Микропроцессор Z80 его структура и система команд

Московский Институт Электроники и Математики

(технический университет)

Кафедра ИТАС

РЕФЕРАТ

по курсу : “ЭВМ и периферийные устройства”

на тему: Микропроцессор Z80 его структура и система команд.

Выполнил: студент группы АП-41

Завалишин Е. А.

МОСКВА 1998

Архитектура микропроцессора Z-80

Архитектура микропроцессора Z-80 фирмы ZILOG основывается на архитектурных принципах микропроцессора 8080 и позволяет выполнять все 78 команд этого микропроцессора, а также 80 дополнительных команд. Всего микропроцессор Z-80 имеет 696 кодов операций (в отличие от 244 кодов микропроцессора 8080).

К числу особенностей микропроцессора Z-80 относятся: использование для питания лишь одного источника напряжением “+5В”, наличие однофазного внешнего синхрогенератора, 17 внутренних регистров и встроенная схема регенерации ОЗУ.

НАЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ.

Микропроцессор Z-80 - это микросхема с 40 выводами, пронумерованными от 1 до 40. Рассмотрим функции выводов.

Вывод 11 напряжение питания +5в. Вывод 29- общий. Вывод 06- тактовый вход. В SPECTRUMe используется тактовая частота 3.5 Мгц. Вывод 07-10, 12-15- информационная шина. Вывод 1-5,30-40- адресная шина.

Оставшиеся 13 выводов присоединены к линиям, которые несут управляющие сигналы. Вывод 21- линия считывания RD. Эта линия становится активной, когда байт информации должен быть считан из памяти или порта. Вывод 22- линия записи WR. Эта линия активна, когда байт информации должен быть записан в память или в порт. Вывод 19- запрос памяти MREQ. Эта линия активна в тех случаях, когда требуется обращение к памяти.

Байт информации считывается из памяти в соответствии с адресом, помещенным на адресной шине. Далее, в соответствии с откликом на сигналы RD и MREQ, байт информации поступает на информационную шину, с которой эта информация в дальнейшем считывается микропроцессором. Для записи байта данных в память микропроцессор помещает требуемые адреса на адресную шину и требуемую информацию на шину данных. Сигналы MREQ и WR активизируются, и байт данных записывается в память.

Вывод 28- линия регенерации RFSH. Она используется для регенерации динамической памяти. Частично используется для формирования TV сканирующих сигналов. Вывод 27- активизируется при выполнении машинного цикла М1 и показывает, что проходящий машинный цикл обработки команды находится в состоянии “ввода кода операции” при выполнении некоторой команды. Сигнал М1 при выполнении двухбайтовой команды формируется при вызове каждого байта кода операции. Сигнал M1 появляется вместе с сигналом IORQ в цикле приема прерывания. Выборка инструкции требует, чтобы все три сигнала MI, MREQ и RD были активизированы. В то же время выборка байта данных из ячейки памяти требует, чтобы только MREQ и RD были активизированы. Время необходимое для выборки инструкции - 1.14мкс, что составляет 4 такта. Вывод 20- линия выход lORQ. Эта линия активна при выполнении команд IN или OUT. Вывод 18- останов HALT. Линия активизируется при выполнении команды HALT. Вывод 25- линия запроса BUSRQ. Z-80 позволяет внешним устройствам использовать адресную и информационную шину в режиме пропуска цикла. Запрос микропроцессору пропустить следующий цикл выполняется внешними устройствами путем активизации этой линии. Вывод 23- линия подтверждения, BUSAK. Микропроцессор подтверждает запрос остановки после выполнения команды и активизирует эту линию.

Оставшиеся 4 вывода находятся под контролем пользователя. Вывод 26- линия сброса, RESET. Используется для инициализации микропроцессора. Она активизируется при включении питания. Сброс может быть осуществлен в SPECTRUMe соединением линий RESET и GND. Вывод 24- линия ожидания WAIT. “Медленная” память может требовать большего времени для цикла считывания или записи и об этом сообщает микропроцессору путем активизации линии WAIT. Вывод 17- “немаскируемое прерывание” NMI. Активизация этой линии приводит к остановке выполнения микропроцессором текущей программы, и вместо нее микропроцессор выполняет программу прерывания, записанную специально для этой цели. В SPECTRUMe немаскируемое прерывание требует системного сброса, который выполняется записыванием 0 по адресу 23728. Вывод 16- “маскируемое прерывание”, INT. В SPECTRUMe сканирование клавиатуры и обмен в режиме реального времени называется “управляемым прерыванием”. Это означает, что электроника системы каждые 1/50 секунды активизирует INT, вызывая остановку выполнения микропроцессором основной программы и, вместо этого, выполнение программы сканирования клавиатуры. Способность Z80 реагировать на INT может управляться программистом специальными машинными командами.

ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Z80

В состав Z80 входят: устройство управления, регистр команд, программный счетчик, 24 регистра пользователя и арифметико-логическое устройство.

