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Intels Niederlage - Der Z80

Der Intel 8080

Intel 8080 Intel galt schon Anfang der siebziger Jahre als der führende Mikroprozessor Hersteller. Die Firma hatte ihn zwar nicht erfunden aber mit dem Intel 4004 im Jahre 1970 den ersten Mikroprozessor auf den Markt gebracht. (Siehe Geschichte der Intel Prozessoren und PC-Timeline). Dem folgte schon 1972 der Intel 8008, ein Prozessor, der auf dem 4004 aufbaute und im Prinzip ein von 4 auf 8 Bit adaptiertes Design des 4004 war, ohne jedoch neue Möglichkeiten einzuführen. (Analog wurde später das 8080 Design auf 16 Bit adaptiert und als 8086 präsentiert.)

Mit verbunden mit dem Z80 ist ein Name Fedderico Faggin. Federico Faggin arbeitete in der italienischen Niederlassung von Fairchild. Im Februar 1968 reiste er in die USA ein und entwickelte bei Fairchild den MOS Herstellungsprozess. Kurz danach wurde Intel gegründet und Faggin musste mit ansehen wie viele seiner Kollegen zu Intel abwanderten. Intel erkannte besser als Fairchild die Möglichkeiten des MOS Prozesses und setzte ihn in Produkte um. Faggin konnte jedoch nicht wechseln, da es ihm als nicht US Bürger verboten war während seines ersten Jahres den Arbeitsplatz zu wechseln.

Im April 1969 bekam Intel den Auftrag für die Entwicklung der Logik für eine Rechenmaschine von der japanischen Marke Busicomm. Ted Hoff entwickelte im Juli/August 1969 das Design, doch dann musste er sich anderen Projekten zuwenden. Im April 1970 wechselte Faggin, der genug vom Ausbluten der Halbleiterfertigung bei Fairchild hatte zu Intel. Was er dort machen sollte wurde ihm nur angedeutet. Es ginge um 4 Chips die zu entwickeln seien. An seinem ersten Arbeitstag stellte er fest dass am nächsten Tag ein Kontrollbesuch aus Japan anstand und seit August nichts gemacht wurde.

Faggin war in einer schlechten Position. Er war zwar der Leiter der Entwicklung für die 4 Chips - doch es gab keine Untergebenen und das Projekt war 5 Monate hinter dem Zeitplan hinterher. Er kalkulierte dass es 9 Monate dauern würde anstatt 7 und die Chips so 7 Monate zu spät fertig werden würden. Erstaunlicherweise blieb Busicomm bei dem Projekt und Shima unterstützte Faggin bei dem Projekt. Er schaffte es in einer 70-80 Stunden Woche den Chip in 6 Monaten bis zum Oktober 1970 fertig zustellen. Es war der Intel 4004, der erste Mikroprozessor.

Federico Faggin war danach führender Ingenieur für die Prozessorentwicklung bei Intel. Doch Intel sah nicht das Potenzial der Prozessoren. Faggin käpfte 9 Monate um einen 8 Bit Prozessor entwickeln zu können, der dem 8008 nachfolgen sollte. Der 8008 war von einem anderen Intel Team ebenfalls im Kundenauftrag als ein Terminalkontroller entwickelt worden. Der neue Prozessor sollte erheblich leistungsfähiger sein. Zum einen durch eine neue Technologie, die NMOS Technik die bei ihm zum ersten mal eingesetzt wurde, zum anderen durch mehr Anschlüsse und einen besseren Befehlssatz. Ziel war eine Leistungssteigerung um den Faktor 10.  Er schaffte dies auch und in 15 Monatiger Arbeit entstand so der 8080 Prozessor. Er erschient 1974 und war in dem ersten "PC" dem Altair 8800 verwendet worden.

Der 8080 war für seine Zeit sehr fortschrittlich. Ein Vergleich zu dem wenige Monate später erschienen Motorola 6800 zeigt dies. Er enthielt sehr viele Register, von denen 6 Register je zu zweit zu einem 16 Bit Register zusammen gefasst werden. Mit diesen Registern konnten 16 Bit Werte addiert und subtrahiert werden. Das HL Register (zusammengesetzt aus dem 8 Bit H und L Registern konnte man zur indirekten Adressierung nutzen, sozusagen als Pointer. Heute würde man den 8080 sicher als eine typische CISC CPU bezeichnen, das heißt eine mit einem komplexen Satz an Instruktionen und spezialisierten Registern. Dies war sicher auch ein Grund warum der 8080 als Chip bei den ersten Heimcomputern so beliebt war.

