Українська      English

Микропроцессор 8080
Эдуард Пройдаков

Так сложилось, что микропроцессор Intel 8080, появившийся на свет божий 1 апреля 1974 г., сыграл очень большую роль на определенном этапе развития ВТ в СССР. Причин тому было несколько: в отличие от довольно жесткой архитектуры 16-разрядного микропроцессора LSI 11, которая шла от миникомпьютеров, 8-разрядный 8080 был удивительно прост. Студенты старших курсов Физтеха, проходившие практику у меня в лаборатории в Институте проблем управления (ИПУ), собирали на нем одноплатные компьютеры у себя в общежитии. С элементной базой в лаборатории всегда было неплохо, и мы даже поощряли подобные вещи - так студент быстрее начинал понимать, что к чему.

На этом процессоре, и его аналогах, совместимых с ним, были сделаны следующие микро-ЭВМ:

Единственный существенный недостаток - процессор требовал трех уровней напряжения питания.

Система команд 8080 насчитывала 79 инструкций (см. Справочник по системе команд микропроцессора Intel 8080).

Киевское НПО "Кристалл" в конце 70-х годов выпустило микропроцессорный комплект К580, в который входили следующие микросхемы:

К сожалению, у меня описания этих микросхем не сохранились, поэтому буду признателен всем, кто пришлет описание программирования указанных БИС.

Отмечу, что у корпорации Intel для 8080/85 выпускалась микросхема арифметического ускорителя. Однако так как 8080 составлял реальную угрозу продвигаемому МЭПом микропроцессору "Электроника-60", то эта микросхема в СССР никогда не воспроизводилась.


Литература:

  1. Озерецковский С. К 25-летию первого микропроцессора Intel.
    http://www.ritmpress.ru/it/press/cwm/41_96/list.htm.
  2. Эмулятор компьютера Радио-РК.
    http://www.members.tripod.com/~barsuk.
  3. Сайт Николая Жеведя, посвященный истории компьютера ОРИОН-128 (конструкция опубликована в первом номере журнале "Радио" за 1990 г.)
    http://orion128.nm.ru/
  4. Справочник по микропроцессорам.
    http://www.microprocessor.sscc.ru/chiplist.

Архитектура процессора 8080

   
 
Регистровый файл
 

Так как адресное пространство всего 64 Кб, то полный адрес занимает 2 байта. Команды этого процессора бывают одно-, двух- и трехбайтными. В первом байте всегда содержится код операции. Единственный существенный недостаток - процессор требовал трех уровней напряжения питания.

Справочник по системе команд микропроцессора Intel 8080

Команды этого процессора бывают одно-, двух- и трехбайтными. В первом байте всегда содержится код операции.

Обозначения.

A, B, ..., L - названия 8-разрядных регистров.

BC, DE, HL - названия регистровых пар, образующих 16-разрядные регистры.

SP - 16-разрядный указатель стека.

PSW - слово состояния программы, содержит регистр флагов.

a16 - двухбайтовый адрес.

d8 - байт непосредственных данных.

d16 - два байта непосредственных данных.

pp - номер порта ввода-вывода.

