Z80

Zilog Z80 im 40-poligen DIP

NEC µPD780C, NEC-Version eines Z80

Der Zilog Z80 (manchmal auch „Z-80“) ist ein 8-Bit-Mikroprozessor, der von der Firma Zilog Inc. entwickelt wurde. In CMOS-Technologie ist der Z80 bis heute lieferbar.

Er entstand kurz nachdem Federico Faggin die Firma Intel verlassen und seine eigene Firma Zilog gegründet hatte. Bei Intel hatte er am 8080 gearbeitet.

Im Juli 1976 wurde der Z80 auf den Markt gebracht. Er wurde entwickelt, um binär abwärtskompatibel zum Intel 8080 zu sein, dadurch konnten die meisten Programme ohne Änderungen darauf laufen, insbesondere das CP/M-Betriebssystem.

Unterschiede zum 8080

Architektur des Z80

Der Z80 hat mehrere Vorteile gegenüber dem 8080: Eine einzige 5-V-Versorgungsspannung statt +5V/−5V/+12V beim 8080, eine eingebaute Refresh-Steuerung für DRAM, die ansonsten mit externen Schaltkreisen realisiert werden muss, ausgefeilte Interrupt-Funktionen, Blockkopier- und Vergleichsbefehle (16 Bit), IO-Operationen und echte 16-Bit-Register (IX und IY), einen doppelten Registersatz und einen niedrigeren Preis.

Außerdem wurden die Mnemonics der Assemblersprache vereinfacht: Während beim Intel 8080 zum Beispiel die Befehle für Datentransport noch zwischen internen und externen Ladevorgängen unterschieden, gibt es beim Z80 nur noch den Befehl LD. Allerdings ist das keine Änderung der Technik des Prozessors selbst, sondern nur eine Frage der Konvention; die Assembler für den Z80 erzeugen aus den neuen Befehlen den gleichen Maschinencode wie die 8080-Assembler aus den alten Befehlen.

Beispiel:

8080 Code   Z80 Code     Bedeutung
----------------------------------
MOV A,C     LD A,C       kopiere den Inhalt des Registers C in das Register A
STAX B      LD (BC),A    kopiere Register A in die Adresse, die im Register BC steht
LDA 1234    LD A,(1234)  kopiere den Inhalt der Adresse 1234 in das Register A

Erfolg

moderner Z80-Prozessor in QFP-Form

Der Z80 überflügelte rasch den 8080 und wurde die populärste 8-Bit-CPU aller Zeiten; wenn man die absolute Größe des Marktes einbezieht, dann ist er die seither erfolgreichste CPU.

Spätere Versionen erhöhten die Taktrate der frühen Modelle von 1 MHz auf bis zu 12 MHz. Der Z80 wurde in den 1980er Jahren auch von anderen Halbleiterherstellern (zum Beispiel NEC) produziert. Außerdem entstanden der stromsparende Z80L (L für LowPower) sowie eine Variante in CMOS-Technik.

Weitere interessante Eigenschaften dieser CPU liegen in den undokumentierten Opcodes, die den Befehlsumfang fast verdreifachten. Vor allem die Prefix-Opcodes für die IX- und IY-Register konnten auf praktisch alle Befehle angewendet werden, die sonst das HL-Registerpaar bzw. nur die Register H oder L betroffen hätten. Somit war es möglich, nur die obere bzw. untere Hälfte von IX bzw. IY als 8-Bit-Register zu verwenden.

Für den Aufbau von Mikrocomputern stand eine Reihe Peripheriebausteine zur Verfügung, die wichtigsten der Z80-Familie waren PIO (parallele Ein-/Ausgabe), SIO (serielle Ein-/Ausgabe), CTC (Zähler und Zeitgeber) und DMA (direkter Speicherzugriff durch Peripheriegeräte).

Verwendung

Direkt zu Beginn wurde der Z80 häufig in Arcade-Spielen eingesetzt, so in Galaxian (1979) und Pac-Man. Noch 2000 wurde er im Spiel Metal Slug 3 benutzt.

In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren wurde der Z80 in einer Vielzahl von neuentwickelten Heimcomputern verwendet, zum Beispiel im Tandy TRS 80, NASCOM, Video Genie, Colour Genie; in der MZ-80-Serie von Sharp; im Triumph Adler Triumph Adler Alphatronic PC; im Schneider/Amstrad CPC; dem Amstrad PCW = Schneider „Joyce“, bei den Sinclair ZX80, ZX81 und Sinclair ZX Spectrum; dem Commodore C128 (als Zweitprozessor); in MSX-Computern und einer großen Anzahl von ziemlich unbekannten geschäftsorientierten CP/M-Maschinen, die den damaligen Markt dominierten, wie die heutigen IBM-PC-Clones. Der Hauptkonkurrent des Z80 im Heimcomputerbereich war der MOS Technologies 6502, dessen Varianten etwa im Apple II, Commodore 64 und 8-Bit Ataris zu finden waren.

