传奇嵌入式芯片，Z80即将开源

原创电子工程世界 2024-05-13 07:01 783浏览 0评论 0点赞

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Z80作为诞生于48年前的芯片，不仅曾经是苹果电脑、TI-84 Plus CE图形计算器的核心，也曾驱动过世嘉SG-1000、任天堂Game Boy Color等游戏机，并开枝散叶到大量的衍生产品中。

直到现在，Z80仍然没有“退役”，依然存在大量应用，甚至包括飞机、军工。

这一颇有传奇色彩的芯片，在最近宣告了生命周期的终极。Zilog目前是Ixys和Littelfuse的一部分，该公司上个月末发布通知，因为老旧的Z80架构无法与8位元RISC和低成本的32位元嵌入式处理器竞争，Zilog决定停止生产Z80系列。晶圆代工制造商将于6月中旬停止接受新的Z80芯片订单，意味着Z80即将退出历史舞台。

可停产，意味着大量应用短时间就要找到替代品。为了让这些应用快速替代现有Zilog的Z80方案，并将Z80的设计继续延续下去，最近，开源和硬件保护社区正在开发Z80的免费开源芯片 (FOSS) 替代品。

付斌｜作者

电子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品

开源的Z80，来了

随着原始Z80双列直插式封装（DIP）微控制器的生命周期结束，Z80微控制器的硅验证、引脚兼容且开源的版本正在构建中。

芯片设计师Renaldas Zioma表示，现在是开源和硬件保护社区介入的时候了，用免费和开源硅（FOSS）替代Zilog Z80。

目前，开源版本设计已经可以在Github上获得，网址为github.com/rejunity/z80-open-silicon。

据了解，FOSS设计首次制造（第一次迭代）计划于2024年6月进行，并作为CI 2406航天飞机的一部分。使用Tiny Tapeout公司下一代多项目晶圆代工服务（MPW），采用130nm工艺，芯片尺寸仅0.064 mm2。此外，Tiny Tapeout 7将于6月进入晶圆厂。

该设计使用Z80的现代、免费和开源硅克隆，该克隆将经过硅验证且引脚兼容。它使用 OpenROAD开源EDA和FOSS 130 nm Skywater PDK来合成量产就绪的硅。

该实现基于Guy Hutchison的TV80 Verilog内核。

下面是FOSS Z80 GDSII集成电路布局图。它是在OpenROAD中使用130 nm“门”逻辑元件进行自动布局和布线流程的结果。

Z80的前世今生

Z80的历史可以追溯到20世纪70年代中期，当时微处理器技术正处于快速发展阶段。Z80作为这一时期的代表性产品之一，设计初衷是为了提供一种强大且高效的微处理器解决方案，以满足当时日益增长的计算需求。

Zilog的创建源于单芯片微处理器的竞争。Federico Faggin，作为Zilog的主要创始人之一，曾经开发了被普遍认为是第一个商用单芯片微处理器的4位元英特尔4004，以及8位元英特尔8008，并在后续处理器——4040和8080的改进中发挥了重要作用。特别是1974年推出的8080，它是首个性能强大的8位元微处理器，能够直接寻址64K的RAM，并且其接口比英特尔之前的微处理器芯片更为简便。

然而，Faggin对于微处理器的期待超越了当时英特尔的目标。据说，英特尔更专注于销售静态RAM和ROM，基本上将微处理器视为一种促进更多存储芯片销售的手段，而非一种有价值的独立产品。因此，Faggin在1974年末离开了英特尔，随后与Ralph Ungermann一同创立了Zilog。

Z80是Zilog公司的首个产品，作为8位微处理器，Z80的设计始于1975年，由Federico Faggin领导的一小组工程师在Zilog公司内展开。他们基于之前的经验和对市场的深入了解，开始了Z80的设计工作。在设计过程中，他们特别注重提高处理器的性能和指令集的丰富性，同时保持其相对较小的尺寸和较低的功耗。

第一个工作样品于1976年3月交付，而Z80于1976年7月正式投放市场。Zilog公司通过Z80建立了自己的芯片工厂，并在接下来的两年里发展到了超过一千名员工。

简单来说，Zilog的Z80是Intel 8080的软件兼容扩展和增强版，主要面向嵌入式系统。尽管主要用于嵌入式系统，Z80还是从1970年代到1980年代中期成为台式计算机和家用计算机中最广泛使用的CPU之一。此外，它在军事应用、音乐设备如合成器（如Roland Jupiter-8），以及1970年代末和80年代初的投币式街机游戏（包括吃豆人）中也非常常见。

Z80一经推出，便迅速在市场上取得了成功。随着技术的不断进步和市场需求的不断变化，Z80也经历了多次改进和升级。其中，一些重要的改进包括增加指令集、提高主频、增强存储管理功能等。这些改进使得Z80能够更好地适应各种应用需求，并保持其在市场上的领先地位。