Устройство управления.

В Z80 управляющее устройство выдает огромное число внутренних управляющих сигналов, а также обеспечивает формирование внешних управляющих сигналов.

Регистр команд.

Термин “регистр” используется для описания простой ячейки памяти внутри Z80. Регистр содержит 8 бит (1 байт). В Z80 имеется большой блок регистров, и пересылка байтов данных к регистрам и от них является простейшей и наиболее важной чертой программирования в машинных кодах.

Регистр команд - специальный регистр, где микропроцессор содержит копию выполняемой текущей команды. Одной из черт набора команд Z80 является то, что определенные инструкции содержатся в двух байтах данных. В этих случаях регистр команд содержит каждую команду по очереди.

Программный счетчик.

Программный счетчик - это пара регистров, которые используются совместно, поэтому программный счетчик содержит 16-ти битные значения.

Когда инструкции выбираются, управляющее устройство использует информацию в программном счетчике как адрес ячейки памяти, содержащей команду, которая должна выполняться следующей. После выполнения команды значение в программном счетчике увеличивается.

Действие программного счетчика очень похоже на переменную РРС интерпретатора бэйсик, которая содержит номер текущей строки бэйсик и также наращивается.

Регистры пользователя (основные регистры).

Имеется 24 регистра пользователя. Все регистры однобайтовые, хотя обычно используются парами. Регистр А называется аккумулятором. Аккумулятор - основной регистр микропроцессора при различных операциях с данными. Большинство арифметических и логических операций осуществляется путем использования АЛУ и аккумулятора. Любая такая операция над двумя словами данных предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого - в памяти или еще в каком-нибудь регистре. Так при сложении двух слов, условно называемых А и В и расположенных в аккумуляторе и памяти соответственно, результирующая сумма загружается в аккумулятор, замещая слово А.

Регистр F - это флаговый регистр. Он часто рассматривается как набор восьми флаговых битов, связанных вместе, а не как отдельный регистр. Установление флага соответствует 1, сброс -0. Программист обычно имеет дело с 4-мя основными флагами. Это флаг нуля, флаг знака, флаг переноса и флаг четности-переполнения. Дополнительные флаги используются управляющим устройством и не могут быть использованы программистом непосредственно.

Регистровая пара HL.

При обращении к регистровой паре HL сначала указывается младшая часть (LOW), а затем старшая (HIGH). Память 64К может быть рассмотрена как 256 страниц по 256 адресов в каждой. В этом случае значение старшего байта указывает на используемую страницу.

В микропроцессоре регистровая пара HL является одной из трех регистровых пар, которые используется в качестве адресных регистров. В этом качестве регистровая пара HL является наиболее важной. Регистровая пара HL также может быть использована для хранения 16-ти разрядного числа, и существует определенный ряд арифметических операций, которые могут быть выполнены с этими числами. Н-регистр и L-регистр также могут быть использованы и как отдельные регистры, хотя с ними может быть выполнено ограниченное число операций.

Регистровая пара ВС и DE. Эти пары используются главным образом как адресные регистры. Регистры могут быть использованы как одинарные. Регистр В рекомендуется использовать в качестве счетчиков циклов.

Набор альтернативных регистров.

Z80 имеет альтернативный набор регистров для А,Р,Н,1ДС, D,E. Они обозначаются A’,F, и т.д. Существуют две специальные команды, которые позволяют обменивать основной и альтернативный набор регистров. После обмена для Z80 альтернативный набор становится основным, а основной - альтернативным.

Альтернативные наборы регистров часто используются для сохранения среда, когда запускается независимая задача.

Регистровые пары IX и IY используются для выполнения операции, которая включает индексацию. Это дает возможность работать со списком или таблицей. Начальный адрес списка или таблицы должен быть первоначально занесен в подходящую пару регистров IX иди IY. В программе монитора SPECTRUMa lY пара содержит адрес 23610 (5C3Ah), что является начальным адресом таблицы системных переменных. IX пара широко используется как указатель в программах обработки команд LOAD, SAVE, VERIFY, MERGE.

Указатель стека - это адресный регистр. Он используется для указания в памяти области машинного стека и всегда рассматривается как одинарный двухбайтовый регистр. Z80 использует стек, заполненный в памяти сверху вниз. Аналогией является магазин автомата - по принципу последний пришел, первым ушел. Указатель стека используется для указания различных размещений в области стека в каждом случае. Указатель стека всегда содержит адрес, куда последний раз была произведена запись. Поэтому управляющее устройство сначала уменьшает значение указателя стека, а затем помещает туда значение. Пересылка в стек двухбайтовая, и поэтому указатель стека должен быть дважды уменьшен при помещении в стек и дважды увеличен при выборке из стека. Машинный стек обычно используется как место сохранения адресов возврата, но можно использовать его как рабочую область.

Регистр 1 - регистр вектора прерываний, используется для размещения адресов устройств ввода-вывода. Однако BSPECTRUMe эта возможность не используется и 1- регистр используется для генерации TV - сигнала.

