Zilog Z80

Son succès ne tient pas seulement à ses performances. Le processeur rassemble dans un seul circuit plusieurs fonctions qui simplifient la réalisation d’un micro-ordinateur, notamment la gestion des interruptions et le rafraîchissement des mémoires DRAM. De plus, il offre au programmeur un ensemble de registres beaucoup plus riche que celui de l’Intel 8080.

De l’Intel 8080 à la création de Zilog

L’histoire du Z80 commence chez Intel. Federico Faggin participe au développement des premiers microprocesseurs de la société et dirige notamment la conception de l’Intel 4004. Il joue ensuite un rôle majeur dans le développement de l’Intel 8080.

À la fin de 1974, Faggin quitte Intel et fonde Zilog avec Ralph Ungermann. Leur objectif est ambitieux : produire un microprocesseur 8 bits capable d’exécuter les logiciels destinés à l’Intel 8080, tout en proposant une architecture plus complète.

Masatoshi Shima, qui avait déjà travaillé avec Faggin sur les Intel 4004 et 8080, rejoint ensuite Zilog. Il participe directement à la conception logique du nouveau processeur.

Le résultat est le Z80, commercialisé en 1976. Plutôt que de repartir de zéro, Zilog conserve l’essentiel du jeu d’instructions du 8080 et lui ajoute de nombreuses possibilités. Cette compatibilité constitue un avantage décisif : les logiciels existants restent utilisables, tandis que les nouveaux programmes peuvent exploiter les fonctions supplémentaires du Z80.

Un processeur 8 bits avec 16 bits d’adressage

Le Z80 est un microprocesseur 8 bits. Son unité arithmétique et logique ainsi que son accumulateur principal travaillent essentiellement sur des données de 8 bits.

Il possède cependant un bus d’adresses de 16 bits. Avec 16 lignes d’adresse, le processeur peut générer 2¹⁶, soit 65 536 adresses différentes. Son espace mémoire directement accessible est donc limité à 64 Ko.

Cette distinction entre largeur des données et largeur des adresses est importante. Un processeur peut être qualifié de « 8 bits » tout en manipulant des adresses de 16 bits. En pratique, le Z80 travaille donc sur des octets de 8 bits situés dans un espace mémoire de 64 Ko.

Cette limite devient particulièrement visible sur les micro-ordinateurs possédant plus de 64 Ko de mémoire. L’Amstrad CPC 6128, par exemple, possède physiquement 128 Ko de RAM. Pourtant, le Z80 ne peut en voir que 64 Ko simultanément. Des circuits externes utilisent donc un système de commutation de banques pour rendre différentes parties de la mémoire accessibles au processeur.

Les 40 broches du Z80 : comment le processeur communique

Le Z80 se présente notamment sous la forme d’un boîtier DIP à 40 broches. Ces broches constituent les points de contact entre le processeur et le reste de l’ordinateur : mémoire, périphériques, alimentation et circuits de commande.

Le brochage permet de retrouver concrètement l’architecture du processeur. Pour fonctionner, le Z80 doit transmettre des adresses, échanger des données et envoyer ou recevoir différents signaux de commande.

Les lignes d’adresse : A0 à A15

Le processeur possède 16 lignes d’adresse, notées A0 à A15. Elles lui permettent d’indiquer quelle case mémoire il souhaite lire ou modifier.

Avec 16 lignes, il peut former :

2^16 = 65 536 adresses

Il dispose donc d’un espace d’adressage de 64 Ko. Ces lignes sont des sorties : c’est le Z80 qui place l’adresse sur le bus.

Les lignes de données : D0 à D7

Huit autres broches, notées D0 à D7, transportent les données. Comme le Z80 est un processeur 8 bits, il peut échanger un octet à la fois.

Contrairement aux lignes d’adresse, les lignes de données sont bidirectionnelles :

• lors d’une lecture, la donnée entre dans le processeur ;
• lors d’une écriture, la donnée sort du processeur.

Les signaux de commande

Plusieurs broches indiquent au reste de l’ordinateur quel type d’opération le processeur souhaite effectuer.

• RD : lecture ;
• WR : écriture ;
• MREQ : accès à la mémoire ;
• IORQ : accès à un périphérique d’entrée-sortie.

