El camino a los ordenadores personales: El procesador Z80 de Zilog

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Índices: El camino al O.P.       Historia de la Informática

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El padre de los procesadores fue Federico Faggin, diseñador principal de Intel para los 4004, 8008 y 8080. Nacido en la ciudad de Vicenza, en Italia, en el año 1941, estudió electrónica en su ciudad acabando como el mejor alumno del centro, y pasó a trabajar en Olivetti, donde diseña un ordenador experimental con 4Kb de memoria de núcleos magnéticos. Siguió en Italia como profesor en la Universidad de Padua, donde también estudió Física acabando con sobresaliente cum-laude, y luego alcanzando un doctorado. En 1967 pasa a SGS-Fairchild (ahora STMicroelectronics), donde desarrolló el proceso de fabricación MOS (Metal Óxido Semiconductor) y diseñó los dos primeros circuitos integrados comerciales de la SGS.

Faggin y Tom Klein trabajando en SGS en 1967 (fuente: computerhistory.org)

En 1968 emigra a los Estados Unidos, continua en el centro de desarrollo de Fairchild Semiconductors en Palo Alto, California, desarrollando la tecnología MOS de puertas de silicio auto-alineadas, diseñando el primer circuito integrado comercial MOS de la historia, el Fairchild 3708, un multiplexor analógico de 8 bits. Luego desarrolló procesos de canal-P y canal-N, trabajando con CMOS y BiCMOS, lo que posibilita el desarrollo de los chips LSI y VLSI, siendo el primero en fabricar a gran escala chips fiables de alta velocidad, a bajo coste. Siguió trabajando en el desarrollo de memorias RAM.

En 1970 pasa a Intel, en ese momento un fabricante de memorias RAM dinámicas (único departamento para el que no desarrolló nada Faggin), en la que dirigió el diseño físico del primer microprocesador comercial de la historia, el Intel 4004 de 4 bits, junto a sus chip de apoyo. Durante 1971-72 dirigió el equipo que diseñó físicamente el primer microprocesador comercial de 8 bits, el Intel 8008. Luego entre 1972-74 diseñó la arquitectura y supervisó el diseño del Intel 8080, el primero de 8 bits con potencia suficiente para fabricar ordenadores personales. Fue el responsable de fabricar para Intel mas de 25 chips diferentes, incluyendo la primera RAM estática de alta velocidad, la Intel 2102A de 1024 bits (128bytes) de capacidad, que solo necesitaba 5V para su funcionamiento.

Arquitectura interna (fuente: Appaloosa)

En 1974, una vez completado el desarrollo y puesto en producción el 8080, abandona Intel y funda su propia empresa, Zilog, donde trabaja dos años para sacar al mercado el procesador de 8 bits mas popular de la historia, ya que es el procesador de 8 bits que mas cantidad de máquinas diferentes han usado, y del que mas unidades se han vendido nunca.

El Z80 es un procesador compatible a nivel de código con el 8080 (no hace falta volver a compilar el programa para que funcione), aunque lo mejora ampliamente, por lo que fue rápido adaptar programas diseñados para el 8080, como el CP/M, y desbancó rápidamente al 8080 del mercado. Según la publicidad de Zilog, el Z80 tenía una serie de mejoras fundamentales sobre el Intel 8080:

• Alimentación única de 5 voltios, el 8080 necesitaba tres.
• Usaba un único reloj a 5voltios, contra los dos del 8080 a 12voltios, y además era mas rápido, 400ns contra 500ns.
• Necesidad de menos circuitos auxiliares, tanto para la generación de la señal de reloj como para el enlace con la memoria y la Entrada/Salida, incluyendo internamente un registro específico para el refresco de las memorias RAM dinámicas.
• Disponía de 3 niveles de manejo de interrupciones incluyendo una NMI, en contra de la única del 8080.
• Un conjunto de instrucciones mejorado (el 8080 disponía de 78, el Z80 de 158), con mas modos de direccionamiento (11 contra los 7 del 8080), lo que hacia que los 244 op-codes del 8080 se convirtieran en 696 en el Z80.
• Entre las nuevas instrucciones destacaba las de manejo rápido de la memoria, con movimiento de bloques, E/S de bloques y búsqueda de bytes, y nuevas instrucciones de manipulación de bits.
• A nivel de registros de trabajo pasaba de 8 a 17, para alcanzar un total de 24 registros, añadía nuevos registros índice IX e IY, junto a nuevas instrucciones para su manejo, y una característica nueva, disponía de dos bancos de registros gemelos, aunque solo podía trabajar con uno, pero podían ser intercambiarlos de forma rápida para acelerar la respuesta a interrupciones. 
• Era más barato que el Intel 8080.

Anuncio comparativo Intel 8080 / Zilog Z80 (fuente:swtpc.com)

Las primeras versiones funcionaban a 2,5 MHz, pero la versión más utilizada fue el Z80A que trabajaba normalmente a 3'58 MHz (un cuarto de la frecuencia de las pantallas del momento), aunque su velocidad real alcanza los 4 MHz. En la actualidad Zilog sigue fabricando versiones del Z80, tanto las originales como mejoradas, llegando algunas hasta los 20Mhz.

El Z80 fue usado en muchísimas máquinas de 8 bits en las que se podía usar el CP/M, como el Radio Shack TRS-80, Osborne 1, o Kaypro, los Sinclair ZX80, ZX81 y ZX Spectrum, o toda la gama MSX (MSX1, MSX2, MXS2+ y Turbo-R), Tatung Einstein, la gama Amstrad CPC y Amstrad PCW, los colegios de Norruega usaban el Tiki 100. Se desarrollaron placas de ampliación con un Z80 para que ordenadores como el Apple II, el Commodore 64 o el BBC Micro usaran CP/M. El Commodore 128 incluía un segundo procesador Z80 para poder usar CP/M. Muchas placas recreativas, así como las consolas Sega Master System y Sega Game Gear usaban como procesador principal el Z80, y muchas recreativas y consolas como la SNK Neo-Geo y la Sega Mega Drive usan un Z80 como procesador para el sonido. Las Nintendo Game Boy y Game Boy Color utilizan una variante del Z80 fabricada por Sharp, y muchas calculadoras gráficas programables de Texas Instruments como las TI-82, TI-83, TI-85 y TI-86 usan una versión clónica  fabricada por NEC. También se ha usado mucho en sistemas embebidos, como muchos terminales serie y otros dispositivos electrónicos, ya que había mucha información sobre su uso y programación.

Zilog licenció como segundas fuentes a Mostek y SGS. A nivel de clónicos lo fabricaron Sharp, NEC y  National. Hitachi fabricó una versión con tecnología CMOS mejorada, cuya segunda fuente fue la propia Zilog. Clones sin licencia se fabricaron en la República Democrática Alemana (U880), en Rumanía (MMN80), y varios en Rusia (como el T34).