Amstrad PCW. El Z80 T80 y TV80 que son funcionalmente equivalentes al Zitambién fue usado en los ordenadores Tiki 100, que se log Z80 y se encuentran disponibles bajo una licencia tiempleaban en los colegios de Noruega por entonces.
po BSD. El código fuente de estos núcleos está disponible
A comienzos de los años 1980 el Z80 o versiones clónicas
del mismo fueron usadas en multitud de ordenadores domésticos, como la gama MSX, el Radio Shack TRS-80,
el Sinclair ZX80, ZX81 y ZX Spectrum. También fue
usado en el Osborne 1, el Kaypro y otra gran cantidad
de ordenadores empresariales que dominaban el mercado por aquella época y que usaban el sistema operativo
CP/M.
Tal fue la popularidad del Z80 y el CP/M que otros ordenadores basados en el MOS Technology 6502 o 6510 que
ya estaban en el mercado, como el BBC Micro, el Apple
II y el Commodore 64 podían ser ampliados mediante
una tarjeta o cartucho que contenía un procesador Z80.
También el Commodore 128 incluía un Z80 secundario
junto al MOS Technology 8502 principal para poder usar
CP/M.
tanto en Verilog como en VHDL. Una vez sintetizada esta última versión puede funcionar hasta 35 MHz en una
FPGA Xilinx Spartan II.
Además el Z80 también es un microprocesador popular
para ser usado en sistemas embebidos, campo donde se
emplea de manera extensiva.
ciones de periféricos y otros en el mismo chip.
En la actualidad la propia Zilog fabrica una versión mejorada del Z80 llamada eZ80, que funcionando a 50 MHz
tiene un rendimiento similar a un Z80 funcionando a
150 MHz y además puede direccionar hasta 16 MB de
memoria RAM extendiendo el tamaño de los registros,
Ya en los años 1990 el Z80 ha sido usado en las frente a los 64 KB del Z80.
videoconsolas Sega Master System y Sega Game Gear. Existen diseños de hardware actuales que implementan
Además las videoconsolas SNK Neo-Geo y la Sega Me- un Z80 dentro de un chip programables programando
ga Drive y muchas máquinas arcade usan un Z80 como parte del chip para que cumpla las funciones del Z80.
el procesador especializado en sonido.
• No todos los clones de este microprocesador tienen
Las Game Boy y Game Boy Color de Nintendo utilizan
conectado el pin NMI, por lo que al intentar usarlo
una variante del Z80 fabricada por Sharp.
en algunos modelos este hace caso omiso.
En la actualidad parte de la gama de calculadoras gráficas programables de Texas Instruments tales como las
• El T34BM1, clon soviético del Z80.
TI-73 (1998), TI-73 Explorer (2003), TI-82 (sólo mode• NEC NEC µPD780C, clon del Z80 en la placa malo 1999), TI-83 Plus (sólo modelos 1999 y 2001)[3] , y sus
dre de un ZX Spectrum.
sucesoras emplean una versión clónica del Z80 fabricada
por NEC como procesador principal.
• Toshiba TMPZ84C015 - un Z80 que incluye fun-
1.3
Segundas fuentes y clónicos
Mostek y SGS fueron segundas fuentes del Z80 (Mostek
MK3880 y SGS Z8400). Sharp y NEC fabrican clónicos
del Z80 (Sharp LH-0080 y NEC µPD780C). National Semiconductor fabricó un procesador clónico, el NSC800,
con tecnología CMOS pero que no era compatible pin a
pin. Hitachi fabricó una versión con tecnología CMOS
mejorada, cuya segunda fuente fue curiosamente la propia Zilog.
• Hitachi HD64180
2 Evoluciones
2.1 Z180
El Z180 es el sucesor del Z80. Es compatible con una
larga colección de software escrito para este.[4] La familia Z180 añade mayores prestaciones y funciones de
periféricos integrados como el generador de reloj, contadores/relojes de 16 bits, controlador de interrupciones,
generadores de estado de espera, puertos serie y un controlador DMA.[5] Usa ciclos de lectura y escritura sepaEn la República Democrática Alemana se produjo una rados, usando relojes similares a los del Z80 y a los proversión clónica del Z80 llamada U880, que fue empleada cesadores Intel.[6] La MMU integrada tiene la capacidad
en los sistemas informáticos de Robotron y de VEB Mi- de direccionar hasta 1 MB de memoria. Es posible confikroelektronik Mühlhausen, tales como las series KC85 y gurar el Z180 para que opere como un Hitachi HD64180.
