Zilog Z80

Der Zilog Z80 ist ein 8-Bit-Mikroprozessor, der vom Unternehmen Zilog Inc. entwickelt wurde. In CMOS-Technik ist der Z80 bis heute lieferbar.

Er entstand kurz nachdem Federico Faggin das Unternehmen Intel verlassen und sein eigenes Unternehmen Zilog gegründet hatte. Bei Intel hatte er am 8080-Mikroprozessor gearbeitet.

Im März 1976 wurde der Z80 auf den Markt gebracht. Er wurde unter der Maßgabe entwickelt, binär abwärtskompatibel zum Intel 8080 zu sein. Dadurch liefen die meisten für den 8080 entwickelten Programme ohne Änderungen auf dem Z80, insbesondere das CP/M-Betriebssystem.

Unterschiede zum 8080 

Gegenüber dem Intel 8080 hat der Z80 mehrere Vorteile: Eine einzige 5-Volt-Versorgungsspannung statt +5 V/−5 V/+12 V beim 8080, eine eingebaute Refresh-Steuerung für DRAM, die ansonsten extern realisiert werden musste, ausgefeilte Interrupt-Funktionen, Blockkopier- und Vergleichsbefehle, Block-IO-Operationen und 16-Bit-Register (IX und IY) mit indizierter Adressierung, weitere 16-bit-Arithmetikbefehle (ADC, SBC), weitere Bit- und Verschiebebefehle, schnellere Ausführungszeiten (einfache Befehle dauern 4 statt 5 Takte), einen doppelten Registersatz und einen niedrigeren Preis.

Außerdem wurden die Mnemonics der Assemblersprache vereinfacht: Während beim 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:
 Op-Code   8080-Mnemonik  Z80-Mnemonik  Funktion
 -----------------------------------------------
 79        MOV A,C        LD A,C        kopiert den Inhalt des Registers C in das Register A
 02        STAX B         LD (BC),A     kopiert den Inhalt des Registers A in die Adresse, die im Registerpaar BC steht
 3A 34 12  LDA 1234h      LD A,(1234h)  kopiert den Inhalt der Adresse 1234h in das Register A

Erfolg 
Der Z80 überflügelte rasch den 8080 und wurde die bisher am weitesten verbreitete 8-Bit-CPU. Wenn man die absolute Größe des Marktes einbezieht, dann ist er die seither erfolgreichste CPU.

Zunächst wurde der Z80 von Mostek für Zilog hergestellt, bis Zilog eigene Fabriken gebaut hatte. Daher hatte Mostek auch eine Lizenz, den Z80 unter der Bezeichnung MK3880 zu vermarkten. Später wurde der Z80 auch von anderen Halbleiterherstellern wie NEC in Lizenz hergestellt. Spätere Versionen erlaubten eine höhere Taktrate als die ursprünglichen 2,5 MHz, der Z80A bot 4 MHz, der Z80B 6 MHz  und der Z80H dann 8 MHz. Außerdem entstanden der stromsparende Z80L (L für LowPower) sowie Varianten in CMOS-Technik, die dann sogar bis 20 MHz betrieben werden konnten.

Weitere interessante Eigenschaften dieser CPU liegen in zusätzlichen Befehlen, die nicht vom Hersteller dokumentiert wurden. 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. 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 neben den klassischen Intel-Peripheriebausteinen eine Reihe von Zilog-Peripheriebausteinen zur Verfügung, die speziell für den Z80 entwickelt wurden und mit den effektiven Interruptvektoren arbeiten können. Die wichtigsten der Z80-Familie sind PIO (parallele Ein-/Ausgabe), SIO (serielle Ein-/Ausgabe), CTC (Zähler und Zeitgeber) und DMA (direkter Speicherzugriff durch Peripheriegeräte). Später folgten platzsparende höher integrierte Bausteine, die neben seriellen und parallelen Schnittstellen auch Counter/Timer und Interruptcontroller auf einem Chip boten, wie z. B. KIO, multifunktional wie sie noch in heutigen Singlechip-MCUs Standard sind.

