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.

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.

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.[4] 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.