Kniha se zabývá osmibitovými mikroøadièi øady Z8 firmy ZiLOG Popisuje architekturu øady Z8, instrukèní soubor, základy assembleru, ladìní programù na

Josef Hloušek

OSMIBITOVÉ MIKROØADIÈE ZiLOG Z8

A

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

1

Kniha se zabývá osmibitovými mikroøadièi øady Z8 firmy ZiLOG. Popisuje architekturu øady Z8, instrukèní soubor, základy assembleru, ladìní programù na hardwarovém emulátoru a práci s integrovaným vývojovým prostøedím ZDS (ZiLOG Develope Studio). Obsahuje také popis jednoduché aplikace s obvodem Z86E02 a podrobnì komentovaný výpis programu. Vlastnosti mikroøadièù, spoleèné celé øadì Z8, jsou pøedstaveny prostøednictvím nejrozšíøenìjších obvodù Z86E02/04/08 a Z86E30/31/33/733. Za pomoci textu knihy je možno navrhnout jednoduchou aplikaci s obvody øady Z8 a postup pak uplatnit, po akceptování konkrétních parametrù, na kterýkoliv obvod øady Z8. Text knihy pøedpokládá, že ètenáø je seznámen s obecnou teorií mikroprocesorù a mikroøadièù a ovládá používanou terminologii.

Josef Hloušek

Mikroøadièe ZiLOG Z8 Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena © Ing. Josef Hloušek, Praha 1999 Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Josef Hloušek: Mikroøadièe ZiLOG Z8 BEN – technická literatura, Praha 1999 1. vydání

ISBN 80-86056-81-3

2

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

A

OBSAH 1.

VŠEOBECNÉ PARAMETRY MIKROØADIÈÙ Z8 ............................ 8

1.1 1.2 1.3

Mikroøadièe typu Z86 E30, Z86 E31, Z86 E33, Z86 733 ................................ 8 Mikroøadièe typu Z86 E02, Z86 E04, Z86 E08 ............................................... 9 Elektrické parametry mikroøadièù Z8 ............................................................ 10

2.

ADRESNÍ PROSTOR MIKROØADIÈÙ Z8 ..................................... 11

2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.3 2.4 2.5

Pamì RAM .................................................................................................. 11 Standardní sada registrù .............................................................................. 12 Rozšíøená sada registrù, banka F ................................................................ 13 Pamì PROM ............................................................................................... 13 Zásobník (Stack) .......................................................................................... 14 Øídicí registry pro pøístup do pamìti ............................................................ 15 Registry, jejich adresy a identifikátory .......................................................... 16

3.

OSCILÁTOR MIKROØADIÈÙ Z8 ................................................... 18

4. 4.1 4.2 4.3

RESET mikroøadièù Z8 ................................................................................. 20 Definovaný stav øídicích registrù a portù. ..................................................... 20 RESET pøi zapnutí napájení (POR – Power On Reset) ............................... 21 WDTMR – Watch Dog Timer ........................................................................ 21

5.

VSTUPNÍ/VÝSTUPNÍ PORTY ........................................................ 23

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Port 0 ............................................................................................................ 24 Port 2 ............................................................................................................ 26 Port 3 ............................................................................................................ 27 Analogové komparátory ............................................................................... 28 Režim sníženého vyzaøování rušivých napìtí .............................................. 29

6.

ÈÍTAÈE, ÈASOVAÈE ..................................................................... 30

6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.6 6.3.5

Øízení èítaèù ................................................................................................. 32 Výstupní módy èítaèù (pouze u typù Z86E30/31/33/733) ............................ 33 Vstupní módy èítaèe T1 ................................................................................ 34 Poèítání vnìjších impulzù ............................................................................. 34 Hradlování vnitøního signálu SCLK vnìjšími impulzy ................................... 34 Monostabilní režim jednorázový ................................................................... 35 Monostabilní režim opakovatelný ................................................................. 35 Nastavení èítaèù po signálu RESET ............................................................ 36 Zapojení èítaèù T0 a T1 do kaskády ............................................................ 36

7.