Команда Код Описание
ADD A 87 A<-(A) + (A)
ADD B 80 A<-(B) + (A)
ADD C 81 A<-(C) + (A)
ADD D 82 A<-(D) + (A)
ADD E 83 A<-(E) + (A)
ADD H 84 A<-(H) + (A)
ADD L 85 A<-(L) + (A)
ADD M 86 A<-Loc(HL) + (A)
ADI d8 C6 A<-d8 + (A)
ADC A 8F A<-(A) + (A) + CY
ADC B 88 A<-(B) + (A) + CY
ADC C 89 A<-(C) + (A) + CY
ADC D 8A A<-(D) + (A) + CY
ADC E 8B A<-(E) + (A) + CY
ADC H 8C A<-(H) + (A) + CY
ADC L 8D A<-(L) + (A) + CY
ADC M 8E A<-Loc(HL) + (A) + CY
ACI d8 CE A<-d8 + (A) + CF
ANA A A7 Проверка A
ANA B A0 Логическое И B с A
ANA C A1 Логическое И C с A
ANA D A2 Логическое И D с A
ANA E A3 Логическое И E с A
ANA H A4 Логическое И H с A
ANA L A5 Логическое И L с A
ANA M A6 Логическое И Loc(HL) с A
ANI d8 E6 Логическое И непосредственные данные с A
CALL a16 CD Передать управление подпрограмме по адресу aa
CZ a16 CC Вызвать подпрограмму по адресу aa, если нуль
СNZ a16 C4 То же, если не нуль
СP a16 F4 То же, если плюс
СM a16 FC То же, если минус
CC a16 DD То же, если перенос
CNC a16 D4 То же, если нет переноса
CPE a16 EC То же, если четно
CPO a16 E4 То же, если нечетно
CMA 2F Инвертировать A
CMC 3F Инвертировать перенос
CMP A BF Установить флаг FZ
CMP B B8 Сравнить A с B
CMP C B9 Сравнить A с C
CMP D BA Сравнить A с D
CMP E BB Сравнить A с E
CMP H BC Сравнить A с H
CMP L BD Сравнить A с L
CMP M BE Сравнить A с Loc(HL)
CPI d8 FC Сравнить A с непосредственными данными, заданными в команде
DAA 27 Десятичная коррекция аккумулятора (совершенно бесполезная команда. Я так и ни разу ей и не воспользовался:)
DAD B Сложить BC с HL
DAD D Сложить DE с HL
DAD H Сложить HL с HL (удвоение HL)
DAD SP Сложить SP с HL
DCR A 3D A<-(A) - 1 (декремент A)
DCR B 05 B<-(B) - 1
DCR C 0D C<-(C) - 1
DCR D 15 D<-(D) - 1
DCR E 1D E<-(E) - 1
DCR H 25 H<-(H) - 1
DCR L 2D L<-(L) - 1
DCR M 3D Loc (HL)<-(Loc(HL)) -1
DCX B 0B BC<-(BC) - 1
DCX D 1B DE<-(DE) -1
DCX H 2B HL<-(HL) - 1
DCX SP 0B SP<-(SP) -1
DI F3 Запретить прерывания
EI FB Разрешить прерывания
HLT 76 Останов процессора
IN pp DB Ввести данные из порта pp
INR A 3C A<-(A) + 1 (инкрементировать A)
INR B 04 Инкрементировать B
INR C 0C Инкрементировать C
INR D 3C Инкрементировать D
INR E 3C Инкрементировать E
INR H 3C Инкрементировать H
INR L 3C Инкрементировать L
INR M 34 Инкрементировать содержимое Loc(HL)
INX B 03 Инкрементировать BС
INX D 13 Инкрементировать DE
INX H 23 Инкрементировать HL
INX SP 33 Инкрементировать SP
JMP a16 C3 Перейти по адресу a16
JZ a16 CA То же, если нуль
JNZ a16 C2 То же, если не нуль
JP a16 F2 То же, если плюс
JM a16 FA То же, если минус
JC a16 DA То же, если перенос
JNC a16 D2 То же, если нет переноса
JPE a16 EA Перейти по адресу a16, если паритет четный
JPO a16 E2 Перейти по адресу a16, если паритет нечетный
LDA aaaaa 3A Загрузить A из ячeйки с адресом a16
LDAX B 0A Загрузить A из ячeйки с адресом Loc(BC)
LDAX D 1A Загрузить A из ячeйки с адресом Loc(DE)
LHLD a16 2A Загрузить в HL содержимое ячейки с адресом a16
LXI B,d16 01 Загрузить в BC непосредственные данные d16
LXI H,d16 21 Загрузить в HL непосредственные данные d16
LXI SP,d16 31 Загрузить в SP непосредственные данные d16
MOV A,B 78 Переслать из A в B (B<-(A) )
MOV A,C 79 Переслать из A в C
MOV A,D 7A Переслать из A в D
MOV A,E 7B Переслать из A в E
MOV A,H 7C Переслать из A в H
MOV A,L 7D Переслать из A в L
MOV A,M 7E Переслать из A в Loc(HL)
MOV B,A 47 Переслать из B в A
MOV B,C 41 Переслать из B в C
MOV B,D 42 Переслать из B в D
MOV B,E 43 Переслать из B в E
MOV B,H 44 Переслать из B в H
MOV B,L 45 Переслать из B в L
MOV B,M 46 Переслать из B в Loc(HL)
MOV C,A 4F Переслать из C в A
MOV C,B 48 Переслать из C в B
MOV C,D 4A Переслать из C в D
MOV C,E 4B Переслать из C в E
MOV C,H 4C Переслать из C в H
MOV C,L 4D Переслать из C в L
MOV C,M 4E Переслать из C в Loc(HL)
MOV D,A 57 Переслать из D в A
MOV D,B 50 Переслать из D в B
MOV D,C 51 Переслать из D в C
MOV D,E 53 Переслать из D в E
MOV D,H 54 Переслать из D в H
MOV D,L 55 Переслать из D в L
MOV D,M 56 Переслать из D в Loc(HL)
