3. МИКРОПРОЦЕССОР Z-80
3.1 ВВЕДЕНИЕ.
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 И+5В", наличие
однофазного внешнего синхрогенератора, 17 внутренних регистров и
встроенная схема регенерации ОЗУ.
3.2 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 испрльзуется 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
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 Ml 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 Ml
появляется вместе с сигналом IORQ в цикле приема прерывания. Выборка
инструкции требует, чтобы все три сигнала Ml, MREQ и RD были
активизированы. В то же время выборка байта данных из ячейки памяти
требует, чтобытолько MREQ и RD были активизированы. Время необходимое
для выборки инструкции - 1.14мкс, что составляет 4 такта. Вывод 20- линия
выход IORQ. 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.
Ока 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.
13 ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Z80
В состав Z80 входят:
устройство управления, регистр команд, программный счетчик, 24
регистра пользователя и арифметико-логическое устройство.
■ Устройство упраядеши.
В Z80 управляющее устройство выдает огромное число внутренних
управляющих сигналов, а также обеспечивает формирование внешних
управляющих сигналов.
■ Репктр 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 аккумкляггора. Любая такая
операция над двумя словами данных предполагает размещение одного из
них в аккумуляторе, а другого - в памяти или еще в каком-нибуд ь 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
байга указывает на используюмую 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 хранениия 16-ти разрядного
числа, и существует определенный ряд арифметических операций, которые
могут быть выполнены с этими числами. Н-регистр и L-региртр также могут
бьпъ использованы и как отдельные регистры, хотя с ними может быть
выполнено ограниченное число операций.
Регистровая пара ВС и DE. Эш пары используются главным образом как
адресные регистры. Регистры могут быть использованы как одинарные.
Регистр В рекомендуется использовать в качестве счетчиков циклов.
■ Набор жльтервдтпвых регистров.
Z80 имеет альтернативный набор регистров для A,F,H,L,B,C, 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 становился основным, а основной
- альтернативным.
Альтернативные наборы регистров часто используются для сохранения
среды, когда запускается независимая задача.
Регистровые пары IX,IY используются для выполнения операции, которая
включает индексацию. Это дает возможность работать со списком или
таблицей. Начальный адрес списка или таблицы должен бьпъ первоначально
занесен в подходящую пару регистров IX или IY. В программе монитора
SPECTRUMa IY 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 бьпъ 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 I - регистр вектора прерываний, используется для размещения
адресов устройств ввода-вывода. Однако в SPECTRUMe эта возможность не
используется и I - регистр используется для генерации TV - сигнала.
Регистр R - регистр регенерации памяти. Он является простым счетчиком,
который увеличивается каждый раз при выполнении цикла регенерации.
Значение в регистре циклически изменяется от 0 до 255.
■ Арефиегшинлоппеское 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.
ЗЛ СТРУКТУРА ПРОГРАММ В МАШИННЫХ КОДАХ
Программа должна существовать как набор машинных команд и данных,
размещенных в последовательных адресах памяти. В SPECTRUMe единицей
памяти является один байт. Поэтому программа в машинных кодах является
последовательностью байтов.
Пример.
Это представление является иллюстрацией программы в машинных
кодах. Оно очень громоздко и приводит к ошибкам. Поэтому лучше
использовать шестнадцатиричную запись кодов или программу на бэйсике,
которая печатает адреса в десятичной форме:
WFORA-Q ТО 7
20 PRINT 9LOCATIONTAB ЮЛ' TAB 15; PEEK А
30 NEXT A
Программа, показывающая 16-ричное представление рассматривается
на следующем примере:
IOFORA-OTO7
20 LET H4NT(PEEK А/16)
30 LET L-PEEKA-HV6
40 PRINT mLOCATIONm; TAB ЮА; TAB 15;CHRS(48+H+r{H>9));
CHRS (48+L+7*(L>9))
50 NEXT A
Эт программы включены, чтобы показать способ получения 10-ного
или 16-ричного листинга прогр&ммы в машинных кодах. Рассмотрим шаги
получения документированного листинга. Используя таблицу машинных
кодов из приложения, можно представить эти машинные команды в
следующем виде:
LOCATION О- DI запрещение маскировочного прерывания;
LOCATION 1- XOR а сложение по модулю 2 регистра А;
LOCATION 2-4 LDDE,+FFFF загрузка регистровой пары DE;
LOCATION 5-7 JP+11CB переход по абсолютному адресу.
Все машинные команды Z-80 имеют свою мнемонику, и программы в
машинных кодах записываются с использованием мнемоники, а не двоичного
или 16-ричного представления. Такая мнемоническая форма представления
называется ассемблеровской. Программист вначале обычно составляет
программу в мнемоническом виде на языке ассемблера, а затем, в процессе
трансляции, это представление преобразуется в десятичное и 16-ричное.
Поэтому такое написание очень удобно при записи программ.
