Série Z80 Project – A CPU Z80

Nesta série de projetos, exploraremos o que é o Z80 e como usá-lo para construir um sistema de computador básico. Saiba mais sobre o computador Z80, sua CPU e muito mais!

A CPU Z80 é indiscutivelmente a CPU (unidade central de processamento) mais famosa do mundo, tendo sido usada em uma ampla gama de computadores desde os anos 1970 até os anos 1990. Com quase 50 anos, o computador Z80 foi projetado por Federico Fagging e sua equipe em 1974 com o primeiro lançamento do dispositivo em 1976. O chip Z80 foi projetado para ser compatível com o código do Intel 8080, mas na verdade é mais poderoso com mais registros, instruções mais poderosas e um design superior que requer apenas uma única linha de clock, uma única linha de 5V e circuito integrado de atualização de memória para DRAM.

Sim, a placa Z80 foi desenvolvida em 1976, mas por que nos referimos a ela no tempo presente em vez do passado? A resposta irá surpreendê-lo porque o Z80 AINDA ESTÁ EM PRODUÇÃO! Isso mesmo, uma CPU de quase 50 anos ainda está em produção, e há uma série de razões para isso. A primeira é que o Z80 é tão famoso que muitos sistemas projetados nos anos 80 ainda estão em uso hoje, e a natureza delicada dos sistemas significa que eles podem exigir substituições de processadores, criando um mercado. O Z80 também sobreviveu devido ao seu poderoso conjunto de instruções e simplicidade de uso, o que resultou em uma variedade de microcontroladores baseados no Z80, bem como em processadores mais poderosos.

Aprender a construir um computador Z80 faça você mesmo (DIY) não é apenas um projeto divertido de concluir, mas fornece um computador que ensina os fundamentos da computação. Enquanto Arduinos e Raspberry Pis são rápidos de usar, o computador Z80 realmente mostra como uma CPU executa suas tarefas, como ela interage com a RAM e como pode ser feita para conversar com dispositivos externos, como teclados, telas e discos rígidos.

Noções básicas da CPU Z80

O Z80 é uma CPU de 8 bits, o que significa que todos os seus dados estão em 8 bits ou em um único byte. Todos os registradores internos da CPU (os registradores são blocos de armazenamento temporário usados ​​para matemática rápida!), têm tamanho de 8 bits, enquanto o contador de programa, que aponta para onde o programa está sendo executado, é de 16 bits. Como o contador de programa tem 16 bits, o endereço externo para o Z80, que seleciona a memória e os locais de E/S (entradas/saídas), também tem 16 bits. Isso significa que a quantidade máxima de memória que o Z80 pode acessar diretamente é 2^16 = 64KB. O Z80, ao contrário de muitos microcontroladores, é Von Neumann em oposição à arquitetura de Harvard. Isso significa que tanto o programa quanto os dados são armazenados no MESMO espaço de endereço. Isso é muito mais fácil de trabalhar do que quando eles estão separados! Apesar de ter um endereço de 16 bits,

Sistema Z80 Mínimo

É aqui que as coisas começam a ficar interessantes, pois aqui podemos apreciar a verdadeira simplicidade do processador Z80. Ao usar CPUs, eles exigem hardware adicional para fornecer sinais de clock, fontes de alimentação, gerenciamento de memória e procedimentos especiais de inicialização. O Z80, no entanto, é incrivelmente trivial e requer apenas um punhado de sinais externos para começar a funcionar! Abaixo está o circuito mais simples necessário para ver o Z80 em operação.

Este circuito é uma boa ferramenta para ver como o Z80 funciona e verificar se o processador está de fato funcionando. O primeiro subcircuito à esquerda do esquema é um oscilador astável 555 que emite uma onda quadrada com uma frequência de aproximadamente 1Hz. Isso nos permite observar cada ciclo do Z80 enquanto ele executa seus ciclos de instrução. O lado direito do esquema é o próprio processador Z80 e você notará que alguns pinos são puxados para 5V, alguns são puxados para 0V e outros têm LEDs de saída. Os pinos que são puxados para cima são sinais de controle de entrada e é essencial que eles sejam puxados para cima porque o Z80 usa lógica ativa-baixa. Tomemos, por exemplo, o pino RESET, quando este pino for 0V o Z80 irá resetar, e se este pino for 5V então o Z80 continuará normalmente.

Pinos de entrada Z80

• CLK – Esta é a entrada do relógio Z80. Sem ele, o Z80 não pode funcionar
• RESET – Isto irá redefinir o processador de volta ao endereço 0 como se tivesse acabado de ser ligado
• NMI – Esta é a interrupção não mascarável. Quando puxado para baixo, o Z80 executará uma interrupção
• INT – Esta é a interrupção mascarável. Quando puxado para baixo, o Z80 executará uma interrupção se o sinalizador de interrupção interno estiver definido
• WAIT – Quando este pino é puxado para baixo, o Z80 irá sentar e esperar (ou seja, travar). Quando este pino voltar a 5V, o Z80 retomará a operação
• BUSRQ – Quando puxado para baixo, o Z80 permitirá que outros dispositivos controlem o barramento (endereço e pinos de dados)

Alguns pinos no esquema estão conectados a LEDs, para que possamos ver o que esses pinos estão fazendo.