Железо - Краткий рассказ о возможностях процессора Z-180.

            Z-180.

music by Jaan _______________________________



 Предлагаемое  описание  не претендует на
точность  справочного  материала. Это об-
суждение  идеологи линии Z80/Z180 с пози-
 ции проектирования компьютеров.

 Вероятно  для  читателя наиболее удобным
будет  представление в форме сравнения со
всем хорошо знакомым  Spectrum'овским Z80
и описания ряда  отличий,  которые, собс-
твенно, задают  линию развития семейства.
Архитектура  любого  компьютера,(в т.ч. и
Spectrum'a) тесно связана со структурой и
идеологией процессора. Развитие аппарату-
ры любой платформы тесно связано с разви-
тием  этой  идеологии.  Исключения автору
неизвестны. Поэтому хотелось бы здесь об-
судить  именно концептуальные особенности
CPU Z180 относительно Z80.

 Немного истории. (если Вам не терпится -
прокрутите этот абзац прим.ред.) Компания
Zilog  была основана бывшими сотрудниками
фирмы Intel (это обстоятельство привело в
последствии к судебной тяжбе). Общеприня-
тым является мнение, что они просто захо-
тели  денег. Вместе с тем можно предполо-
жить,  что  это правда, но не вся. Не хо-
чется порождать очередной миф, и нижесле-
дующее  следует рассматривать как попытку
реконструкции ВОЗМОЖНОГО варианта случив-
шегося.
 I. Люди, работающие в святая святых кор-
порации,   т.е.   -  обладающие  реальным
"ноу-хау"  и способные таким образом вли-
ять на концептуальные аспекты проектируе-
мых   процессоров  редко  бывают  обижены
деньгами.
- II. Уходит целая группа сотрудников экс-
тра-класса  с  намерением  основать собс-
твенную  фирму. Для такой грандиозной за-
дачи   необходимы   не  только  деньги  и
"ноу-хау",  но и наличие собственных кон-
цепций  развития процессоров, т-к, в про-
тивном  случае, невозможна конкуренция ни
с  Intel,  ни с Motorola. Чтобы лучще по-
нять ситуацию вспомним, что Intel и Moto-
rola  выпускают  процессоры,  применяемые
соответственно в компьютерах семейства PC
и Macintosh. Вероятно концепция микропро-
цессоров  фирмы Intel - узкоспециализиро-
ванные устройства, имеющие сосредоточеные
экстремальные  характеристики (производи-
тельность,  объем адресуемой памяти...) -
- оказалась неприемлемой для этой группы.
При  таком  подходе  мощность  компьютера
отождествляется с объемом памяти и произ-
водительнстью, т.е. - сугубо техническими
характеристиками,  без связи с периферий-
ными  проблемами, архитектурными требова-
ниями, процессом и трудоемкостью создания
ПО,  сложностью  пользовательского интер-
фейса.

 Концепция  Zilog:  Умеренные быстродейс-
твие и объем адресуемой памяти. Специфич-
ным  отличием  является  интеграция в чип
ядра  архитектуры,  понимаемого несколько
шире,  нежели  собственно  процессор. Это
проявилось  уже в Z80: механизм поддержки
процесса регенерации памяти (вывод RFSH),
автоматическое  введение такта ожидания в
цикл ввода-вывода. Передовое, по тем вре-
менам, тактирование через одну CLOCK пос-
ледовательность.  Расширенная система ко-
манд,  приближающая ассемблер к языку вы-
сокого  уровня. Блочные команды ввода-вы-
вода  и  пересылки  эквивалентны макросам
процессоров  других фирм. В Z180 эти тен-
денции углубляются.

 1. Изменение механизма тактирования.
Предистория проблемы - вот что пишет Хор-
виц: "Например, для работы микропроцессо-
ра  I8080  (прототип  Z80,  отечественный
аналог  - 580ИК80) требуется три напряже-
ния  питания и два поступающих извне так-
товых  сигнала  с уровнем 12в и точно вы-
держанной  задержкой между ними. Возника-
щие в связи с этим неудобства часто заво-
дили  работавших  с микропроцессором 8080
конструкторов  в такие ловушки, как прес-
ловутая  "проблема  тактов",  которая со-
путствовала  MITS и Altair 8800 (первона-
чально   выпускавшаяся  любительская  ми-
ни-ЭВМ)  и возникала в тех случаях, когда
жесткие  требования,  предъявляемые двумя
тактовыми   входами  микропроцессора,  не
удовлетворялись  достаточно  скоро.  Нес-
колько  компаний (а не одна IBM) реклами-
ровали  в любительских журналах специаль-
ные  наборы,  предназначенные для решения
"проблемы  тактов".  В те времена мы были
рады всему, что действовало. Однако конс-
труктора  наших дней требуют (и добивают-
ся) несравненно большей простоты примене-
ния микропроцессоров".