MOV E,A 5F Переслать из E в A
MOV E,B 58 Переслать из E в B
MOV E,C 59 Переслать из E в C
MOV E,D 5A Переслать из E в D
MOV E,H 5C Переслать из E в H
MOV E,L 5D Переслать из E в L
MOV E,M 5E Переслать из E в Loc(HL)
MOV H,A 67 Переслать из H в A
MOV H,B 60 Переслать из H в B
MOV H,C 61 Переслать из H в C
MOV H,D 62 Переслать из H в D
MOV H,E 63 Переслать из H в E
MOV H,L 65 Переслать из H в L
MOV H,M 66 Переслать из H в Loc(HL)
MOV L,A 6F Переслать из L в A
MOV L,B 68 Переслать из L в B
MOV L,C 69 Переслать из L в C
MOV L,D 6A Переслать из L в D
MOV L,E 6B Переслать из L в E
MOV L,H 6C Переслать из L в H
MOV L,M 6E Переслать из L в Loc(HL)
MOV M,A 77 Переслать из M в A
MOV M,B 70 Переслать из M в B
MOV M,C 71 Переслать из M в C
MOV M,D 72 Переслать из M в D
MOV M,E 73 Переслать из M в E
MOV M,H 74 Переслать из M в H
MOV M,L 75 Переслать из M в L
MVI A,d8 3E Переслать d8 в A
MVI B,d8 06 Переслать d8 в B
MVI C,d8 0E Переслать d8 в C
MVI D,d8 16 Переслать d8 в D
MVI E,d8 1E Переслать d8 в E
MVI H,d8 26 Переслать d8 в H
MVI L,d8 2E Переслать d8 в L
MVI M,d8 36 Переслать d8 в Loc(HL)
NOP 00 Нет операции  
ORA A B7 Проверить A и сбросить перенос
ORA B B0 Логичеcкая операция B ИЛИ A
ORA C B1 Логичеcкая операция C ИЛИ A
ORA D B2 Логичеcкая операция D ИЛИ A
ORA E B3 Логичеcкая операция E ИЛИ A
ORA H B4 Логичеcкая операция H ИЛИ A
ORA L B5 Логичеcкая операция L ИЛИ A
ORA M B6 Логичеcкая операция M ИЛИ A
ORI d8 F6 Логичеcкая операция d8 ИЛИ A
OUT pp D3 Записать A в порт pp
PCHL E9 Передать управление по адресу в HL
POP B C1 Извлечь слово из стека в BC
POP D D1 Извлечь слово из стека в DE
POP H E1 Извлечь слово из стека в HL
POP PSW F1 Извлечь слово из стека в PSW
PUSH B C5 Поместить в стек содержимое BC
PUSH D D5 Поместить в стек содержимое DE
PUSH H E5 Поместить в стек содержимое HL
PUSH PSW F5 Поместить в стек содержимое PSW
RAL 17 Циклический сдвиг CY + A влево
RAR 1F Циклический сдвиг CY + A вправо
RLG 07 Сдвинуть A влево на один разряд с переносом
RRG 0F Сдвинуть A вправо на один разряд с переносом
RIM 20 Считать маску прерывания (в 8085)
RET C9 Возврат из подпрограммы
RZ C8 Возврат из подпрограммы, если FZ=0
RNZ C0 Возврат из подпрограммы, если FZ=1
RP F0 Возврат из подпрограммы, если FP=1
RM F8 Возврат из подпрограммы, если FP=0
RC D8 Возврат из подпрограммы, если FC=1
RNC D0 Возврат из подпрограммы, если FC=0
RPE E8 Возврат из подпрограммы, если паритет четный
RPO E0 Возврат из подпрограммы, если паритет нечетный
RST 0 C7 Запуск программы с адреса 0
RST 1 CF Запуск программы с адреса 8h
RST 2 D7 Запуск программы с адреса 10h
RST 3 DF Запуск программы с адреса 18h
RST 4 E7 Запуск программы с адреса 20h
RST 5 EF Запуск программы с адреса 28h
RST 6 F7 Запуск программы с адреса 30h
RST 7 FF Запуск программы с адреса 38h
SIM 30 Установить маску прерывания (только в 8085)  
SPHL F9 Загрузить SP из HL
SHLD a16 22 Записать HL по адресу a16
STA a16 32 Записать A по адресу a16
STAX B 02 Записать A по адресу Loc(BC)
STAX D 12 Записать A по адресу Loc(DE)
STC 37 Установить флаг переноса (CF=1)
SUB A 9F Вычесть А из А (очистить А)
SUB B 98 Вычесть B из А
SUB C 99 Вычесть C из А
SUB D 9A Вычесть D из А
SUB E 9B Вычесть E из А
SUB H 9C Вычесть H из А
SUB L 9D Вычесть L из А
SUB M 9E Вычесть M из А
SUI d8 DE Вычесть d8 из А
SBB A 9F Вычесть А из А (очистить А)
SBB B 98 Вычесть c заемом B из А
SBB C 99 Вычесть c заемом C из А
SBB D 9A Вычесть c заемом D из А
SBB E 9B Вычесть c заемом E из А
SBB H 9C Вычесть c заемом H из А
SBB L 9D Вычесть c заемом L из А
SBB M 9E Вычесть c заемом M из А
SBI d8 DE Вычесть c заемом d8 из А
XCHG EB Обмен содержимым DE и HL
XTHL E3 Обмен содержимого вершины стека с содержимым HL
XRA A AF Исключающее ИЛИ A с A (очистка A)
XRA B A8 Исключающее ИЛИ B с A
XRA C A9 Исключающее ИЛИ C с A
XRA D AA Исключающее ИЛИ D с A
XRA E AB Исключающее ИЛИ E с A
XRA H AC Исключающее ИЛИ H с A
XRA L AD Исключающее ИЛИ L с A
XRA M AE Исключающее ИЛИ Loc(HL) с A
XRI d8 EE Исключающее ИЛИ d8 с A