Verwendung 

Anfangs wurde der Z80 häufig in Arcade-Spielen eingesetzt, so in Galaxian (1979) und Pac-Man, aber auch der Mikrocomputer Intertec Superbrain nutzte den Prozessor. Der Z80 hat sich dabei bis Ende der 1980er Jahre als Spiele-Prozessor bewährt. Um gewünschte Effekte zu erzielen, setzten Automaten-Hersteller später auch bis zu drei Z80 parallel ein. Im Arcadespiel Noboranka von 1986 wurde die Darstellung zahlreicher Sprites und Animationen durch die 20-MHz-Version eines Z80 ermöglicht. Bereits das Shoot ’em up Zaxxon von 1982, für das eine 3-MHz-Z80-CPU verwendet wurde, zeigte deutlich das Potenzial des Z80. Auch Mr. Do!, das 1982, zwei Jahre nach Pac-Man, erschien, glänzte bereits durch physikalische Effekte, unter der Verwendung eines 4,1-MHz-Z80.

Bis 2004 nutzten ihn die Neo-Geo-Automaten als Soundprozessor. E-mu Systems verwendete ihn bereits im Erscheinungsjahr in seinen Synthesizern, nachdem Tests mit einem Intel 8080 gescheitert waren.
In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren wurde der Z80 in vielen neuentwickelten Heimcomputern verwendet, zum Beispiel im Tandy TRS-80, Nascom, Video Genie, Colour Genie, PC-8801; 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. Auch der Basis 108, ein Hybridcomputer und weitgehender Nachbau der Apple-II-Architektur, enthielt neben dem Apple-typischen 6502 einen Z80 und konnte neben Apple-Software auch Programme unter dem Betriebssystem CP/M nutzen, beispielsweise die damals populäre Textverarbeitung WordStar.

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), in SNKs Neo Geo als Sound-Co-Prozessor 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 abgewandelten Befehlssatz.

Der Z80 wurde auch bei eingebetteten Systemen beliebt und ist dort heute noch weit verbreitet, beispielsweise arbeitet in Toshibas Mikrocontroller-Familien TLCS-90 und TLCS-870 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).

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 im Jahr 2022 wird der Z80 an einigen Universitäten neben anderen 8-Bit-CPUs wie dem 8080 oder dem 6502 häufig 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 Assembler-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)

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

Er war dort der dominierende Prozessor in einer zahllosen Anzahl von kommerziellen Computern (PC-1715, A-5120, MC-80), Bildungsrechnern (KC 85-1/87, KC-85/2-4, BIC A-5105, LC-80), Selbstbaurechnern (Z-1013) bis hin zu Nachbauten von Z80-basierten Rechnern (ZX81, ZX Spectrum). Taktfrequenzen lagen zwischen 1 MHz und knapp 4 MHz.
In der Sowjetunion wurden ebenfalls nichtlizenzierte Nachbauten unter den Bezeichnungen T34WM1 und KR1858WM1 ( und ) von verschiedenen Fabriken (u. a. „Elektronika“, „Integral“, „Angstrem“, „Transistor“) bis weit in die 1990er Jahre hergestellt. Es sind Nachbauten mit Datecodes von 1996 bekannt.

Nachfolgetypen:
 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 MiB Adressraum) + 256 Byte Cache
 Z380 16 Bit mit 32-Bit-Registern (bis zu 4 GiB Adressraum) und vier Pipelines

Aktuell werden verkauft:
 eZ80 50 MHz
 eZ80Acclaim! Interner Flash und RAM
 eZ80AcclaimPlus! On-chip 10/100 Mbit/s 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; 13,4 MB, vom Autor selbst hochgeladen).
 deutsche Übersetzung von Bernd Ploss: Programmierung des Z80. SYBEX, ISBN 3-88745-099-X. (als PDF; 8,4 MB)
 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.

 Ramesh Gaonkar: The Z80 Microprocessor: Architecture, Interfacing, Programming, and Design. Macmillan Publ. Co. New York 1988, ISBN 0-675-20540-9.
 Eberhard Zehendner: Das Z80-Buch. Markt & Technik, Haar 1987, ISBN 3-89090-219-7.

Weblinks 

 Datenblätter
 Z80-Info (englisch)
 Wiki des Z88DK auf GitHub
 Yet Another Z80 Emulator by AG – YAZE-AG: Z80 CPU-Emulator (englisch)
 Z80 Explorer

Einzelnachweise 

Mikroprozessor