2.3
Hitachi HD64180
3
y es parte de la familia Z180. Se le apoda Controlador
de periféricos inteligentes de Zilog (ZIP: Zilog Intelligent
Peripheral Controller). También es completamente estático (el reloj puede ser parado y no se pierden datos
de los registros)[cita requerida] y tiene una opción de baja
interferencia electromagnética que reduce el slew rate de
las salidas.[cita requerida] .
El Z80182 puede operar a 33 MHz con un oscilador externo operando a 5 voltios, o a 20 MHz usando el oscilador interno a 3,3 V.[7]
2.3 Hitachi HD64180
Hitachi HD64180
Un antiguo Z180 en un empaquetado PLCC (los más pequeños
QFP y LQFP son más comunes hoy día).
Hitachi HD64180
Hitachi HD64180
DIP64
Z8S180.
2.2
Z80182
El HD64180 es un microprocesador basado en el Z80
desarrollado por Hitachi que incluye una MMU. El
HD64180 Super Z80 fue posteriormente licenciado a Zilog y vendido por esta con el nombre Z64180 incluyendo
algunas mejoras como las presentes en el Z180.
Tiene las siguientes características:
• MMU con soporte de 512 KiB de memoria y un espacio de E/S 64 KiB
• 12 nuevas instrucciones fueron añadidas
• Direct Memory Access Controller (DMAC) de dos
direcciones
• Generador de estado de espera programable
• Refresco programable de DRAM
• Interfaz de comunicaciones serie asíncronas (ASCI)
de dos canales
• Temporizador de recarga programable (PRT) de 16
bits de dos canales
• Puerto E/S de 1 canal con reloj (CSI/O)
• Controlador de interrupciones vectorizadas programable
Z80182
Los ordenadores CP/M Micromint SB180 y SemiDisk
El Z80182 es una versión mejorada y mejor del Z80 Systems DT42 se basaron en el Hitachi HD64180.
4
3
2.4
Z280
ESTRUCTURA
3.1 Registros
BUFFERS
Z80 Architecture
Internal Data Bus 8 Bit
MUX
MUX
Instruction
Register
I
R
W'
Instruction
Decoder
Control
Logic
Z'
W
B'
C'
B
C
D'
E'
D
E
H'
L'
H
L
Z
TEMP
A
F
A'
F'
ACU
IX
IY
SP
ALU
PC
+
Control Section
Address Bus 16 Bit
Control Bus
BUFFERS
_1
+
BUFFERS
_1
+
Estructura interna del Z80.
La estructura de registros del Z80 está compuesta por un
banco principal, otro alternativo y por último un banco
compuesto por registros especiales.[9] La existencia del
El Z280 en un empaquetado PLCC
banco alternativo mejora la velocidad ante la presencia de
El Z280 fue una mejora de la arquitectura Z80 presenta- las interrupciones ya que permite cambiar desde el banco
da en julio de 1987. Básicamente es una versión CMOS principal al alternativo. Los registros son:
ligeramente mejorada del anterior Z800. Ambas versiones, el Z280 y el Z800, fueron fracasos comerciales.[8]
• A, B, C, D, E, H y L (banco principal)
Añadían ambos:
• Una MMU para expandir el rango de direccionamiento de memoria hasta los 16 MiB
• Características de configuración para multitarea,
multiprocesador y coprocesador
• A', B', C', D', E', H' y L' (banco alternativo)
• I, R, IX, IY, SP y PC (registros especiales)
Los registros del banco principal son generales y de 8 bits.
Se pueden tomar por parejas, siendo entonces IX e IY los
• Un gran número de instrucciones y modos de direc- registros índices. El registro A sirve de acumulador. El R
cionamiento, dando como resultado un total de más almacena el bloque de memoria a cuyo refresco se va a
proceder. El SP es el puntero de cima de pila. El PC es el
de 2000 combinaciones
contador de programa. El F contiene los flags o también
• Su reloj interno funcionaba a 2 ó 4 veces la velocidad llamados bits de condición.
del reloj externo (p.e. una CPU a 16 MHz con un bus
Registros primarios Registros alternativos +-+-+-+de 4 MHz).