О выполнении некоторых команд i8080

Команды пересылки данных между регистрами кодируются в одном байте (это типичный случай регистровой адресации) следующим образом:

01DDDSSS
где DDD - номер регистра назначения; SSS - номер регистра приемника. Соответственно 01 - код операции пересылки. Никаких флагов команды пересылки не устанавливают. На выполнение команды тратится один машинный цикл.

Пересылка из ячейки памяти в регистр и из регистра в память осуществляется с помощью косвенно регистровой адресации. Это означает, что адрес ячейки памяти загружается в регистровую пару HL, а в командах типа MOV A,M (такие команды кодируются как 01DDD110) в регистр A будет загружено содержимое ячейки памяти, адрес которой содержится в HL. Так как в таких командах требуется обращение к памяти, то на их выполнение нужно два машинных цикла. Система команд процессора очень экономична - она не рассчитана на поддержку языков высокого уровня. Все это появится в Intel-процессорах позже.

Замечу, что средняя длина команды в типичной программе равна двум байтам, а для программ более поздних 16-разрядных процессоров типа 8086 она равна 4,1. Поэтому на логических программах 8-разрядные процессоры не сильно уступали 16-разрядным.

Аналогично работают и команды записи в память.

Команды непосредственной пересылки двухбайтные. В первом байте кодируются код операции и регистр, а второй содержит байт пересылаемых данных:

00DDD110 XXXXXXXX
Очевидно, что для исполнения команды требуется два цикла.

Более интересна версия этой команды MVI data, когда байт непосредственных данных пишется в память.

Она кодируется так:

00110110 ХХХХХХХХ
Исполнение занимает три цикла.

Очень полезна группа команд LXI непосредственной загрузки регистровых пар непосредственным значением. Она позволяет одной командой переместить сразу два байта данных и широко используется программистами как в операциях адресной арифметики, так и при выполнении целочисленных вычислений.

Команда кодируется так:

00RP0001 xxxxxxxx zzzzzzzz
где RP - регистровая пара; хххххххх - младший байт данных, zzzzzzzzz - старший байт данных.

При исполнении команды, требующей трех машинных циклов, старший байт данных грузится в старший регистр регистровой пары, а младший байт - в младший регистр. Название старшего регистра стоит в названии пары первым.

Команда прямой загрузки аккумулятора позволяет загрузить в него данные, на которые указывает адрес, содержащийся в самой команде.

Длина команды три байта. Кодируется она так:

001110010 хххххххх zzzzzzzz
где xxxxxxxx - младшая часть адреса; zzzzzzzz - старшая часть адреса.

Исполнение занимает машинных четыре цикла.

Симметричная по действию команда STA.

Команда LHLD addr (мнемоника расшифровывается Load H and L Direct) загружает в L содержимое ячейки памяти по адресу, кодируемому во втором и третьем байтах команды (т. е. адресация прямая). В H загружается байт из ячейки addr+1.

Команда выполняется за пять машинных циклов. Обратная ей по действию команда SHLD (Store H and L Direct).

Команда LDAX reg (мнемоника от Load accumulator indirect). Содержимое ячейки памяти, адресуемой регистровой парой BC или DE, за два цикла загружается в аккумулятор.