Er hatte aber auch Nachteile: Zum einen erforderte er 3 Versorgungsspannungen, der Zugriff auf Peripherie Bausteine war umständlich und der Chip brauchte einen externen Taktgenerator und einen Refreshcontroller wenn er mit den neuen dynamischen RAMs betrieben wurde.

Die Gründung von Zilog

Im Dezember 1974 gründete Faggin mit einem Grüppchen von Intel Ingenieuren die Firma Zilog. Die Probleme beim Design des 8080 führte dazu, das Faggin nicht mehr länger sich mit dem Management von Intel auseinandersetzen wollte, sondern in einer eigenen Firma seine eigenen Ideen verwirklichen wollte. Dazu kamen zwei Vorfälle die das Betriebsklima vergifteten. Intel hatte eine "Zuspätkommliste" in die sich jeder Eintragen musste der nach 8 zur Arbeit kam. Faggin arbeitete meist bis Mitternacht und ging erst danach heim und kam so regelmäßig zu spät. Er empfand es als Affront wenn man sich bei einer 70-80 Stunden Woche in eine Liste eintragen musste. Wesentlicher war, dass Intel eine Erfindung die er noch bei Fairchild machte zum Patent anmeldete ohne ihn darauf zu erwähnen. Das vergiftete das Klima endgültig.

Faggin verließ im Oktober 1974 Intel und gründete die Firma Zilog. Der Name war so zu verstehen. Die Firma sollte das letzte Wort (z) bei den integrierten (i) Baustinen und der Logic (log) behalten. Sehr bald bekam er Venture Kapital von Exxon, die 51 % der Firma dafür hielten. Nach einigen Diskussionen beschlossen Faggin und Ungermann welche die Firma gründeten im Dezember 1974 eine Art 8080 zu bauen, aber mit Verbesserungen die sich viele Anwender wünschten. Was herauskam war wohl der erste "kompatible" Prozessor. Faggin kannte als Entwickler sehr genau die Schwächen des 8080 und vermied diese beim Design des dazu kompatiblen Z80. Im April 1975 stieß Masatoshi Shima von Intel zu Zilog und zu dritt entwickelte man den Prozessor. Zu diesem Zeitpunkt war die Prozessorentwicklungsabsteilung bei Intel 80 Personen stark. Hilfe leistete die Firma MOSTEK, da Zilog zu diesem Zeitpunkt keine Fertigungsanlagen hatte musste man selbst die Masken für die Probeexemplare extern herstellen lassen. MOSTEK wurde nach der Markteinfühung im März 1976 auch der erste Zweitproduzent. Anders als Intel vergab Zilog großzügig Lizenzen, so dass es sehr bald sehr viele Anbieter von Z80 Prozessoren gab.

Für den Hardwarebauer waren drei Dinge am 8080 zu verbessern:

  1. Der 8080 benötigte einen externen Baustein von Intel für die Takterzeugung. Ohne ihn war er eigentlich nicht nutzbar. Dieser war im Z80 integriert.
  2. Der 8080 hatte nur einen Interrupteingang. Verschiedene Interruptquellen konnte der Prozessor nur umständlich unterscheiden indem die aufgerufene Serviceroutine den Datenbus auswertete und dann entschied was zu tun wäre. Bei vielen Interruptquellen entspricht dies einer riesigen "if then... " Abfrage. Der Z80 führte zwei neue Interruptmodi ein, wobei der leistungsfähigere wie der 8086 (eingesetzt im IBM PC) eine Tabelle von Adressen von Service Routinen umfasste. Damit konnte man wesentlich flexibler auf Interrupts reagieren.
  3. Der Prozessor unterstützte nicht dynamische RAMs, die einen Refresh brauchten, diesen musste ein separater Baustein erzeugen. Der Z80 hatte ein eigenes Register (R für Refresh), das mit jedem Zyklus dekrementiert wurde und immer wenn es Null war erzeugte der Prozessor einen Refresh.

Damit vereinfachte sich das Design für einen Hardware Entwickler. Es konnten zwei Bausteine eingespart werden und beim Interruptbetrieb ein beim 8080 nötiger Interruptkontroller. Weiterhin brauchte er wie der Motorola 6800 nur eine Versorgungsspannung.

Z80 - Der 8080 Killer

Z80 CPUFür Softwareentwickler stellte sich die Situation noch viel besser dar. Die Anzahl der Befehle wurde vervielfacht. Der Z80 verstand alle Befehle der 8080, doch 10 Codes die bei diesem unbelegt waren, wurden von dem dem Z80 benutzt um neue Befehle zu implementieren.