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
+-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+ | A |S Z - A - P N C| F | A' |S Z A - P N C| F' +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
3 Estructura
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | B | C | | B' | C' | ++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+-+-+A pesar de ser un microprocesador de 8 bits, el Z80 pue- +-+-+-+-+-+-+-+-+ | D | E | | D' | E' | +-+-+-+-+-+-+-+-+de manejar instrucciones de 16 bits y puede direccionar +-+-+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
hasta 64 KiB de RAM. Una de las características más re- | H | L | | H' | L' | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+señables es que tiene las instrucciones del Intel 8080 co- +-+ +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Registros
mo subconjunto, de modo que algunos ordenadores basa- índice +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | IX |
dos en Z80 podían ejecutar programas diseñados para el +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | IY | +-+-+-+-+CP/M del 8080. Esto ha hecho que los formatos de ins- +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Puntero de pila y Contador
trucción del Z80 sean bastante complejos, ya que tienen de programa +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | SP
que mantener su compatibilidad con el 8080. Sin embar- | Puntero de pila +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
go el Z80 ha conseguido mejorar al microprocesador de | PC | Contador de programa +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+Intel en velocidad, ha añadido nuevos modos de direccio- +-+-+-+-+-+ Registro de interrupciones y Registro de
namiento y contiene un juego de instrucciones más am- refresco de memoria +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+plio.
+-+ | I | R | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
• Una caché de 256 bytes
3.2
3.1.1
Bits de condición (flags) del Z80
Acumulador
Registro utilizado para guardar el dato que se está usando.
Es el registro más importante, junto al registro F (con
el que forma el par de registros AF). La mayoría de las
operaciones matemáticas y lógicas de 8 bits se realizan a
través de este registro, de ahí su importancia.
3.1.2
Par HL
5
• Registro de interrupciones I: Se utiliza para ejecutar
cualquier subrutina como respuesta a una interrupción hardware, utilizándose como puntero I como la
parte alta de la dirección y el dato que exista en el
bus de datos como la parte baja, esto permite manejar 128 interrupciones distintas.
• Registro de refresco R: El valor del registro R se coloca en el bus de direcciones mientras se activa la
señal de refresco proporcionada por la CPU. Esto
ocurre mientras la CPU decodifica una instrucción,
o un prefijo de instrucción.
Es el par de registros más versátil, utilizado sobre todo para contener direcciones de memoria. En el registro simple
L se coloca el byte más bajo (LOW en inglés) de la dirección de memoria, y en H, se coloca el byte más alto
3.2 Bits de condición (flags) del Z80
(HIGH en inglés) de la dirección de memoria. Así mismo, es muy utilizado por las llamadas a subrutinas BIOS
• 0-C: Acarreo.
(CALL) para datos de entrada/salida de la subrutina llamada. Algunas instrucciones Assembler son específicas
• 1-N: Resta BCD, para corrección con DAA.
de este par de registros.
• 2-P/V: Paridad/desbordamiento.
3.1.3
Pares BC y DE
Se utilizan como pares auxiliares de HL en instrucciones
que manipulan bloques como LDI, LDIR, etc.
3.1.4
Registros indexados IX e IY
• 4-H: Medio acarreo, para corrección BCD con
DAA.
• 6-Z: Cero.
• 7-S: Signo.
Son 2 registros de 16 bits. Se utilizan como registros base Los bits 3 y 5 no se utilizan, pero ciertas instrucciones los
para apuntar a una dirección de memoria de donde se va modifican, aunque no están oficialmente documentados.
a tomar un dato. Se indica un byte adicional que implica
desplazamiento.
3.3 Patillaje
• Aunque no está documentado oficialmente, se pue- Patillas del Z80. Las líneas del bus de direcciones se ven
den utilizar como 2 registros de 8 bits independien- en rojo, las del bus de datos en azul y las del bus de control
tes, obteniendo un total de 4 registros de 8 bits ex- en color verde.
tras.
+--\/--+ <-- A11 1| |40 A10 --> <-- A12 2| |39 A9 --> <-A13 3| |38 A8 --> <-- A14 4| |37 A7 --> <-- A15 5| |36
A6 --> --> CLK 6| |35 A5 --> <-> D4 7| |34 A4 --> <->
3.1.5 Puntero de pila SP
D3 8| |33 A3 --> <-> D5 9| Z80 |32 A2 --> <-> D6 10|
Permite el anidamiento de rutinas. Apunta a una zona de |31 A1 --> +5V Vcc 11| |30 A0 --> <-> D2 12| |29 GND
memoria llamada STACK que es una estructura de pila o <-> D7 13| |28 !RFSH --> <-> D0 14| |27 !M1 --> <->
D1 15| |26 !RESET <-- --> !INT 16| |25 !BUSRQ <-- -->
LIFO.
!NMI 17| |24 !WAIT <-- <-- !HALT 18| |23 !BUSAK -->
<-- !MREQ 19| |22 !WR --> <-- !IORQ 20| |21 !RD -->
+------+
3.1.6 Registros especiales
• Flag F: Indica condiciones especiales al realizar operaciones matemáticas o lógicas.