Par exemple, pour lire une donnée en mémoire, le Z80 place d’abord son adresse sur A0 à A15. Il active ensuite MREQ et RD. La mémoire concernée place alors l’octet demandé sur les lignes D0 à D7.

C’est ce mécanisme matériel qui se cache derrière une instruction comme :

LD A,(8000h)

Interruptions et autres signaux de contrôle

Certaines broches permettent au processeur de recevoir des demandes provenant d’autres circuits.

• INT : demande d’interruption masquable ;
• NMI : demande d’interruption non masquable ;
• RESET : réinitialisation du processeur ;
• WAIT : demande au Z80 d’attendre, par exemple lorsqu’un circuit est plus lent.

D’autres signaux sont, au contraire, émis par le processeur. HALT indique notamment que le Z80 se trouve dans l’état HALT. Les signaux BUSRQ et BUSACK permettent quant à eux de céder temporairement les bus à un autre circuit.

Horloge, rafraîchissement et alimentation

Enfin, plusieurs broches remplissent des fonctions spécifiques :

• CLK : reçoit le signal d’horloge qui rythme le fonctionnement du processeur ;
• RFSH : signale un cycle de rafraîchissement de la mémoire DRAM ;
• M1 : indique notamment le début d’un cycle de lecture d’instruction ;
• +5 V : alimentation du Z80 classique ;
• GND : masse.

Les signaux actifs à l’état bas

Dans les documentations techniques, plusieurs signaux du Z80 sont représentés avec une barre au-dessus de leur nom. Sur certains schémas modernes, on utilise à la place une barre oblique, par exemple /RD ou /MREQ.

Cette notation signifie que le signal est actif à l’état bas. Autrement dit, la fonction est déclenchée lorsque le niveau logique vaut 0.

Par exemple, lorsque /RD passe à 0, le processeur demande une lecture.

Le brochage complet

Ainsi, le brochage montre qu’un microprocesseur n’est pas seulement une unité de calcul abstraite. C’est aussi un composant physique qui échange en permanence des adresses, des données et des signaux de commande avec le reste de la machine.

Les registres : le cœur de la programmation du Z80

Une grande partie de la richesse du Z80 vient de son nombre de registres. Situées directement dans le processeur, ces petites zones de stockage sont beaucoup plus rapides d’accès que la mémoire principale.

L’accumulateur A

Le registre A, ou accumulateur, est utilisé dans de nombreuses opérations arithmétiques et logiques. On peut, par exemple, y charger une valeur, effectuer une addition puis enregistrer le résultat en mémoire.

LD A,5
ADD A,3
LD (8000h),A

Après l’instruction ADD A,3, l’accumulateur contient la valeur 8.

Le registre F et les indicateurs

Le registre F contient les indicateurs, ou flags, qui décrivent le résultat de certaines opérations. Parmi eux figurent notamment la retenue C, le zéro Z, le signe S et l’indicateur de dépassement ou de parité P/V.

Ces bits permettent ensuite au programme de prendre des décisions. Après une comparaison, une instruction conditionnelle peut, par exemple, effectuer un saut uniquement si le résultat est nul.

Les paires BC, DE et HL

Les registres B, C, D, E, H et L contiennent chacun 8 bits. Toutefois, ils peuvent être associés deux par deux pour former trois paires de 16 bits : BC, DE et HL.

Cette organisation facilite notamment la manipulation des adresses mémoire. Le registre HL est très souvent utilisé comme pointeur vers une donnée.

LD HL,8000h
LD A,(HL)

La première instruction place l’adresse 8000h dans HL. La seconde lit l’octet situé à cette adresse et le place dans l’accumulateur A.

Un deuxième jeu de registres

Le Z80 possède une caractéristique assez originale : plusieurs de ses registres généraux disposent d’un jeu alternatif.

Aux registres AF, BC, DE et HL correspondent AF’, BC’, DE’ et HL’. Ces registres alternatifs ne constituent pas une seconde banque directement manipulable. Des instructions permettent plutôt d’échanger rapidement leur contenu avec celui du jeu principal.

L’instruction EX AF,AF' échange AF avec AF’. De son côté, EXX échange simultanément BC, DE et HL avec BC’, DE’ et HL’.