 В  Z180 проблема тактирования решается в
более  широком  смысле, нежели чем просто
надежность  и технологическая воспроизво-
димость  схемотехнических решений. Приня-
тое в Z80 соглашение относительно отсчета
времен  задержек от фронтов входного сиг-
нала  (CLOCK) заменено на соглашение отс-
читывать  времена  от  выходного  сигнала
процессора  Ф. Т.е., по сути, вся система
Spectrum'а имеет не внешнее, а внутреннее
тактирование  -  вся  система тактируется
CPU. Это позволило выкинуть из циклов не-
избежные  времена  задержек и существенно
сжать  машиный  цикл  по времени. С точки
зрения проектировщика Spectrum - архитек-
туры  это означает полный отказ от тради-
ционных систем синхронизации компьютера в
целом. Кстати, имея умеренное быстродейс-
твие  (например  14 Mhz) можно отказаться
от буферирования шины и получать исключи-
тельно  простые,  дешевые и технологичные
узлы  на  шине,  т.к. допуски на "развал"
сигналов на шине по времени даже увеличи-
ваются.  (Хотя, проектиуя систему синхро-
низации, приходится их пересчитывать.)

 2. Изменение концепции машинного цикла.
Архитектура Z180 теперь не является жест-
ко  заданной (как это было в Z80). Проек-
тировщик  может программно, через систем-
ное  ПО,  менять  архитектуру  ядра. Если
учесть,  что Z180, по существу, представ-
ляет  собой  архитектуру, а не собственно
процессор (концентрированную вычислитель-
ную  мощность), можно говорить о расшире-
нии спектра возможностей и реконфигуриру-
емости.  На практике это выглядит следую-
щим образом: В Z80 цикл регенерации жест-
ко  "вделан"  в  цикл М1 (извлечение кода
операции).  В  Z180  цикл регенерации су-
ществует самостоятельно на уровне полноп-
равного  машинного цикла. Частоту появле-
ния  таких циклов можно варьировать в ши-
роких  пределах, либо вовсе отменять. Это
позволило унифицировать все циклы шины по
длительности.  (Т.н.  "внутренние циклы",
не  требующие обмена по шине, по длитель-
ности приравняны к такту.) В Z180 получи-
ла  поддержку идея произвольно устанавли-
ваемой длины сигнала IORQ. (В KAY256 TUR-
BO  Это  пришлось делать с помощью специ-
альных  внешних  цепей.) В машинном цикле
появились дополнительные сигналы - инфор-
мационный  и стробирования - их можно ис-
пользовать, например, для упрощения обме-
на с ОЗУ.

 3. Расширение механизма прерывания.
Привычная всем Spectrum'истам группа пре-
рываний NMI/INT получила уровни приорите-
та 2-3. На уровне 1 находитса так называ-
емое  "TRAP"  прерывание  - прерывание по
неправильному  коду  операции. Это именно
то место, куда будут вылетать программы с
недокументированными  командами. Прерыва-
ние  передает управление по 0-му вектору.
Имеется специальный бит, позволяющий про-
цессору отличить "холодный старт" (по RE-
SET)  от  "горячего" (по TRAP). Т.е. есть
возможность макроопределения (что эквива-
лентно  макросу любого разумного размера)
"болванок"  асов  программирования Spect-
rum'a. Имеется еще две ноги, несущие обя-
занности  "бдить"  (дополнение  к  INT) -
INT1 и INT2 (4-5). Инеется  также еще 7-м
штук  прерываний,  которые могут запраши-
вать  встроенные  в чип периферийные уст-
ройства  (таймер, DMA, сериальные порты),
с самым низким приоритетом (6-12).