Es gab folgende Änderungen:

  1. Das HL Register hatte bisher eine herausgehobene Stellung beim Transfer vom und zum Speicher - Dies konnten nun auch die Register BC und DE.
  2. Da man nie genug CPU Register haben konnte gab es einen zweiten Satz zwischen dem man umschalten konnte. Bei meinem Z80 Rechner (Amstrad CPC 464) befanden sich darin wichtige Betriebssystemwerte, auf die das Betriebssystem so schnell zugreifen konnte.
  3. Neu eingeführt wurden die Register IX und IY. Mit denen erstmals indexsequentielle Zugriffe mit einem Displacement z.B. auf Tabellen möglich wurde. Ansonsten waren diese Register genauso universell wie das HL Register einzusetzen.
  4. Zugriffe auf den Stackpointer wurden vereinfacht.
  5. Es gab erstmals relative Sprünge und den DJNZ Befehl, der Register B dekrementierte und sprang wenn es 0 war. Diese Befehle waren kürzer und schneller auszuführen als die bisherigen absoluten Sprünge
  6. Es gab zwei neue Interruptmodi, im leistungsfähigeren Modus 2 wurde aus dem Datenbyte das die Peripherie anlegte und einem festen Wert in einem neuen CPU Register ein Tabellenwert geholt und dann direkt an diese Interruptservice Routine verzweigt. Damit konnte der Z80 auf 128 verschiedene Interruptereignisse reagieren und das System war noch flexibler als das des Intel 8086, der ja nur 15 feststehende Interrupts hat (eigentlich nur einen, der über einen Intel 8259 Interruptcontroller geshart wird).
  7. Es gab Block Transfer Befehle bei denen man einen Block verschieben, kopieren, durchsuchen, einlesen und ausgeben konnte. Dieses Konzept übernahm später der Intel 8086.
  8. Spezielle Befehle erlaubten es ein Bit selektiv zu setzen, rückzusetzen und zu testen. Bitrotationen waren beim 8080 nur beim Akkumulator möglich, beim Z80 mit allen Registern und dazu kamen Bitschiebebefehle z.B. für eine Division oder Multiplikation mit 2.

Die Zahl der Befehle des Prozessors erhöhte sich damit von 78 auf 158. Zeitgleich erschien auch von Intel eine verbesserte Version des 8080, der 8085. Er hatte auch drei neue Befehle zum Einschalten von neuen Interruptmodi und die beiden bisher nötigen Bausteine Interruptcontroller und Takterzeuger integriert. Es fehlte ihm aber die umfangreichen Softwaremöglichkeiten des Z80 und so war dieser erfolgreicher. Ab Juli 1976 war er verfügbar und sehr bald wurden CP/M Systeme - ein Betriebssystem geschrieben für den 8080 Prozessors meistens mit dem Z80 betrieben. Zahlreiche CP/M Programme wurden so geschrieben, das sie nur den Z80 Befehlssatz benutzen, auf einem 8080 also nicht mehr liefen. Das prominenteste Beispiel war Turbo Pascal.

CP/M zusammen mit dem Z80 war so bedeutend, das nicht einmal Marktführer Apple sich dem entziehen konnte und es eine Z80 Karte für den Apple gab. Analoges gilt für den C-64, dessen Nachfolger C-128 war sogar ein Gerät mit integriertem Z80 Prozessor der alternativ zum 6510 Prozessor genutzt werden konnte. Der Z80 wurde eingesetzt in den Tandys TRS-80, den Sinclair ZX 81 und Spektrum, den MSX Geräten, dem Alphatronic PC. Anfang der achtziger Jahre war damit Zilog Marktführer bei den 8 Bit Mikroprozessoren.

Sukzessive gab es immer schnellere Z80 Versionen. Der Z80 war zuerst wie der 8080 für max. 2.5 MHz ausgelegt. Zuerst die A Version (bis 4 MHz), dann die B (6 MHz) und C (8 MHz). Spätere Versionen hießen Z80H und erreichten bis zu 20 MHz.

Aufstieg und Fall von Zilog

Es war schlau von Faggin nicht einen neuen Prozessor zu entwickeln sondern mit dem Z80 ein bestehendes Produkt zu übertreffen. Mit der Einnahmequelle Z80 machte sich Zilog daran weitere Bausteine zu konstruieren. Es folgte der Mikrocontroller Z8, der allerdings mit dem Z80 nichts zu tun hatte. Es war ein Prozessor mit einem integrierten ROM und einigen Hundert Bytes RAM. Sehr populär war er in einer Version mit einem BASIC Interpreter auf dem ROM.