Обратная по действию команда STAX reg.

Очень полезная команда XCHG. (H)<->(D), (L)<->(E). Выполняется за один цикл.

Арифметические команды

Начнем со сложения. Сложить аккумулятор с содержимым регистра ADD reg

Кодировка: 10000RRR

Выполняется за один цикл. Обратите внимание, что все арифметические команды изменяют флаги: Z,S,P,CY,AC.

Для выполнения многобайтового сложения необходимо учитывать перенос. Поэтому младшие байты слагаемых складываются с помощью команды ADD, а все последующие в помощью команды ADC reg. Она учитывает при сложении содержимое флага переноса. Понятно, что в этой системе команд легко написать арифметику, которая будет работать с целыми числами длиной несколько килобайт (что и было сделано в системе muMATH-80).

Аналогично устроены команды вычитания.

Разновидностью команды сложения является команда инкремента регистра, необходимая для адресной арифметики и организации циклов.

INR reg
Кодировка: 00ККК100

Устанавливаются все флаги, за исключением CY.

Обратная по действию команда DCR reg.

Довольно редко используется команда DAA (мнемоника от Decimal Adjust Accumulator) выполняет следующие действия: если содержимое младшего полубайта (нибла) аккумулятора меньше 9 или установлен флаг CY, то (A) + 6, если значение старшего полубайта больше 9 или установлен флаг CY, то 6 добавляется к содержимому старшего полубайта.

При этом устанавливаются все флаги.

Логические команды

ANA reg
Флаг CY сбрасывается, а AC устанавливается (в 8085). В микропроцессоре 8080 на эти флаги влияет результат операции над третьими битами операндов.

В командах групп XRA и ORA флаги CY и AC сбрасываются.

CMP reg - сравнить регистр (Compare register), вычитает содержимое регистра из аккумулятора. Содержимое аккумулятора не изменяется. Флаги устанавливаются как при вычитании. Z=1, если (A) = (reg). CR = 1, если (A) < (reg).

Циклический сдвиг влево RCL работает следующим образом. Содержимое аккумулятора сдвигается на одну позицию влево, т. е. каждый старший бит получает значение стоящего рядом с ним младшего бита. Содержимое седьмого бита переходит в нулевой бит аккумулятора:

(CY) <-(b7).

RRC - сдвигает содержимое аккумулятора вправо. (CY)<- {b0}, (b7)<-(b0).

RAL - (Rotate Left trough Carry). Сначала (CY) заносится в младший бит аккумулятора, а потом в CY записывается содержимое старшего его бита.

Формально: (b0)<-(CY), (CY)<-(b7).

Аналогично со сдвигом вправо: (Bn)<-(Bn+1), (CY)<-(b0), (b7)<-(CY).

Команда CMA (мнемоника от Complement Accumulator) инвертирует каждый бит аккумулятора, т. е. 0 становится 1 и наоборот. Флаги не устанавливаются.

Команда CMC инвертирует содержимое флага переноса. Другие флаги не устанавливаются.

По командам управления стоит отметить выполнение команды вызова подпрограммы.

CALL addr - при ее выполнении в стек записывается адрес следующей за CALL команды, значение указателя стека дважды декрементируется, а управление передается по указанному адресу.

Команда возврата из подпрограммы записывает в счетчик команд адрес из вершины стека, увеличивает указатель стека на 2 и передает управление на новый адрес. Поэтому если модифицировать адрес возврата в стеке, то можно перейти совсем в другое место.

Для этого есть, впрочем, более удобная возможность - команда PCHL. Она позволяет передать управление по адресу в регистровой паре HL.

Иногда в системных программах используется команда останова HLT. Процессор останавливается, регистры и флаги не устанавливаются. Для запуска важно подать сигнал Reset.

IN port - данные из порта с указанным номером считываются в аккумулятор. Циклов 3. Флаги не изменяются.

OUT port - содержимое аккумулятора помещается на шину данных для записи в указанный в команде порт.

Как видим, система команд проста и незатейлива. Ее легко осваивали даже электронщики. Написано множество эмуляторов системы 8080, 8085 и Z-80 для PC, а также обучающих программ для студентов.

Конечно, через двадцать лет можно и Бейсик забыть. Поэтому, возможно, какие-то моменты я пропустил. Буду искренне благодарен всем приславшим на адрес chief@pcweek.ru свои дополнения и замечания, примеры учебных программ и т. п.


Материалы публикуются с разрешения редакции сайта "Виртуальный компьютерный музей"
Хронология развития компьютерной техники в Украине