Zilog Z80

Eine Z80 CPU der ersten Stunde im weißen Keramik-Gehäuse

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 liefen die meisten Programme ohne Änderungen darauf, insbesondere das CP/M-Betriebssystem.

Unterschiede zum 8080

Architektur des Z80

Gegenüber dem 8080 hat der Z80 mehrere Vorteile: Eine einzige 5-V-Versorgungsspannung statt +5V/−5V/+12V beim 8080, eine eingebaute Refresh-Steuerung für DRAM, die ansonsten extern realisiert werden musste, ausgefeilte Interrupt-Funktionen, Blockkopier- und Vergleichsbefehle (16 Bit), Block-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. In den 1980er Jahren wurde der Z80 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 verdreifachen. Vor allem die Prefix-Opcodes für die IX- und IY-Register können auf praktisch alle Befehle angewandt werden, die sonst das HL-Registerpaar bzw. nur die Register H oder L betreffen würden. Somit ist es möglich, nur die obere bzw. untere Hälfte von IX bzw. IY als 8-Bit-Register zu verwenden.

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

Verwendung

Zu Beginn wurde der Z80 häufig in Arcade-Spielen eingesetzt, so in Galaxian (1979) und Pac-Man. Bis 2004 nutzten ihn die Neo-Geo-Automaten als Soundprozessor.

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- und MZ-700- und -800-Serie von Sharp; im Triumph Adler Alphatronic PC; im Schneider/Amstrad CPC; dem Amstrad PCW = Schneider „Joyce“, bei den Sinclair ZX80, ZX81 und ZX Spectrum; dem Commodore C128 (als Zweitprozessor); in MSX-Computern und einer großen Anzahl von eher unbekannten geschäftsorientierten CP/M-Maschinen, die den damaligen Markt dominierten wie heute die Windows-PCs. 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 ihre Verbreitung vor, es dürfte sich aber bei dieser Kombination um eines der häufigsten 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 ist dort heute noch weit verbreitet, beispielsweise arbeitet in Toshibas TLCS-870-Serie ein Z80-Kern in vielfältigsten Kombinationen von Speicher- und Peripherieausstattungen. Auch in dem von 1986 bis 1989 in der DDR, vom VEB AAC Cottbus hergestellten Hybridsynthesizer Tiracon 6V dient der Z80 zur digitalen Steuerung der analogen Klangerzeuger-Hardware. Verwendet wurden dabei jedoch weder die in der Sowjetunion hergestellten noch die DDR-Clones des Z80 (siehe Versionen).

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

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

Auch heute (2010) wird der Z80 an vielen Universitäten neben anderen 8-Bit-CPUs wie dem 8080 oder dem 6502 häuftig als Modell einer CPU genutzt. An der TU Wien wird er im Fach "Digitale Systeme" als MC8 (Modellcomputer-8) vorgestellt, wobei der Befehlssatz vereinfacht wurde, eigene ASM-Mnemonics definiert wurden und gewisse Register, Adressierungsarten und spezielle Funktionen der CPU nicht genutzt werden, um den Lernaufwand zu senken.

Versionen

NMOS-Serie:

• "Z80 CPU" (erste Serie hatte keine Nummer, 2.5 MHz)
• Z8400 ("Z80 CPU", 2.5 MHz)
• Z8400A ("Z80A CPU", 4 MHz)
• Z8400B ("Z80B CPU", 6 MHz)
• Z8400H ("Z80H CPU", 8 MHz)
• Z0840004 (4 MHz)
• Z0840006 (6 MHz)
• Z0840008 (8 MHz)

CMOS-Serie:

• Z84C0004 (4 MHz)
• Z84C0006 (6 MHz)
• Z84C0008 (8 MHz)
• Z84C0010 (10 MHz)
• Z84C0020 (20 MHz)
• Z84C00-4PS (4 MHz)

Erste Serie der U880 CPU aus dem Funkwerk Erfurt

In der DDR wurde aufgrund eines Handelsembargos ein nichtlizenzierter Nachbau des Z80 unter dem Namen U880 entwickelt. Er fand dort 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).

T34BM1 im weißen Keramik-Gehäuse aus der Sowjetunion

In der Sowjetunion wurden ebenfalls nichtlizenzierte Nachbauten unter den Bezeichnungen T34BM1 und КP1858ВМ1 von verschiedenen Fabriken (u.a "Elektronika", "Integral", "Angstrem", "Transistor") bis weit in die 90er Jahre hergestellt. Es sind Nachbauten mit Datecodes von 1996 bekannt.

Nachfolgetypen:

Toshiba TMPZ84C015

• Z180: Ab 1985 stellte Hitachi unter der Bezeichnung HD64180 einen Mikrocontroller 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:

• Zilog Z84C01 Z80-Code kompatible CPU, jedoch andere Anschlussbelegung, interner Taktgenerator und Steuerung des HALT-Verhaltens
• 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

Weitere, nicht Z80-kompatible CPU-Typen von Zilog:

• Z8 (8 Bit)
• 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: Programmierung 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

 Commons: Zilog Z80 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Datenblätter
• Zilog
• Z80-Info (englisch)
• Yet Another Z80 Emulator by AG – YAZE-AG: Z80 CPU-Emulator mit CP/M 3.1 (englisch)