Z80改变过什么行业

在1970年代末和1980年代初，Z80掀起了电脑和游戏的革命。那时候Z80微处理器被广泛用于大量山寨的商业机器中，这些机器都搭载了CP/M操作系统，这种组合在当时的市场上占据了主导地位。运行CP/M的Z80商用计算机的四个典型机器包括Heathkit H89、便携式Osborne 1、Kaypro系列和Epson QX-10。

这个时期，Z80同时作为扩展卡引入了家用计算机，它们使用 Z80 作为主处理器或作为插件选项，以方便访问为 Z80 编写的软件。

Heathkit H89 PC

1980年～1990年末，那时候还没有笔记本电脑的概念，Z80也曾经进入过越来越便携的电脑中。随着CMOS版本处理器出现，Z80在更轻的电池供电设备中的使用变得更加普遍，同时它启发了其它基于CMOS的处理器开发。

1981年～1985年，夏普PC-1500、改良Z80 PC-1600、Epson PX-8 Geneva、PX-4、Bondwell-2接连面世，它们是像台式机一样运行CP/M操作系统的笔记本电脑，不过随后几年，笔记本电脑迅速转向更强大的英特尔8086处理器和MS-DOS操作系统。

夏普PC-1500

1988年，Z80被引入更为轻量级的系统，比如1988年的Cambridge Z88和1992 年的Amstrad NC100 。Z80衍生的Z8S180也进入了早期的笔式个人数字助理，比如，1993年的Amstrad PenPad PDA600。

Amstrad PenPad PDA600

围绕着Z80内核，德州仪器 (TI) 也生产过一系列的产品，其中第一个是TI PS-6200 ，经过几十个型号的长时间生产运行，最终形成了他们的PocketMate系列。

TI PS-6200

当然，Z80渗透最大的领域是嵌入式，其中非常具有开创性的产品就包括音乐合成器Prophet-5、第一个 MIDI 合成器Prophet 600、卡西欧视频游戏机PV-1000、《吃豆人》游戏街机、Sega Master System、Sega Game Gear游戏机、TI-81、TI-82、TI-84、TI-85、TI-84 Plus CE系列图形计算器、“AON”苏联固定电话采用了Z80。

TI-84 Plus CE图形计算器

Z80克隆和衍生的产品更无数。克隆品比较典型的包括Mostek为Zilog生产了第一个Z80，克隆生产了 MK3880；东芝制造了CMOS版本的TMPZ84C00，这是与Zilog用于其自己的CMOS Z84C00 的设计相同；苏联制造了Z80的几个克隆版本-T34BM1；在东德，生产了未经许可的复制品，称为U880；Sharp和NEC分别克隆生产了NMOS Z80、LH0080（用于夏普等日本厂商生产的各种家用电脑和个人电脑，包括索尼 MSX电脑，以及夏普MZ系列的多款电脑）和μPD780C。

衍生品分类多种类型：与原装Z80兼容包括日立开发了HD64180、东芝开发了84针Z84013/Z84C13和100针Z84015/Z84C15系列的“智能外设控制器”、川崎（日本上市的跨国）开发了二进制兼容的KL5C8400、NEC μPD9002、炬力的音频处理器系列芯片ATJ2085、National Semiconductor NSC800；不兼容的包括东芝TLCS 900系列、NEC 78K系列微控制器；部分兼容的包括Rabbit 2000/3000/4000微处理器/微控制器、NMOS Z800和 CMOS Z280、某些街机游戏如Pang / Buster Bros使用由VLSI Technology制造的加密“歌舞伎”Z80 CPU 。

告别后的未来

32位嵌入式时代，8位元RISC的Z80的确越来越没有竞争力，而且Z80在国内似乎一直都不太火，不过它本身的确拥有很大的价值，值得人们去深度挖掘。

具体来说，Z84C0006VEG - Z84C0006PEG - Z84C001PEG - Z84C0008AEG - Z84C0020VEG - Z84C0008PEG - Z84C0010AEG - Z84C0010VEG00TR - Z84C0020AEG - Z84C0020PEG - Z84C0006AEG Zilog将接受最后订单直到2024年6月14日。

在此之后，Z80的痕迹其实还是会留存的。因为Z80软核心（soft cores）可用于FPGA中实现，而eZ80是一种增强的架构衍生嵌入式处理器，与Z80代码兼容，但在内存寻址和接口上更快、更现代。更重要的是，Z80开源版本也能够带来巨大动能。

传奇的嵌入式芯片，停产了，但它不会从此消失，而是以另一个方式，永远地服务着每一个嵌入式设备。

参考文献

[1] EENews：Open source Z80 to replace end of line chip

[2] EETimes：已生产近50年，传奇CPU Zilog Z80将于今年6月停产

[3] https://github.com/rejunity/z80-open-silicon?tab=readme-ov-file

[4] https://archive.computerhistory.org/resources/text/Oral_History/Zilog_Z80/102658073.05.01.pdf

[5] OpenFPGA：穿越时空的爱恋-Z80 CPU的前世今生

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