Регистр R- регенерации памяти. Он является простым счетчиком, который увеличивается каждый раз при выполнении цикла регенерации. 3начение в регистре циклически изменяется от 0 до 255.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

В АЛУ выполняются арифметические и логические операции. Возможно выполнение сложения и вычитания, а также АЛУ способно выполнять большое количество битовых операций и устанавливать флаги, чтобы показать результат.

СИСТЕМА КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА Z-80.

Команды и данные.

Команды поделены на 18 групп, каждая из которых состоит из тех команд, которые сильно похожи друг на друга. Существует шесть классов данных, которые могут следовать за командой.

1.0днобайтовая константа (+DD).

Это число А в диапазоне 00-FFh,(0-65535d). Те команды, которые требуют за собой однобайтовую константу, имеют мнемоническую приставку +DD. Например: LD HL,+DDDD.

2. Двухбайтовая константа (+DDDD).

Это число А в диапазоне 0000-FFFFh (0-65535d).Те команды, которые требуют за собой двухбайтовую константу, имеют мнемоническую приставку +DDDD. Например: LD HL,+DEDD.

3. Двухбайтовый адрес (ADDV).

Это число А в диапазоне 0000-FFFFh (0-65535d),то есть число, которое используется как адрес памяти. Те команды, которые требуют за собой двухбайтовый адрес, имеют приставку ADDV, например: JP ADDV.

4. Однобайтовая константа смещения(e).

Это число А в диапазоне 00-FFh(-128+127d).Число вегда представлено в дополнительном коде.Те команды,которые требуют за собой однобайтовую константу,имеют мнемоническую приставку e.Наприме:JP e.

5. Однобайтовая индуксирующая константа смещения (+D).

Это число А в диапазоне 00-FFh, (-128 +127d) представлено дополнительной арифметике. Те команды, которые требуют за собой однобайтовую индексирующую константу смещения, имеют мнемоническую приставку +D. Например: LD A,(JX+D)

6 Однобайтовая индексирующая константа смещения и однобайтовая константа (+D,+DD).

Это два числа в диапазоне 00-FFh, первое из которых рассматривается как десятичное -128+127,а второе - как десятичное 0-255. Команды, требующие два байта данных, сопровождаются мнемониками D и +DD.Например:LD (JX+D),+DD.

ГРУППА КОМАНД.

Существует много путей для разделения на группы сотен различных команд. Метод ,выбранный, здесь, разделяет команды на 18 функциональных групп.

Группа 1. Команда “нет операции”

Мнемоника 16-ный код

NOP 00

Выполнение команды требует 1,14 мкс. Ни один из регистров или флагов не изменяется. Команда NOP используется программистом для организации задержек, но чаше для удаления ненужных команд из программы.

Группа 2. Команды загрузки регистра константами.

Мнемоника 16-ный код

LD A,+DD 3EDD

LD H,+DD 26DD

LD L,+DD 2EDD

LD B,+DD 06DD

LD C,+DD 0EDD

LD D,+DD 16DD

LD E,+DD lEDD

Каждя из этих команд требует два байта памяти: один для кода операции, второй для константы. Команды записывают в регистр ответствующие значения, старые значения регистра пропадают.

Сведущие команды выполняют загрузку пары регистров двухбайтовыми константами.

Мнемоника 16-ный код

LD HL,+DDDD 21 DD DD

LD BC,+DDDD 01 DD DD

LD DE,+DDDD 11 DD DD

LD IX,+DDDD DD 21 DD DD

LD IY,+DDDD FD 21 DD DD

LD SP,+DDDD 31 DD DD

Строка команды требует 3 или 4 байта в памяти. Код операции занимает 1 или 2 байта ,и 2 байта занимает константа. Первый байт константы загружается в младший регистровой пары т.е. L,C,E,X,Y,P, а второй байт в старший регистр, т.е. H,B,D,l,S. Эти команды записывают в регистровые пары данные, которые часто рассматриваются программистом как двухбайтовый адрес, но могут быть также и двухбайтовым числовым значением и двумя отдельными однобайтовыми числовыми значениями.

Команды этой группы не изменяют флагов.

Группа 3. Команды копирования регистров и обмена. Существует 59 команд, которые выполняют копирование регистров и регистровых пар .Эти команды можно разделить на 4 подгруппы.

Подгруппа А. Команды копирования типа регистр-регистр. Следующая таблица дает коды операций команд, выполняющих копирование содержимого одного регистра в другой.

LD LD LD LD LD LD LD

регистр A,R H,R L,R B,R C,R D,R E,R

A 7F 67 6F 47 4F 57 5F

H 7C 64 6C 44 4C 54 5C

L 7D 65 6D 45 4D 55 5D

B 78 60 68 40 48 50 58

C 79 61 69 41 49 51 59

D 7A 62 6А 42 4A 52 5A