Zilog Z80

Zilog Z80 A.
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 registro-memoria.

Fue lanzado al mercado en julio de 1976 por la compañía Zilog, y se popularizó en los años 80 a través de ordenadores como el Sinclair ZX Spectrum, Amstrad CPC o los ordenadores de sistema MSX. Es uno de los procesadores de más éxito del mercado, del cual se han producido infinidad de versiones clónicas, y sigue siendo usado de forma extensiva en la actualidad en multitud de sistemas embebidos.

Historia

Introducción

El Z80 fue diseñado principalmente por Federico Faggin, que estuvo trabajando en Intel como diseñador jefe 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

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.
  • 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.
  • Una tipo especial de reset que sólo reinicia el contador de programa de modo que el Z80 se puede usar en un sistema de desarrollo ICE (In-Circuit Emulator).[1]

El Z80 eliminó rápidamente al Intel 8080 del mercado y 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, 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]

En la actualidad Zilog sigue fabricando versiones del Z80 original y otros modelos compatibles con él que mejoran las prestaciones.

Usos notables

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.

A mediados de los años 1980 el Z80 fue usado en el Tatung Einstein y la familia de ordenadores domésticos y empresariales Amstrad CPC y Amstrad PCW. El Z80 también fue usado en los ordenadores Tiki 100, que se empleaban en los colegios de Noruega por entonces.

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.

Ya en los años 1990 el Z80 ha sido usado en las videoconsolas Sega Master System y Sega Game Gear. Además las videoconsolas SNK Neo-Geo y la Sega Mega Drive y muchas máquinas arcade usan un Z80 como el procesador especializado en sonido.

Las Game Boy y Game Boy Color de Nintendo utilizan una variante del Z80 fabricada por Sharp.

En la actualidad parte de la gama de calculadoras gráficas programables de Texas Instruments tales como las TI-73 (1998), TI-73 Explorer (2003), TI-82 (sólo modelo 1999), TI-83 Plus (sólo modelos 1999 y 2001),[3] y sus sucesoras emplean una versión clónica del Z80 fabricada por NEC como procesador principal.

Además el Z80 también es un microprocesador popular para ser usado en sistemas embebidos, campo donde se emplea de manera extensiva.

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.

En la República Democrática Alemana se produjo una versión clónica del Z80 llamada U880, que fue empleada en los sistemas informáticos de Robotron y de VEB Mikroelektronik Mühlhausen, tales como las series KC85 y 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 Electrónica CIP, CIP-02, CIP-03, CIP-04.

Hoy en día existen dos núcleos de procesador llamados T80 y TV80 que son funcionalmente equivalentes al Zilog Z80 y se encuentran disponibles bajo una licencia tipo BSD. El código fuente de estos núcleos está disponible tanto en Verilog como en VHDL. Una vez sintetizada esta última versión puede funcionar hasta 35 MHz en una FPGA Xilinx Spartan II.

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, frente a los 64 KB del Z80.

Existen diseños de hardware actuales que implementan un Z80 dentro de un chip programables programando parte del chip para que cumpla las funciones del Z80.

  • No todos los clones de este microprocesador tienen conectado el pin NMI, por lo que al intentar usarlo en algunos modelos este hace caso omiso.
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