Jede Firma im Chip Geschäft lebt davon, das sie leistungsfähigere Prozessoren baut, weil die alten sukzessive billiger werden und die Gewinnmarge schwindet. So machte man sich bei Zilog an die Konstruktion eines 16 Bit Prozessors, des Z8000. Dieser erschien zusammen mit dem MC 68000. Er war im Design sehr fortschrittlich, so konnte man wie beim Z80 die Register zusammenfassen und als 8,16 aber auch 32 oder 64 Bit Register benutzen. Der adressierbare Arbeitsspeicher von 8 MByte konnte über eine MMU auf 2 GByte erweitert werden. Leider war der Prozessor etwas langsam und hatte Anfangs sehr viele Bugs, die dazu führten das sich die meisten Hersteller für den MC 68000 Prozessor oder den Intel 8086 entschieden. Lediglich beim US Militär fand er Anklang.

Danach konzentrierte sich Zilog auf die Weiterentwicklung des Z80. Es erschienen die Versionen Z180 und Z280, die neue Befehle für Multiplikation und neue Modi für 16 MByte Adressraum integrierten. Der Z80 steckt auch heute noch in vielen Geräten, vorwiegend als Controller aber auch z.B. im Gameboy. Trotzdem ging es Zilog zunehmend schlechter, bis die Firma Ende 2001 den eZ80 auf den Markt brachte.

RabbitDer eZ80 ist die Antwort von Zilog auf die Welt des Internets. Es ist ein Z80 Mikrocontroller mit integrierten seriellen Schnittstellen, Zählern, I2C Bus, parallelen Schnittstellen, DMA und 16 MByte Adressraum. Doch das wäre wohl nichts besonders aufregendes. Auch das der Chip nun 50 MHz erreicht und dabei 4 mal schneller als ein klassischer Z80 ist (Mithin etwa so schnell wie ein 486 Rechner, das ist für einen 8 Bitter ziemlich rasant), wird wohl mehr Z80 Nostalgiker interessieren. Doch der eZ80 enthält einen kompletten TCP/IP Stack und unterstützt 15 Internetprotokolle (alle wichtigen bis auf IP V6) in Hardware!

Zilog vertriebt ihn daher als eZ80 Webserver und das ist die Sensation. Der User braucht nur eine Anwendung in C oder Java mit gängigen Funktionsaufrufen für TCP Verbindungen in ein ROM kopieren und mit den mitgelieferten Ethernet Treibern verbinden, ein bisschen Hardware für den Ethernetanschluss und fertig ist der Webserver. Damit kann man das verwirklichen was in den Zukunftsvisionen schon lange propagiert wird, der intelligente Haushalt mit Kühlschränken die selbstständig nachbestellen, Geräten die man vom Büro aus ein und ausschalten kann (z.B. wenn man später nach Hause kommt und die Heizung während der Abwesenheit heruntergefahren ist oder man kann Überwachungskameras abfragen und steuern. Das alles geht mit einem Chip ohne teuren Windows PC. Der eZ80 kostet dabei nur 11 Dollar.

Es ist Zilog zu wünschen, das der Z80 Webserver ein genauso großer Erfolg wird wie der Z80. Er hat es verdient.

Z80 Prozessor auf GlasDer Z80 - einer der modernsten Prozessoren der Welt

Diese Aussage erscheint 27 Jahre nach der ersten Z80 Prozessor sehr kühn. Doch ist der Z80 Prozessor der erste, bei dem es gelang ihn nicht auf Silizium herzustellen. 2003 veröffentlichte Sharp, das es gelungen war aus 13000 TFT Transistoren eine Z80 CPU auf Glas herzustellen. Auf einem 2.2 Zoll Glas Display konnten sechs Z80 CPUs untergebracht werden. Dies soll der erste Schritt eines "System on Panel" sein, also, dass man auf einem LCD Bildschirm auch gleich den Computer dazu integriert. Man will dazu Prozessor, Grafikkarte und Display auf ein und demselben Glasträger integrieren. Weiterhin denkt man an optische Ein/Ausgabesysteme. Damit ist der Z80 der modernste Prozessor der Welt, auch wenn er sicher so nicht in Massenfertigung gehen wird.

Links

Z80 Prozessor auf Glas

Zilog Website



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen. Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

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