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20-10-2019

Unidad #3: Arquitectura del Microprocesador Z80 Microprocesadores Nombre del catedrático: Aguilar Vera Oscar Emmanuel

Nombre de los Integrantes:

 Josué Hernández Navarro.  Luis Gerardo Morquecho López.  Orestes Sánchez Alfonzo  Jesús Francisco Hernández Cruz. Grado y Grupo: 7”e”

Microprocesador Z80 El Zilog Z80 es un microprocesador de 8 bits cuya arquitectura se encuentra situada entre la organización de acumulador y de registros generales, de esta forma, si consideramos al Z80 como procesador de arquitectura de registros generales, entra en la calificación 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 o empotrados. El funcionamiento del sistema consiste en que las instrucciones del microprocesador, que están en la memoria ROM, se ejecutan en una forma secuencial de operación, la fuente de datos es, la propia CPU, los periféricos o las memorias, la transferencia interna de datos es a través del CPU, exceptuando la transferencia de datos en el proceso de acceso directo a memoria.

El Z80 es una versión mejorada tanto en circuitería como en características de programación del antiguo modelo INTEL 8080, el Z80 resulta ser un microprocesador más rápido y sencillo en el desarrollo de sistemas ya que solo usa una fuente de alimentación de +5 Volts, contiene íntegramente todo el conjunto de instrucciones del 8080, el cual le permite ejecutar todos los programas escritos para el CPU 8080, contiene el Z80 una expansión adicional de 80 instrucciones de ahí se deriva su nombre, su repertorio suma un total de 156 instrucciones. El microprocesador Z80 contiene las siguientes unidades funcionales;  Unidad lógica y aritmética.  El contador de programa.  El apuntador del stack.  Registros de propósito general.  Registros de índice.  Registros de interrupciones.  Registro de banderas.

 Registro para refrescar memorias dinámicas.

Arquitectura del microprocesador Z80 El Z80 fue el primero de la tercera generación de microprocesadores, sin embargo, es uno de los más empleados hasta nuestros días, se encuentran versiones mejores del mismo tales como Z80A, Z80B, Z80H, estos se caracterizan por trabajar a frecuencias superiores de 4 Mcps, 6.5 Mcps y 8 Mcps. Respectivamente, las características fundamentales del Z80 son:  El transporte de señales se realiza sobre tres buses, el bus de direcciones, el bus de datos, así como el bus de control.  Régimen de interrupción uniforme, con la posibilidad de encadenar las prioridades de los circuitos periféricos.  Alto grado de programabilidad.  Reloj único.  Fuente de voltaje única de +5 Volts. Un sistema con Z80 se completa con el empleo de memorias estándar de lectura y memorias estáticas o dinámicas de lectura y escritura, además pertenecen al sistema, puertos de entrada y salida paralelo, interfaces de comunicación serie, sistemas contadores temporizadores y circuitos de acceso directo a memoria.

El microprocesador Z80 contiene las siguientes unidades funcionales;

1).- Unidad aritmética y lógica 2).- El contador de programa 3).- El apuntador del stack 4).- Registros de propósito general 5).Registros de índice 6).- Registros de interrupciones 7).Registro de banderas 8).Registro para refrescar memorias dinámicas

LA UNIDAD ARITMÉTICA Y LÓGICA (ALU) Las operaciones del CPU Z80 se realizan con un grupo de dispositivos lógicos conocidos comúnmente como unidad aritmética y lógica (ALU) esta efectúa las siguientes operaciones; 1. Suma binaria. 2. Operaciones lógicas. 3. Complementar a dos. 4. Corrimiento de un bit a la derecha o a la izquierda. 5. Registro de resultados importantes como el acarreo, signo, acarreo auxiliar, paridad o si el resultado es cero. 6. Comparaciones 7. Poner, Limpiar o probar un bit   EL CONTADOR DE PROGRAMA (PC)

Es un registro de 16 bits, que continuamente tiene la dirección de la localidad de memoria siguiente que se va a acezar, de esa localidad obtiene el código de la instrucción a ejecutarse, en la CPU el PC se incrementa en uno, cada vez que el microprocesador lee el código de la instrucción contenida en la localidad

direccionada, de esta forma el contador del programa direcciona secuencialmente las localidades de la memoria ROM, donde se encuentra almacenado el programa.