Viele Apple-II-Computer wurden mittels einer Erweiterungskarte mit einem Z80-Prozessor ausgerüstet, um so CP/M benutzen zu können. Da diese Z80-Karten in großen Mengen kopiert und mit unlizenzierten CP/M-Kopien betrieben wurden, liegen keine genauen Zahlen über deren Verbreitung vor, es dürfte sich aber bei dieser Kombination um eines der häufigsten verwendeten CP/M-Systeme handeln.

Später wurde der Prozessor auch in Texas-Instruments-Taschenrechnern (selbst heute noch im TI-83 Plus, TI-84 Plus und TI-84 Plus Silver Edition) und Segas Spielkonsolen Master System und Game Gear verwendet; der Sega Mega Drive nutzte ihn als Coprozessor für die Audioausgabe. Nintendos Spielkonsolen Game Boy und Game Boy Color benutzten einen Z80-Klon (DMG-CPU), der von Sharp hergestellt wurde. Er hat einen leicht anderen Befehlssatz.

Der Z80 wurde auch bei eingebetteten Systemen beliebt und hat dort heute eine weite Verbreitung, beispielsweise arbeitet in Toshibas TLCS-870-Serie ein Z80-Kern in vielfältigsten Kombinationen von Speicher- und Peripherieausstattungen.

Ein weiterer Klon des Z80 ist die von Toshiba produzierte TLCS-90-Familie, ein vollständiger Mikrocomputer auf einem Chip, der die Funktionen wie UART, A/D- und D/A-Wandler, Timer, und RAM vereint.

Nach dem Aufkommen leistungsfähigerer 16-Bit-CPUs wurde die vorhandene große Menge bestehender 8-Bit-Anwendungs-Software (hauptsächlich unter CP/M) mit Hilfe von Software-Emulatoren weiterhin nutzbar gehalten.

Versionen

In der DDR wurde aufgrund eines Handelsembargos ein nichtlizenzierter Nachbau des Z80 unter dem Namen U880 entwickelt. Er fand dort eine weite Verbreitung durch den Einsatz in den Kleincomputern von Robotron und dem Volkseigenen Betrieb VEB Mikroelektronik „Wilhelm Pieck“ Mühlhausen (KC 85) sowie in zahlreichen Selbstbau-Computern (Z1013).

Nachfolgetypen:

Toshiba TMPZ84C015

• Z180: Ab 1985 stellte Hitachi unter der Bezeichnung HD64180 einen Microcontroller vor, der vor allem wegen der Integration zahlreicher Peripheriebausteine sehr erfolgreich war. Später fertigte auch Zilog den Chip als Z180.
• Toshiba vereinte den Z80-Prozessor mit seinen Peripheriebausteinen CTC, SIO und PIO zusammen mit einer Oszillator- und Watchdog-Funktion in einem 100-Pin Gehäuse als TMPZ84C015. Das Bauteil wird bis heute gefertigt, mit Zilog als Zweithersteller, Bezeichnung Z84C15.

Von Zilog folgten noch

• Z280 16 Bit + MMU (16 MB Adressraum) + 256 Byte Cache
• Z380 16 Bit mit 32-Bit-Registern (bis zu 4 GB Adressraum) und vier Pipelines

Aktuell werden verkauft

• eZ80 50 MHz
• eZ80Acclaim! Interner Flash und RAM
• eZ80AcclaimPlus! On-chip 10/100BaseT Ethernet MAC

Als nicht kompatible Typen wurden die folgenden CPUs entwickelt

• Z8000 (16 Bit)
• Z80000 (32 Bit)

Literatur

• Rodnay Zaks: Programming the Z80. SYBEX, ISBN 0-89588-069-5. (e-book, oder PDF-Download 13,4 MB, vom Autor selbst hochgeladen)
  • deutsche Übersetzung: Programmieren des Z80. SYBEX, ISBN 3-88745-099-X.
• Rodnay Zaks u. a.: Mikroprozessor Interface Techniken. SYBEX, ISBN 3-88745-012-4.

Beide Bücher gelten auch heute noch als Standardwerke im Bereich der Mikroprozessoren.

• Eberhard Zehendner: Das Z80-Buch. Markt & Technik, ISBN 3-89090-219-7.

Weblinks

• Datenblätter
• Zilog
• Z80-Info (engl.)