Sirve como conjunto de banderas, que nos indican
la información sobre las operaciones que se están
realizando.[10] /ref>«Z8018x MPU Family User Manual»
(pdf). San Jose, California: Zilog. 2003. Consultado el 15
de julio de 2009.</ref> [11] [12]
4 Véase también
• Intel 8080
• Intel 8085
• MOS 6502
6
6
5
Referencias
[1] http://www.primrosebank.net/computers/z80/z80_
special_reset.htm
[2] «Z80180 Microprocessor Unit Product Specification»
(pdf). San Jose, California: Zilog. Noviembre de 2006.
Consultado el 15 de julio de 2009.
[3] «DataMath Calculator Museum». Consultado el 29 de julio de 2016.
[4] Ganssle, Jack (1992). «The Z80 Lives!». «The designers picked an architecture compatible with the Z80, giving Z80 users a completely software compatible upgrade
path».
[5] Jack G. Ganssle. (1992). The art of programming embedded systems. San Diego: Academic Press. p. 13. ISBN
9780122748806.
[6] Stuart R. Ball. (2002). Embedded microprocessor systems
real world design. Amsterdam: Newnes. p. 34. ISBN
9780750675345.
[7] «CPU Control Register». Z80182/Z8L182 Zilog Intelligent Peripheral Controller Product Specification. San Jose,
California: Zilog. 1997. p. 3–48.
[8] «Z80S180/Z80L180 Product Specification» (pdf). San
Jose, California: Zilog. 2000. Consultado el 15 de julio
de 2009.
[9] Harston, J.G. (9 de septiembre de 1997). «Z180 Opcode
Map». Consultado el 15 de julio de 2009.
[10] «Z8S180 SL1960 Product Specification» (pdf). San Jose,
California: Zilog. 1998. Consultado el 15 de julio de 2009.
[11] Harston, J.G. (15 de abril de 1998). «Full HD64180/Z180
Opcode List». Consultado el 15 de julio de 2009.
[12] Harston, J.G. (15 de abril de 1998). «Full Z280 Opcode
List». Consultado el 15 de julio de 2009.
5.1
Bibliografía
• Z280 MPU Microprocessor Unit Preliminary Technical Manual. San Jose, California: Zilog. 1989. Consultado el 15 de julio de 2009. (Nota: Fichero PDF de
20MB)
• Z80 Family Data Book. San Jose, California: Zilog.
Enero de 1989.
• Reh, Tilmann (16 de septiembre de 1991). «The
CPU280 and Z280». TCJ. Consultado el 15 de julio
de 2009.
ENLACES EXTERNOS
6 Enlaces externos
• Documentación oficial del Z80 (en inglés)
• Variedades del Z80 fabricadas actualmente por Zilog (en inglés)
• Tutorial de código máquina del Z80 (en inglés)
• OCR de un cursillo de la revista MicroHobby (en
inglés)
• Lista de todos los procesadores Hitachi 64180 con
sus frecuencias de reloj (en inglés)
7
7
Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias
7.1
Texto
• Zilog Z80 Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Zilog_Z80?oldid=92975897 Colaboradores: AstroNomo, PACO, Bitvision, Moriel, Hashar, Sanbec, Josemoya, Triku, Sms, Avm, Murphy era un optimista, Melocoton, Cinabrium, Yopohari~eswiki, Robotico, Z80user, Benjavalero, Boticario, JMPerez, OMA, Rembiapo pohyiete (bot), Charlitos, RobotQuistnix, Chobot, Caiserbot, FlaBot, Laban~eswiki, YurikBot,
Museo8bits, GermanX, KnightRider, Scostas, Raymond, Bufalo 1973, CEM-bot, Variable, Jjvaca, Juanfran GG, RebelRobot, Thijs!bot,
Botones, Juanvm, JAnDbot, Soulbot, Manbemel, Fremen, VolkovBot, Shooke, Muro Bot, SieBot, Alinome.net, Drinibot, EddieTheWild,
Greek, El bot de las chucherías, LTB, DorganBot, Nicop, Alejandrocaro35, Alecs.bot, LucienBOT, Luizito18, Luckas-bot, Boto a Boto,
Ptbotgourou, LordboT, Daniele Pugliesi, Dragoncete, ArthurBot, Xqbot, Jkbw, Supernino, TiriBOT, PatruBOT, Canyq, Humbefa, EmausBot, BatiChuby, Dondervogel 2, Grillitus, WikitanvirBot, MetroBot, Elvisor, Addbot, BOTito, VaneAlvear, BenjaBot y Anónimos: 46
7.2
Imágenes
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7.3
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