EL APUNTADOR DEL STACK (SP)

El microprocesador Z80 cuenta con el registro de pila (SP) o stack pointer que contiene una dirección de memoria RAM a partir de la cual y en forma descendente, se almacenan los contenidos de un par de registros, o a partir del cual en forma ascendente se obtienen los últimos dos datos de 8 bits almacenados en esa área, el SP es un registro de 16 bits, para almacenar en el stack el contenido de un par de registros se utiliza la instrucción PUSH y para cargar a un par de registros con los dos últimos bytes del stack se utiliza la instrucción POP. REGISTROS DE PROPÓSITO GENERAL

El microprocesador Z80 contiene 14 registros de 8 bits separados en dos grupos; GRUPO 1; A, B, C, D, E, H, y L GRUPO 2; A', B', C', D', E', H' y L

Todas las instrucciones trabajan con los registros del grupo 1, con las instrucciones EX y EXX se logra el intercambio entre los contenidos de los registros del grupo 1 con los contenidos de los registros del grupo 2, el grupo 2 se utiliza en cierta forma como stack del grupo 1, dentro de la propia CPU. Con los 14 registros de propósito general se efectúan por medio de las instrucciones las siguientes funciones; 1. Recibir datos desde la memoria. 2. Enviar datos hacia la memoria. 3. Incrementar o decrementar en uno su contenido. 4. Formar una dirección con el contenido de un par de registros. 5. Transferir datos entre los registros. 6. Obtener un operando durante las funciones de la ALU.   REGISTROS DE ÍNDICE IX e IY.

Estos son registros de 16 bits cada uno y conservan direcciones base que se usan para modo de direccionamiento indexado, en este modo un registro de índice se usa como base para apuntar a una región de la memoria. La dirección efectiva de la localidad de memoria a donde se va a depositar el dato o de donde se va a leer, se obtiene, al sumar el contenido del registro de índice y el valor de 8 bits contenido en el campo de "desplazamiento" de las instrucciones que emplean direccionamiento con índice, estos desplazamientos se especifican con números enteros signados con el complemento a dos.

REGISTRO DE INTERRUPCIONES

El Z80 opera en modo de interrupción en el que responde como una "llamada" indirecta en respuesta a una solicitud de interrupción. El registro I se usa para este propósito almacenando los 8 bits más significativos de la dirección indirecta mientras que el dispositivo que interrumpe proporciona los 8 bits menos significativos de la dirección índice, esta característica permite que las rutinas servicio de las interrupciones se localicen en cualquier parte de la memoria y que se puedan acezar en un tiempo muy corto. BANDERAS DE ESTADO

El microprocesador Z80 tiene un registro de 8 Flips Flops, para monitorear ciertos resultados de las operaciones de la ALU, a la información que almacenan estos flips-flops se conoce como banderas de estado, las banderas se actualizan después de cada operación con alguno de los registros, no todas las operaciones modifican a todas las banderas, de los 8 bits del registro de banderas, únicamente seis registran información útil para el programador, cuatro de estas banderas se prueban, esto es, se usan como condiciones de salto (JP), llamada (CALL), o regreso (RET), estas banderas son;   1. La paridad o sobre flujo (P/V). El registro "P" se utiliza para realizar funciones auxiliares necesarias para el usuario, le sirven para interpretar los resultados, es uno cuando el resultado de la operación lógica del complemento a dos produce un acarreo, de otra forma es un cero lógico. 2. SIGN (S); Set if into the result of ALU operation the most significant bit = 1, otherwise reset. 3. ZERO (Z); Set if result of ALU operation is zero otherwise it is reset. 4. AUXILIARY CARRY; Set if carry out results b3 into b4 otherwise reset. 5. CARRY (C); Set if result of addition or subtraction operation result in a carry or borrow of the highest order bit, otherwise reset.

DESCRIPCIÓN DE TERMINALES El microprocesador Z80 está integrado en una pastilla de 40 pines.

