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Z80 は、米国ザイログ社によって製造された 8ビット・マイクロプロセッサーである。1976年に発表され、1980年代の中頃までは、パーソナル・コンピューターのCPUとしてなど、幅広い用途に使用された。以後も周辺デバイスを集積した製品が出されるなど、現在でも組み込み用途等、目に見えないところで多用されている。

◆Z80の概要

嶋正利らインテルを退社した8080の開発スタッフが設計を行っており、8080とはバイナリレベルで上位互換性がある。

ザイログ社オリジナルの製品としてクロック周波数が2.5MHzのZ80から20MHzの派生製品まで、各社からセカンドソースや互換製品が製造されている。現在では実チップではなく、FPGAやASIC用のIPコアとして活用されている。パチンコの主基板向けプロセッサに使われているNECのμPD70008 IPをはじめ、商用の互換コアは20社以上存在し、オープンソースのIPコアも5種類以上存在している。

Z80とその互換CPUは、当初はより高速な8080互換CPUとして応用され、S-100バス互換機にもこぞって搭載されるなど、黎明期のパーソナルコンピューター市場を支配した。日本国内においても、1970年代の末から80年代前半頃にかけて、ビジネス用のオフィスコンピューターなどの他、各社のホビーパソコンにも搭載された。

また組み込み用としては21世紀に至るまで応用され続けて来ており、多数の機器に搭載されたほか、初期のゲーム専用機などにも搭載されていた。パチンコ・パチスロの抽選を司る主基板部分のコアCPUにはZ80ベースのカスタムLSIが使われており、もっとも消費量の多い分野の一つである。

8080が、それと組み合わせられる8251(USART)、8253(CTC/PIT)、8255(PPI)でファミリを構成していたのに対応して、Z80SIO、Z80CTC、Z80PIOや、Z80DMAでZ-80ファミリーを構成する。また、これらを組み合わせたマイコンがある。

開発者の間では、しばしば「ぜっぱち」と略して呼ばれることが多い。しかし、同社ではZ8というCPUもあり、混同されることがある。

◆ハードウェアの仕様

Z80は、インテルの Intel 8080マイクロプロセッサー の改良型といえる製品であり、他のIntel系CPUと同じくリトルエンディアンである。8080に対して、若干のアーキテクチャーの拡張、電源の 5V単一化、より高いクロック周波数への対応などが図られた。メモリー空間は16ビット(64KB)で、それ以上のメモリー空間を操作する場合には、MMUなどを追加しバンク切り替えなどを行う必要がある。

最大クロック周波数は、Z80が2.5MHz版、Z80Aが4MHz版、Z80Bが6MHz版、Z80EもしくはZ80Hが8MHz版、など、末尾のアルファベットの有無と種類で識別する。トランジスター数は8,200個。

8080からのアーキテクチャーの拡張では、DRAMの情報を維持(リフレッシュ)する機能の内蔵とそのためのレジスタの追加、8080では1組だった汎用レジスター群を、切り替えて使用できる表と裏の2組とし、また、IXとIYの2つのインデックスレジスターを使用したメモリー操作を含む命令の増強、割り込みモードの追加、ワイヤードロジックによる命令の実行、などが行われている。乗算・除算命令は8080同様に存在しない。

また、本来16ビット固定のインデックスレジスターを8ビット単位に分割して使用できるなど、ロジックの設計上で派生したとおぼしき、命令表には存在しない隠し命令が存在した。これらの一部はZ280のマニュアル中で正式にドキュメント化されている。

◆アセンブラの仕様

8080に対して上位互換性を持ち、8080用のバイナリーをそのまま実行できるが、アセンブリプログラミングの際に命令を書き表すための「ニーモニック」は、8080のバイナリに対応する命令でもインテル版とザイログ版では全く異なっており、記述の容易さが勘案され、より整理されたものとなった。これは初心者にも判りやすいとされる反面、他のCPUのニモニックと比較して、アドレッシングモードがはっきりしない、という欠点もあった。オペランドの順番は、ディスティネーションが前でソースが後である。

アメリカのSF映画『ターミネーター』の第一作に登場のアンドロイド、ターミネーターからの視点を表現した場面で流れる文字列はZ80のアセンブラである。また日本のSFアニメ『銀河漂流バイファム』のオープニングやメガゾーン23の本編にも、Z80のアセンブリコードが使われている。

◆特徴

8080との差別化のため、命令の1サイクル目(M1サイクル)では他のサイクルに比べて所要ステート数が少なくなっている。通常のサイクルが3ステート必要なのに対しM1サイクルでは2ステートである。仕様を見るとM1サイクルには4ステート必要なように見えるが、後半の2ステートはリフレッシュ機能のために使用され、通常のメモリーアクセスとは関係がない。

これは同じ命令を実行しても8080よりも高速に実行するためのZ80の売りの一つだったが、逆にこのM1サイクルだけのために速いメモリーが必要になり、ハードウェア設計者からは不評を買っていた。

Z80には「特定の命令の組み合わせを用いると、普通に命令を書いた場合よりも実行にかかるクロック数や命令の総バイト数を少なくできる」というテクニックが多数存在し、これらは「最適化」「クロック削り」などと呼ばれた。例えば、Z80にて追加されたブロック転送命令やインデックスレジスタ命令は、一連の処理に必要なプログラムコードのバイト数を節約できる反面、他の命令で代用する場合よりも所要クロック数が増大するといったデメリットもあり、命令のメモリ空間上の占有量と処理速度とのトレードオフの関係にあった。

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