PØERUŠENÍ ................................................................................... 37

7.1 7.2 7.3 7.4

Zdroje pøerušení ........................................................................................... 37 Priorita pøerušení .......................................................................................... 38 Maskování pøerušení .................................................................................... 39 Programové pøerušení .................................................................................. 39

A

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

3

7.5 7.6

Vektorové pøerušení ..................................................................................... 40 Pøerušení na dotaz ....................................................................................... 40

8.

ÚSPORNÉ REŽIMY ........................................................................ 42

8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3

9.

Režim HALT ................................................................................................. 42 Režim STOP ................................................................................................. 42 Ukonèení režimu STOP signálem Power On Reset ..................................... 43 Ukonèení režimu STOP èasovaèem WDT ................................................... 43 Ukonèení režimu STOP signálem z urèeného zdroje .................................. 43

REGISTR VOLITELNÝCH FUNKCÍ ............................................... 45

10.

PROGRAMOVÁNÍ MIKROØADIÈÙ Z8 .......................................... 47

10.1 10.2 10.3 10.4

Pøíznak výsledku operace ............................................................................ 47 Notace používaná pro popis instrukcí .......................................................... 49 Ètyøbitová adresa na místì osmibitové adresy ............................................ 49 Instrukèní soubor Z8 ..................................................................................... 50

11.

ZMASM – ZILOG MACRO CROSS ASSEMBLER ........................ 70

11.1 11.2 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.3.7 11.3.8 11.3.9 11.4

12. 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.10.1 12.10.2

4

Historie ZMASM ........................................................................................... 70 Struktura ZMASM ......................................................................................... 71 Formát zdrojového textu pro ZMASM .......................................................... 73 Pøíkazový øádek ............................................................................................ 73 Pole návìští (label) ....................................................................................... 74 Pole instrukce ............................................................................................... 74 Pole operandu .............................................................................................. 74 Pole komentáøe ............................................................................................ 74 Konstanty ...................................................................................................... 75 Symboly ........................................................................................................ 76 Operátory ...................................................................................................... 76 Výrazy ........................................................................................................... 77 Direktivy assembleru .................................................................................... 77

VÝVOJOVÉ PROSTØEDÍ ZiLOG ................................................... 81 Sestava vývojového prostøedí pro mikroøadièe Z8 ....................................... 81 Napájecí zdroj pro emulátor ......................................................................... 82 Propojení emulátoru s osobním poèítaèem .................................................. 82 Pøizpùsobení emulátoru pro požadovaný typ mikroøadièe ........................... 82 Pøizpùsobení emulátoru k umístìní krystalu oscilátoru ................................ 83 Pøizpùsobení emulátoru ke zpùsobu napájení aplikace ............................... 83 Pøipojení emulátoru k aplikaci ...................................................................... 84 Uživatelsky dùležité prvky na desce emulátoru ........................................... 84 Úprava emulátoru Z86CCP00ZEM .............................................................. 85 Spuštìní emulátoru ...................................................................................... 85 Instalace GUI ................................................................................................ 85 Spuštìní GUI ................................................................................................ 85

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

A

13. 13.1 13.2 13.3 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.4.4 13.4.5 13.4.6 13.4.7 13.4.8 13.5 13.5.1 13.5.2 13.5.3 13.5.4 13.5.5 13.6.1 13.6.2 13.6.3 13.6.4 13.6.5 13.6.6 13.6.7 13.6.8 13.7 13.7.1 13.7.2