 4. Расширение системы команд. 
Команда SLP - спать.Процессор засыпает...
MLT  - умножение двух восьмиразрядных ре-
гистров с результатом в рег. пару:
H*L -> результат - в HL.      17 тактов.
Три  команды тестирования по аккумулятору
 без разрушения его содержимого.
Семь специальных команд обращения к внут-
ренним устройствам Z180 (DMA и т.д.). Ко-
манды  выставляют 00h в старшем байте ад-
реса порта.
 Любопытной  тонкостью  является  то, что
специалистами  фирмы  Zilog  внутричипные
устройства  называются  регистрами, но по
сути  дела  - это те же порты, т.к. соот-
ветствующие циклы идентичны. Поэтому, ес-
ли  в  программе встречается традиционная
команда,  по какой-либо причине выводящая
значение  в порт с нулевым старшим байтом
адреса,  она рискует попасть во внутричи-
повые  порты, последствия чего бывают са-
мыми забавными...
 Для  программиста эти порты представляют
из  себя  "банку" длинной 40h, на отрезке
длинной  100h. (8-м младший  бит  адреса)
Банку можно поместить в одно из 4-х мест:

┌─ 00h ─┐ 
│      0│  Предварительно следует устано-
0└─ 3Fh ─┘  вить текущее положеное банки.
┌─ 40h ─┐ 
│      1│  По RESET банка ставится в "0"
└─ 7Fh ─┘ 
┌─ 80h ─┐   5.  Внутренние порты.
│      2│  Их можно  условно разделить на
1└─ BFh ─┘  группу служебных (обмен с вну-
1┌─ C0h ─┐  тренними устройствами ( тайме-
│      3│  ры, DMA  и  проч. )  и  группу
1└─ FFh ─┘  архитектурных,которыми задает-
ся собственно конфигурация ядра и особен-
ности  взаимодеиствия  чипа с внешним об-
рамлением  на  конструктивном  аппаратном
плане. Имеются регистры, задающие частоту
тактирования,число WAIT'ов в IORQ,частоту
следования  регенерации.  Есть  даже  ре-
гистр, позволяющий изменять логику шины и
длительность  выходных  фронтов некоторых
сигналов. (Иначе, чем регистром "двойного
назначения"  такую ячейку и назвать нель-
зя).  С  точки зрения  программиста с по-
мощью  такого регистра очень легко заста-
вить  программу "глючить". Авторами же он
задумывался как энергосберегающий.
              ___

  Приведенные  сведения являются базовыми
для семейства Z180. Дальнейшее развитие -
- Z180->Z181->Z180  задается  рекурентно.
Т.е.  берем Z180, добавляем нечто - полу-
чаем Z181. Берем Z181 и что-то еще добав-
ляем - имеем Z182 и т.д. Для обслуживания
дополнений используются "пустоты" в банке
40h.  (Ситуация аналогична недокументиро-
ванным  командам  -  фирма оставляет себе
некий  задел  на будущее, не отраженный в
тех. документации, но открытый умельцами,
и  однажды  этот  задел пускают в ход его
хозяева,  ставя  крест на творчестве "на-
родных умельцев".)
              ___

 У  читателей ZF появились первые вопросы
по  TR-R'у.  Некий читатель из Пскова ре-
шил,  что (C) Nemo изобрела новый процес-
сор.  К сожалению, такое эпохальное свер-
шение  нам  не под силу. Речь идет об се-
рийно выпускаемом чипе фирмы Zilog. Неко-
торые читатели решили, что TR-R не позже,
чем  завтра  выйдет в родажу. Это тоже не
так.  Возможность  реализации  этой  идеи
напрямую связана с развитием рынка Spect-
rum. Если удастся его демонополизировать,
создать  эффективно  работающие структуры
(клубы,  сети),  сделать  рынок звонким и
прозрачным  - тогда это станет возможным.
Основные  усилия сейчас направлены именно
в  этом  направлении - в противном случае
такая  архитектура просто повиснет в воз-
духе.  Хотелось  бы пожелать програмистам
поддерживать  только устоявшиеся и общеп-
ринятые  архитектурные  компоненты  - это
застрахует  платформу от шараханья и рас-
пыления  усилий  и средств (и задаст ста-
бильный  вектор  развития), которых и так
осталось  не так много; невозможным также
станет  и ее раскол. На данный момент, по
мнению автора, такими архитектурными ком-
понентами  является  Turbo-режим  и 256Kb
памяти.  Машины с  меньшей памятью и ско-
ростью  (1.43  -  равняемся на отстающих)
выпускатся больше не будут.

_______________________________