Estos terminales pueden agruparse funcionalmente como muestra la siguiente figura:

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Bus de direcciones El bus de direcciones está formado por 16 líneas que van desde la línea A0 hasta la línea A15. Estas líneas poseen 3 estados, de modo que cuando el bus de direcciones está inactivo, ellos se encuentran en un estado de alta inpedancia. Cuando el procesador maneja dispositivos de I/O, las 8 líneas menos significativas de este bus contienen la dirección del dispositivo, la cual puede tener un valor entre 0 y 255 (d). Por otro lado, las líneas menos significativas de este bus contienen, durante un lapso en ejecución da cada instrucción, el valor presente en el registro de Refresh de memoria R.

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Bus de data El bus de datos está formado por 8 líneas que van desde la línea D0 a la línea D7. Este bus es bidireccional permitiendo la transferencia de información desde la CPU hacía la memoria o dispositivos de I/O y viceversa. Es tambíen un bus de 3 estados.

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Alimentación El microprocesador Z80 requiere solamente de 2 líneas de alimentación 0 y 5 V, con un margen de 5%, y consume una corriente máxima de 200 mA.

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Señales de Reloj El Z80 requiere solamente una señal de reloj. La frecuencia de esta señal Ø para el Z80 es de 4[MHhz].

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Señales de control

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Control de los buses. La CPU posee dos señales asociadas con el control de los buses de dirección y datos. Estas señales son la señal de entrada BUSRQ y la señal de salida Busak La señal BUSRQ es generada por un dispositivo externo para obtener el control de los buses y realizar una operación de acceso directo a memoria. Cuando un dispositivo externo solicita el control de los buses colocando en 0 la línea BUSRQ, el procesador concluye la instrucción que estaba ejecutando y responde mediante la señal de reconocimiento BUSAK.

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Colocando la señal de salida Busak en 0, el procesador informa al dispositivo externo que el bus de dirección, el bus de datos y las señales de control de salida se encuentran en estado de alta impedancia y en consecuencia, se encuentran libres para ser controladas por dicho dispositivo. Control de la memoria El Z80 posee 4 señales relacionadas con las operaciones de control de la memoria. Ellas son las señales MREQ, RD, WR y RFSH.

La señal MREG es una señal de 3 estados que se activa en 0 indicando que el bus de direcciones contiene una dirección válida. La señales RD y WR indican a la memoria si la CPU efectuará una operación de lectura o escritura. La señal RFSH no está asociada con la operación normal de la memoria sino que se usa solamente con memoria dinámica. Las memorias dinámicas requieren que se refresque periódicamente la información almacenada antes que se degrade.

Control de memoria MREG RFSH RD WR Leer memoria 0 0 Escribir en memoria 0 0 Ciclo de refresco (7 bits) 0 0

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Control de I/O La CPU usa la señal IORQ' para informar a los dispositivos de I/O que los 8 bits menos significativos del bus de direcciones contienen una dirección de I/O válida.

Control de I/O IORQ' RD WD Leer dispositivo I/O 0 0 Escribe dispositivo I/O 0 0

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Control de las Interrupciones El microprocesador Z80 posee dos líneas de entrada a través de las cuales un dispositivo externo puede solicitar la interrupción del programa que se está ejecutando y la ejecución de una rutina que maneje dicha interrupción. Estas líneas son la NM I y INT'.

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Señales Misceláneas. En este grupo se encuentran las señales M1', RESET, WAIT y HALT. La señal RESET es una señal de entrada a la CPU y que se activa (se coloca en 0) para efectuar una operación de reset general. Esta señal es puesta en cero en los microcomputadores que usan este microprocesador, inmediatamente después que se aplica la energía y cada vez que se resetea el sistema. Cuando se activa la señal RESET, las interrupciones quedan en modo 0, los registros R e I quedan también en cero y el Program Counter carga la dirección 000H. La señal WAIT es una señal asociada con memorias o dispositivos de I/O lentos. Mientras, la señal Wait esté en cero, la CPU no hace nada esperando la respuesta de la memoria o del dispositivo de I/O lento. Finalmente, la señal HALT es una señal que se activa (se pone en cero) cuando se ejecuta una instrucción HALT. Cuando el microprocesador está en estado HALT realiza solamente instrucciones NOP (No operation) para asegurar el adecuado refresh de memoria. Se puede salir de este estado solo mediante interrupciones.