14. 14.1 14.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.4 14.5 14.6

ZiLOG DEVELOPER STUDIO ZDS 2.11 ....................................... 87 Historie ZDS ................................................................................................. 87 Instalace ZDS 2.11 ....................................................................................... 87 Spuštìní ZDS ............................................................................................... 88 Pøehled funkcí ZDS ...................................................................................... 89 Menu File ...................................................................................................... 90 Menu Edit ..................................................................................................... 90 Menu View .................................................................................................... 91 Menu Project ................................................................................................ 91 Menu Build .................................................................................................... 92 Menu Tools ................................................................................................... 92 Menu Window ............................................................................................... 92 Menu Help .................................................................................................... 93 Konfigurace projektu a pøeklad zdrojového textu ......................................... 93 Založení projektu .......................................................................................... 94 Sestavení projektu ........................................................................................ 95 Konfigurace assembleru pro projekt ............................................................ 95 Konfigurace linkeru pro projekt ..................................................................... 96 Vytvoøení spustitelného souboru *.ld ............................................................ 97 Konfigurace emulátoru ................................................................................. 99 Spuštìní komunikace s emulátorem ............................................................ 99 Spuštìní programu ..................................................................................... 100 Nastavení zarážek (break point) ................................................................ 101 Ladìní programu ........................................................................................ 102 Zobrazení obsahu registrù pøi ladìní .......................................................... 102 Opravy zdrojového textu pøi ladìní ............................................................. 103 Uzavøení a znovuotevøení rozpracovaného projektu ................................. 104 Programování OTP verzí mikroøadièù ........................................................ 104 Konfigurace programování ......................................................................... 104 Vložení programu do OTP pamìti mikroøadièe .......................................... 106

MÌØIÈ POHOTOVÉ REAKCE S MIKROØADIÈEM Z86E02 08 PSC ........................................... 107 Obvodové øešení mìøièe ............................................................................ 107 Funkce mìøièe ............................................................................................ 108 Výpoèet konstant pro programování èítaèe T1 .......................................... 110 Mìøení reakèní doby ................................................................................... 110 Astabilní multivibrátor s periodou cca 0,5 s (výchozí stav) ......................... 111 Popis programu ........................................................................................... 111 Mapa symbolù v pamìti RAM .................................................................... 112 Výpis programu reaction.s .......................................................................... 113

LITERATURA a INTERNETOVÉ ADRESY .................................. 122 Knihy nakladatelství BEN – technická literatura .............. 123, 126 Jaké jsou dùvody pro aplikace mikroøadièù ZiLOG Z8 ........... 124 Sortiment a adresa firmy ECOM s. r. o. ..................................... 125 Kontaktní adresy firmy BEN – technická literatura .................. 127 A

