Zilog Z80微处理器迎来50周年

背景

1976年7月，Zilog Z80处理器正式发布，距今已满50年。当时距离人类最后一次登月（1972年）不到4年，距离二战结束比距离今天更近，大致处于肯尼迪遇刺（1963年）与柏林墙倒塌（1989年）的中点，比朝鲜战争（1950‑1953年）更接近如今，但比“9·11”事件（2001年）还要早得多——而“9·11”本身已是25年前的事了。

Z80极为成功，广泛应用于大量8位微型计算机，包括早期个人电脑、家庭及爱好型计算机，以及众多嵌入式、工业应用。它与二进制兼容的Intel 8080和8085一起，共同为8位微处理器创造了事实上的硬件标准，进而催生了CP/M操作系统和Microsoft BASIC这样的事实性软件标准。Z80自身也衍生出众多克隆芯片和派生架构，最著名的包括Sharp LR35902（用于初代Game Boy）。Zilog后来放弃了自有16位/32位衍生架构，重新回到基于Z80的微控制器及变体（如流水线、更高主频的eZ80），主要面向工业应用。

原文作者声称自己年纪太小，没有亲历Z80在家庭电脑领域的辉煌（除了前面提到的Game Boy），但它在工业领域的广泛使用意味着原版Z80仍然存活，直到两年前Zilog才正式停产。作者本人第一次接触Z80是在十几岁时，翻阅一家电子公司的目录，惊讶地发现它们仍在销售。于是自己设计了一台Z80小电脑，说服学校老师允许夜间使用摄影暗房来蚀刻PCB。几位老师好奇他在做什么，作者因此听到了许多关于老式家用电脑、游戏机的有趣轶事，还有一个关于用Tupperware保鲜盒做成的DIY绕线计算机、运行CP/M和WordStar、连接一台“借来的”IBM终端来写论文的故事。后来作者收到了许多旧芯片当作礼物，包括MCS‑85系列、多个Z80、8085、6502和6522。这段经历教会了他许多系统工程经验，以及一些意想不到的教训（可靠的电源上电复位惊人地困难；写链接器比写汇编器难得多；而写编译器其实是可以做到的）。

核心内容

Z80的故事要从更早的Intel 8008说起。当年计算机终端公司（Computer Terminal Corporation, CTC）建造了一款可编程终端Datapoint 2200，其8位处理器由分立TTL芯片构成。Intel当时为CTC提供移位寄存器和存储芯片。有人提议用定制集成电路取代部分TTL“墓地”，最终考虑将整个8位CPU做到单芯片上。CTC委托了两家公司：Texas Instruments和Intel。但两家都没能按时完成设计。当Intel准备好芯片时（最初按系统命名法叫1201），CTC已经基于TTL设计开始销售终端了。CTC的工程师对芯片性能也不满意，并且已经为下一代终端修改了架构。TI最终放弃了设计，而Intel则继续推进并成功将其商业化，版本命名为8008（像4004一样，由市场部门重新命名）。

8008拥有7个寄存器：A、B、C、D、E、H、L。其中A是累加器，其余可用作操作数或临时存储。H和L分别构成内存指针的高低位。通过第8个伪寄存器M访问内存，M表示HL指向的内存字节。处理器内部通过几个标志位（进位、奇偶、零、符号）跟踪ALU状态，并据此执行条件跳转（包括调用和返回）。程序计数器PC几乎从不直接可见。有专门的函数调用和返回指令，但处理器使用一个内部返回地址栈，深度为8层。原因是Datapoint 2200原本计划使用串行内存，将调用栈放在内存中会被视为性能瓶颈。内存地址宽度14位，有独立的I/O地址空间，共32个I/O端口（地址总是立即数，并嵌入操作码中）。中断处理有一个特殊的“重启”指令，可调用地址空间开头8个槽位之一（0x00, 0x08, 0x10, ..., 0x38），槽位索引嵌入RST操作码自身。发生中断时，处理器向外部发出信号表示已收到提示，然后盲目执行数据总线上的当前内容——那应该是一条RST指令。这有点棘手：CPU没有通用堆栈来保存寄存器，所有内存访问都需要HL，但中断处理程序中不能破坏HL。预期的解决方案是通过I/O总线上的外部锁存器作为临时寄存器。总体而言，架构相当简单，约3500个晶体管，采用DIP18封装。地址和数据复用，需要外部锁存。内部译码/执行状态暴露，需要外部译码来驱动锁存器并判断处理器正在做什么（读/写内存还是I/O总线）。处理器需要两相移相时钟（运行在500kHz），+5V正电源和-9V负电源。

8008架构的缺点在开发期间就已为人所知，典型的工程循环：在开发完成之前，改进架构的想法已被提出。Federico Faggin（从4004项目调来）推动开始改进版工作，但管理层坚持先看看市场对两款微处理器的反应。竞争对手陆续宣布他们正在设计8位方案，这些延误最终让Intel损失了9个月的市场领先时间。甚至在项目最终获批之前，Faggin就获准从Busicom招聘Masatoshi Shima来参与8080设计。与CTC参与8008开发类似，Busicom也参与了4004的开发（他们最初想要一组用于计算器的定制芯片）。潜在客户对8008的批评和反馈也影响了8080的设计，并且早期决定放弃二进制兼容。

8080本质上拥有与8008相同的寄存器集，但用外部堆栈（位于内存中，通过栈指针寄存器SP访问）取代了内部返回地址栈。栈指针可以与HL交换或移入/移出，寄存器可以成对入栈/出栈。除了HL，其他寄存器对包括BC、DE和AF（累加器和ALU标志），但8080汇编更喜欢将后者称为“程序状态字”PSW。内存地址提升到完整的16位，提供64KB地址空间。I/O端口是……

（原文在此处中断，但根据上下文，应为8080的I/O端口细节，因原文未完整，我们已知8080有256个I/O端口，通过IN/OUT指令访问，地址空间独立。后续内容作者未写完，但核心内容已足够。）

关键要点

• Z80发布50周年：1976年7月正式发布，距今半个世纪，比许多历史事件更早。
• 广泛应用：从个人电脑、家用电脑到工业嵌入式系统，Z80成为8位微处理器的标杆。
• 与8080/8085的兼容性：共同定义了8位CPU的硬件标准，催生了CP/M和Microsoft BASIC。
• 衍生架构：包括Sharp LR35902（Game Boy）、Zilog自身的eZ80等，至今仍在工业领域使用。
• 起源故事：源自CTC Datapoint 2200终端，Intel 8008（原1201）是第一个尝试