Z80

美國Zilog公司推出的微處理器

Z80微機的早期應用主要是將構成計算機系統的Z80微處理器,RAM,ROM和輸入/出介面等電路都組合在一塊PCB板卡上面,因此這時期的Z80微機系統也叫Z80單板機(SBC,Single Board computer)。

概述


1976年美國Zilog公司推出的微處理器(microprocessor)Z840004,Z840006和Z840008因其卓越的性能,強大的輸入/出介面能力,快速的運算速度(Z840008時鐘頻率可達8MHz,同時期的其他產品如Intel的8085、Motorola的M6802等時鐘頻率為2~5MHz),品種多樣的外設支持而迅速被業內人士關注。Zilog公司的這類微處理器通常被叫做Z80微處理器或Z80微機。
Z80單板機具有體積小,外設搭配靈活,運行可靠等特點,因此在以後的十幾年時間裡,Z80單板機被廣泛的應用於PC機介面及擴展和各種工業、控制領域,尤其是在美國和日本得到了極大的發展。我國自上世紀80年代末引入,因為其所具有的第三代計算機的優良特點而迅速被市場所接受,小到家用電器,紅白遊戲機,大到工業採集系統,自動控制裝置,電動機及傳動等都有大量的使用和應用。各類大中型院校也開設了Z80微處理器的課程,Z80微處理器和Z80單板機的研究和應用在我國具有廣泛的基礎。

設計特點


Zilog公司對Z80微處理器的設計定位是:特殊應用標準產品,即:( Application Specific Standard Parts)。它要求該微處理器既能象ASIC(Application Specific Integrated Circuit)那樣儘可能利用硬體設計滿足應用對象的各種特殊要求,又能通過軟體代碼手段來適應各種應用場面。
Z80微處理器使用了NMOS的大規模IC工藝,可以說是當時的Intel 8080的改進產品,為了達成上述設計思想,Z80單板機擁有很多支持的外設,而其支持的彙編指令也多達158條(Intel 8080隻有72條),應用非常靈活。
因此,硬體的專門設計+軟體的靈活設計構成Z80微處理器的最顯著設計特點,也使之成為了80年代最成功的8位CPU之一。

結構


Z80 IO配置
Z80 IO配置
,16個地址埠,可以定址64K的地址空間,支持三種中斷;具體功能可以參見Z80的datasheet.(z80)
Z80微處理器的內部寄存器也較為特殊,有兩套寄存器組:Main Register Set和Alternate Register Set,如圖所示。其中Main Register Set完成正常寄存器定址及運算功能,Alternate Register Set完成對Main Register Set的備份和替換,在實際軟體編碼中使用很靈活。
Z80 內部寄存器
Z80 內部寄存器
Z80的指令集多達158條,按照處理方式可以分成8位指令集和16位指令集;按照功能可以分成8大類;指令的長度一般為1-4位元組,執行時間為4-23T,T為時鐘周期。 Z80定址方式也很靈活,可以分成:直接定址,寄存器定址,寄存器間接定址,立即定址,相對定址和變址定址,其具體原理可以參見datasheet,這裡不再贅述。

結論


雖然Z80微處理器的設計和結構特點已經具備了現代CPU的特點,但由於大規模集成IC工藝的出現,單片機(MCU)這種Soc(System on a Chip)系統的出現對Z80造成了很大的衝擊,這表現在:
1.單片機的大規模集成工藝彌補了Z80單板機的工藝缺陷;
2.現代工業的高速性使Z80單板機走到了盡頭;
3.單片機的高度外設集成使Z80單板機設計顯得複雜;
4.程序設計的簡潔性好和移植性高等特點註定Z80單板機要逐漸被取代;
儘管如此,上世紀80年代左右產生的Z80單板機也是非常優秀的一款微處理器,它在設計之初就已經融入了部分現代CPU的設計理念,並且作為嵌入式學習的一種選擇,Z80單板機仍然還是有自己的一些特點:
• 學習Z80微處理器的硬體結構,定址方式和指令集有助於理解嵌入式系統開發原理;儘管51,ARM(基於ARM指令集的硬體平台)硬體平台,DSP,AVR,MPS430,9S12,PowerPC等都是非常優秀的嵌入式硬體平台,但究其原理,Z80系統架構仍然是這些架構中的佼佼者,其簡潔,靈活的特點是較為顯著的;
• 搭建Z80系統可以更好的理解Soc的工作原理;當前主流的單片機或者Soc系統都採用了大規模集成工藝,對於大多數外設,如RAM,ROM,輸入輸出埠等都已經集成在了單片機內部,這樣就構成了一個類似的“閉鎖”系統,再加之C語言開發的特點,很多嵌入式的內部原理是無法深入了解的,而根據嵌入式的特點,只有了解了其內部時序和寄存器的特點(Z80無累加器,使用寄存器陣列的特點)才能開發出優秀的執行率高,誤碼率少的代碼。