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

5

HISTORIE OSMIBITOVÝCH MIKROPROCESORÙ A MIKROØADIÈÙ ZiLOG Americká firma ZiLOG vstoupila na trh mikroprocesorù v roce 1973. V dobì, kdy svìt dobývaly obvody Intel 8080, se objevil obvod s typovým oznaèením Z80. Osmibitový mikroprocesor s odlišnou architekturou, založenou na sadì univerzálních registrù, které mohly sloužit pro jakoukoliv funkci, tedy i jako støadaè. Architektura umožòovala pružnìjší pøístup k registrùm, optimální využití instrukcí a tím i rychlejší chod programu než u procesorù jiných výrobcù pøi stejném hodinovém kmitoètu. Ještì døíve, než IBM dala svìtu osobní poèítaèe, museli se spokojit první poèítaèoví nadšenci s èímsi, co je dnes možno srovnávat s PC jen velmi stìží. Dodnes však jméno Sinclair pøedstavuje pojem. A Sinclair obsahoval mikroprocesor Z80 CPU ! Postupem èasu byl mikroprocesor Z80 CPU (Central Processor Unit) následován obvody Z80 CTC (Counter-Timer Circuit), Z80 PIO (Parallel Input/Output), Z80 SIO (Serial Input/Output), Z80 DMA (Direct Memory Access) a dalšími. S rozvojem technologie se jednak mìnila struktura obvodù od TTL pøes NMOS až po CMOS, jednak se zvìtšovala hustota integrace a v jednom pouzdøe se sluèovalo stále více obvodù døívìjší stavebnice. Na konci vývoje stál obvod Z80 IPC (Intelligent Peripheral Controller), který obsahoval nejen procesor, ale paralelní i sériové vstupnì/výstupní obvody (Porty), oscilátor, èítaèe. Tedy podle dnes zavedené terminologie – mikroøadiè. Obvody øady Z80, pøestože dnes již typování obvodù smazalo pøíslušnost k øadì Z80 (napø. Z84C0010PEC je novodobý CMOS procesor Z80), tvoøí znaèný podíl na svìtové produkci mikroprocesorù. Až na výjimky, obvody øady Z80 nikdy neobsahovaly žádnou pamì kromì základní registrové výbavy. Ani souèasní pokraèovatelé øady, obvody Z180 a šestnáctibitový Z380 nemají na èipu pamì. To je v tvrdé konkurenci nevýhoda. Musel se objevit nový obvod. Obvody øady Z8 jsou 8bitové CMOS mikroøadièe. Vycházejí z principu univerzální sady registrù, na èipu je však tìchto registrù pro všeobecné použití (General Purpose Register) až 256, takže už je možno hovoøit o pamìti RAM. Navíc èip obsahuje i pamì pro uložení programu v provedení PROM (používá se zkratka OTP – One Time Programmable) a to nejménì 512 Bytù ale také až 32 KBytù. Dále èip obsahuje dva 14bitové èítaèe, dva analogové komparátory, oscilátor a nejménì 14 vstupù/výstupù. Èip dále obsahuje Watch Dog Timer (pøeklad tohoto termínu do èeštiny se stále nedaøí), Power On Reset (èeský termín nulování pøi zapnutí napájení je možný, ale anglický je lepší) a další obvody.

6

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

A

Všechny obvody øady Z8 mají jeden shodný instrukèní soubor. Mnemonicky pøipomíná instrukèní soubor Z80, funkènì je však jiný. Pøesto pøechod od programování obvodù Z80 k øadì Z8 je snadný. Pro efektivní programování je k dispozici assembler, pro podporu vývoje je používán hardwarový emulátor øízený osobním poèítaèem. Øada Z8 v roce 1999 obsahuje více jak stovku jednotlivých typù, lišících se velikostí pamìti, poètem vstupù a výstupù, rychlostí, dovolenou pracovní teplotou, pouzdry pro klasickou i povrchovou montáž. Speciální obvody obsahují i AD a DA pøevodníky, sériový komunikaèní kanál (UART), jádro Z8 tvoøí základ mnoha jednoúèelových obvodù pro øízení klávesnic osobních poèítaèù nebo obvodù pro infraèervené dálkové ovládání. Tato uèebnice nemùže a ani nechce popsat funkci všech obvodù øady Z8. Chce pouze na nìkolika málo obvodech vysvìtlit vlastnosti spoleèné celé øadì Z8. Uèebnice popisuje architekturu øady Z8, instrukèní soubor, práci s assemblerem a emulátorem. S pomocí uèebnice je tedy možno navrhnout aplikaci s nejrozšíøenìjšími obvody øady Z8 a postup pak uplatnit, po akceptování konkrétních parametrù, na kterýkoliv obvod øady Z8. Text uèebnice pøedpokládá, že ètenáø je seznámen s obecnou teorií mikroprocesorù a mikroøadièù a ovládá používanou terminologii. Autor se omlouvá za èastìjší používání originálních anglických termínù všude tam, kde se jejich používání vžilo, kde èeský pøeklad je ménì výstižný nebo smìšný a pøedevším tam, kde je to nutné (procesor bude vždy rozumìt pouze instrukci DJNZ – Decrement and Jump if Non Zero a nikoliv ZSNN – Zmenši o jednu a Skákej když Není Nula).

A

Osmibitové mikroøadièe ZiLOG Z8

7