Cette organisation est notamment utile dans une routine d’interruption. La routine peut travailler avec le jeu alternatif sans écraser immédiatement les valeurs du programme interrompu. Dans certains cas, elle évite ainsi plusieurs sauvegardes sur la pile.

Le changement n’est cependant pas automatique. La routine doit elle-même exécuter EXX et, si nécessaire, EX AF,AF'. Avant de rendre la main au programme principal, elle effectue les échanges inverses.

IX et IY : deux registres d’index

Le Z80 ajoute deux registres de 16 bits absents de l’architecture classique de l’Intel 8080 : IX et IY.

Ils servent principalement à l’adressage indexé. Une instruction peut ainsi accéder à une donnée située à une certaine distance d’une adresse de base contenue dans IX ou IY.

LD IX,8000h
LD A,(IX+5)

Ici, le processeur lit l’octet situé cinq positions après l’adresse contenue dans IX, donc à l’adresse 8005h.

Ce mécanisme facilite notamment la manipulation de tableaux, de structures de données et de zones mémoire organisées autour d’une adresse de référence.

PC et SP : exécuter le programme et gérer la pile

Deux autres registres de 16 bits jouent un rôle fondamental : PC et SP.

Le Program Counter, ou PC, contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. À mesure que le processeur lit le programme, cette adresse progresse automatiquement. Les sauts, appels de sous-programmes et retours peuvent cependant modifier directement sa valeur.

Le Stack Pointer, ou SP, indique le sommet de la pile. Cette pile est stockée en mémoire vive et sert notamment à conserver temporairement des valeurs, des adresses de retour ou le contenu de certains registres.

PUSH BC
...
POP BC

PUSH BC place le contenu de BC sur la pile. Plus tard, POP BC permet de le récupérer. Ce mécanisme est notamment utilisé pour préserver les registres pendant l’exécution d’une routine.

Deux registres particuliers : I et R

Le Z80 possède également deux registres spécialisés, appelés I et R. Contrairement à A ou HL, ils ne servent pas directement aux calculs ordinaires.

Le registre I : retrouver une routine d’interruption

Le registre I est principalement utilisé dans le mode d’interruption IM 2.

Lorsqu’un périphérique déclenche une interruption, le processeur doit retrouver en mémoire l’adresse de la routine chargée de la traiter. Dans ce mécanisme, le registre I fournit la partie haute de l’adresse utilisée pour consulter une table de vecteurs.

On peut donc retenir simplement : I aide le Z80 à retrouver où aller lorsqu’une interruption IM 2 survient.

Le registre R : rafraîchir la mémoire DRAM

Le registre R participe au rafraîchissement de la mémoire DRAM.

Les cellules d’une DRAM perdent progressivement leur charge électrique. Elles doivent donc être relues ou rafraîchies régulièrement pour conserver leurs bits. Pendant son fonctionnement, le Z80 fait évoluer automatiquement le registre R et génère les cycles nécessaires à ce rafraîchissement.

Cette tâche est réalisée en grande partie automatiquement pendant l’exécution du programme. À l’époque, cette fonction représente un avantage important : les constructeurs ont besoin de moins de circuits externes pour utiliser de la mémoire dynamique.

Les interruptions : quand un périphérique demande l’attention du processeur

Une interruption permet à un périphérique ou à un circuit de signaler au Z80 qu’un événement doit être traité.

Par exemple, un contrôleur peut indiquer qu’une donnée est disponible. Le processeur suspend alors momentanément le programme en cours, exécute une routine chargée de traiter l’événement puis reprend son travail.

Le Z80 possède deux types principaux d’interruptions :

• INT : interruption normale, que le processeur peut temporairement désactiver ;
• NMI : interruption non masquable, qui reste prioritaire et ne peut pas être désactivée de la même manière.

Les trois modes INT

Pour les interruptions reçues sur l’entrée INT, trois modes sont disponibles :

• IM 0 : le périphérique fournit une instruction que le processeur exécute ;
• IM 1 : le Z80 se rend toujours à l’adresse fixe 0038h ;
• IM 2 : le processeur utilise une table de vecteurs pour retrouver la routine correspondant à l’interruption.

Le mode IM 2 est particulièrement souple lorsqu’un système doit gérer plusieurs sources d’interruption, car différentes routines peuvent être utilisées.

On peut retenir l’idée générale ainsi : une interruption permet à un circuit extérieur de demander momentanément l’attention du processeur.

Un jeu d’instructions plus riche que celui du 8080

Le Z80 conserve la possibilité d’exécuter le code machine destiné à l’Intel 8080, mais il ajoute de nombreuses instructions.

Il propose notamment des opérations sur les bits, des rotations et décalages supplémentaires, des instructions utilisant IX et IY ainsi que des opérations capables de traiter automatiquement des blocs de mémoire.

L’instruction LDIR est particulièrement représentative. Elle permet de recopier une série d’octets d’une zone mémoire vers une autre en répétant automatiquement le transfert.

LD HL,8000h
LD DE,9000h
LD BC,0100h
LDIR

Dans cet exemple, HL contient l’adresse de départ, DE l’adresse de destination et BC le nombre d’octets à copier. La valeur 0100h correspond à 256 octets.

D’autres instructions permettent également de rechercher une valeur en mémoire ou de répéter automatiquement certaines opérations d’entrée-sortie.

Un espace d’entrées-sorties distinct

Le Z80 peut communiquer avec les périphériques sans utiliser directement l’espace mémoire principal. Il dispose pour cela d’instructions spécifiques, notamment IN et OUT.

Ainsi, les périphériques disposent d’un espace d’entrée-sortie distinct, tandis que les 64 Ko de l’espace mémoire restent disponibles pour la RAM et les ROM.

IN A,(F5h)
OUT (7Fh),A

Le rôle exact de ces ports dépend de l’ordinateur dans lequel le Z80 est installé. Sur un Amstrad CPC, par exemple, plusieurs circuits utilisent certaines adresses d’entrée-sortie pour communiquer avec le processeur.

Du Z80 à 2,5 MHz aux versions plus rapides

Le premier Z80 commercialisé en 1976 fonctionne à une fréquence maximale d’environ 2,5 MHz. Zilog développe cependant rapidement des versions plus rapides.

• Z80 : environ 2,5 MHz pour la version originale ;
• Z80A : jusqu’à 4 MHz ;
• Z80B : jusqu’à 6 MHz ;
• Z80H : jusqu’à 8 MHz.

Les versions CMOS ultérieures de la famille Z84C00 atteignent ensuite des fréquences supérieures tout en consommant moins d’énergie.

La fréquence ne suffit toutefois pas à comparer les performances de deux ordinateurs. Le nombre de cycles nécessaire à chaque instruction, la vitesse de la mémoire, le circuit vidéo et les éventuels temps d’attente imposés au processeur jouent également un rôle important.

Exemple : comment lire les inscriptions d’un Z80

Les inscriptions présentes sur le boîtier permettent souvent d’identifier précisément la version d’un processeur. Voici, par exemple, un Z80 provenant d’un ordinateur Amstrad.

Le marquage principal est :

Z0840004PSC

Z08400 désigne un processeur de la famille Z80. Il s’agit ici d’une version NMOS, technologie utilisée pour les Z80 classiques. Les versions CMOS plus récentes utilisent la désignation Z84C00.

Le NMOS utilise principalement des transistors à canal N et consomme relativement beaucoup d’énergie. Le CMOS combine des transistors N et P, ce qui réduit fortement la consommation électrique.

Le nombre 04 indique une fréquence maximale de 4 MHz. Cette classe de vitesse correspond à la version couramment appelée Z80A.

La référence Z0840004PSC correspond ici à un processeur en boîtier plastique DIP à 40 broches, caractéristique des Z80 utilisés dans de nombreux micro-ordinateurs de cette époque.

Une seconde inscription apparaît sur le composant :

8751

Il s’agit d’un code de date de type YYWW : les deux premiers chiffres indiquent l’année et les deux suivants la semaine de production ou d’assemblage.

87 → 1987
51 → 51e semaine

Cet exemplaire date donc de la 51e semaine de 1987, soit de la fin de l’année.

En quelques caractères inscrits sur le boîtier, on peut ainsi identifier un Zilog Z80 NMOS, version 4 MHz, en boîtier DIP 40 broches, produit à la fin de 1987.

Le Z80 dans les micro-ordinateurs

Le succès du Z80 accompagne directement l’explosion de la micro-informatique à la fin des années 1970 et au début des années 1980.

Aux États-Unis, le TRS-80 Model I de Radio Shack, commercialisé en 1977, contribue à faire connaître le processeur. Au Royaume-Uni, Sinclair l’utilise ensuite dans les ZX80, ZX81 puis dans le célèbre ZX Spectrum.

Au Japon et dans de nombreux autres pays, le Z80 devient également l’un des processeurs associés au standard MSX.

En France et en Europe, Amstrad l’utilise dans toute sa première gamme CPC : le CPC 464, le CPC 664 puis le CPC 6128.

Le constructeur britannique l’emploie également dans la famille PCW, davantage orientée vers le traitement de texte et les usages professionnels.

Le Z80 et CP/M

Le Z80 est étroitement associé à CP/M, l’un des principaux systèmes d’exploitation pour micro-ordinateurs professionnels avant la généralisation du PC IBM.

CP/M avait initialement été développé pour les processeurs Intel 8080. Grâce à sa compatibilité, le Z80 peut donc exécuter une grande partie de cet important catalogue de logiciels.

Des ordinateurs comme les Kaypro, Osborne et Amstrad PCW utilisent cette combinaison. Le Z80 devient ainsi une plateforme commune pour les traitements de texte, langages de programmation, bases de données et nombreux utilitaires professionnels.

Cette compatibilité logicielle constitue l’une des raisons majeures de sa diffusion. Choisir un ordinateur équipé d’un Z80 ne signifie pas nécessairement repartir de zéro : une grande partie de l’écosystème développé autour du 8080 et de CP/M reste disponible.

Une durée de vie industrielle exceptionnelle

La carrière du Z80 dépasse largement celle des micro-ordinateurs qui l’ont rendu célèbre. Après les années 1980, son architecture continue d’être employée dans des équipements industriels, des systèmes embarqués et de nombreux appareils électroniques.

Zilog poursuit également l’évolution de la famille avec des processeurs comme le Z180 puis l’eZ80. Ces modèles conservent une partie de l’héritage logiciel et architectural du Z80 tout en ajoutant de nouvelles capacités.

La production des derniers processeurs autonomes classiques de la famille Z84C00 arrive finalement à son terme en 2024. Zilog met ainsi fin à une gamme commercialisée pendant près de 48 ans.

Cet arrêt ne signifie toutefois pas la disparition de l’architecture. Des millions de machines historiques utilisent encore le Z80, tandis que des implémentations compatibles continuent d’être étudiées, émulées ou reproduites.

Pourquoi le Z80 est-il si important ?

Le Z80 ne doit pas son importance à une innovation unique. Son succès résulte plutôt d’une combinaison particulièrement efficace de choix techniques et commerciaux.

D’abord, sa compatibilité avec l’Intel 8080 lui donne accès à un environnement logiciel déjà existant. Ensuite, il apporte davantage de registres, deux registres d’index, un jeu alternatif, de nombreuses instructions supplémentaires et plusieurs modes d’interruption.

De plus, certaines fonctions intégrées, comme le rafraîchissement des mémoires DRAM, simplifient la conception matérielle. Les constructeurs peuvent ainsi réaliser des micro-ordinateurs avec moins de circuits supplémentaires.

Enfin, son immense diffusion crée un cercle vertueux : plus les fabricants adoptent le Z80, plus les programmeurs connaissent son langage machine et plus les outils et logiciels deviennent nombreux.

Du TRS-80 au ZX Spectrum, des systèmes CP/M aux Amstrad CPC, le Z80 devient ainsi l’un des processeurs qui définissent la micro-informatique 8 bits.

Caractéristiques principales

Sources

• Zilog, Z80 CPU User Manual, documentation technique officielle.
• Zilog, Z8400/Z84C00 Z80 CPU Product Specification.
• Computer History Museum, archives consacrées à Federico Faggin, Masatoshi Shima, Zilog et au Z80.
• Zilog / Littelfuse, avis de fin de production de la famille Z84C00, 2024.

Photo de couverture : Gennadiy Shvets — Wikimedia Commons, licence CC BY 2.5.