Z80 toolkit

Z80 toolkit
Franc Grootjen
March 14, 2003
Abstract
De Z80 is een eenvoudige 8 bit microprocessor uit de zeventiger jaren die nog
steeds te koop is voor ongeveer de prijs van een heel brood. De Z80 wordt nog
steeds gebruikt in embedded systems, rekenmachines (TI83) en computerspelletjes
(Gameboy). Er is overigens enorm veel informatie op het net te vinden over deze
processor1 . Dit document is een korte beschrijving van een toolkit waarmee je de
werking van de Z80 kan doorgronden door middel van emulatie onder windows.
Mocht je zelf interesse hebben om zelf een computer te bouwen rond deze processor,
aarzel dan niet en stuur een mail naar [email protected].
1 Machinetaal en assembly
De Z80 voert op een hoge snelheid uiterst elementaire instructies uit. Deze instructies zijn opgeslagen in het geheugen als getalletjes. Zo’n rij van getalletjes wordt ook
wel machinetaal genoemd. Omdat het programmeren in getalletjes nogal lastig is gebruiken we meestal een tool die een wat vriendelijker notatie van de instructies toestaat:
een assembler. Zo’n assembler is in staat om die vriendelijke notatie (in zogenaamde
mnemonics) om te zetten naar de getalletjes die de Z80 uitvoert. Het volgende assembly programma:
ld
ld
add
halt
a,12
b,13
a,b
kan door een assembler vertaald worden naar de (heximale) machinetaal getalrij 3e
0c 06 0d 80 76. Stel je voor dat je zelf die instructies zou moeten coderen in hex.
Monnikkenwerk, en ook nog enorm vatbaar voor fouten.
1
Een goed startpunt is www.z80.info
1
1.1
zmac
zmac is een Z80 macro assembler. Laten we het assembly programma van hierboven
eens gaan vertalen. Gebruik notepad of een andere editor waarmee je platte text files
kunt maken, tik het bovenstaande programma in (meestal worden tabs gebruikt om de
kolommen te scheiden in assembly) en save de file as ’test.asm’.
Gebruik nu (vanuit command.com of cmd) het commando zmac test.asm om je
assembly programma te coderen. Als het goed is krijg je in de huidige directory de
volgende files:
• test.lst - Een overzichtelijke versie van je test.asm file, met de hexadecimale
vertaling erbij. Deze file is handig om af te drukken voor naslag en debug werk.
• test.hex - De machinetaal getalrij van je programma. Dit bestand bevat de instructiereeks (in hex) die een Z80 kan uitvoeren.
Mocht je een tikfout gemaakt hebben in test.asm, dan geeft zmac een foutmelding,
en kan je in test.lst zien hoever hij was gekomen.
1.2
emu
Natuurlijk wil je weten of je programma werkt. Dit is te testen door middel van de
emulator: Tik in: emu test.hex. Je krijgt als het goed is hetvolgende te zien:
CPU halted
PC
SP
IR
IX
IY
A BC
DE
HL
F
0006 0000 0000 0000 0000 19 0d00 0000 0000 18 (H)
A’ BC’ DE’ HL’ F’
00 0000 0000 0000 00
Je programma is uitgevoerd door de emulator. Omdat het programma eindigde met een
halt instructie meldt de emulator dat de CPU gestopt is. Vervolgens wordt de inhoud
van alle Z80 registers getoond. Je ziet dat de accumulator de (hexadecimale) waarde 19
heeft, dit is decimaal 25.
Soms is het practisch om je programma stap voor stap door te lopen (tracing). Dit
gaat via emu -t test.hex. De emulator geeft nu:
0000
(emu)
ld
a,0c
De emulator laat zien wat de volgende instructie is die hij gaat uitvoeren, en vraagt om
een commando. Tik step (of alleen de letter s) om een enkele instructie uit te voeren.
Je krijgt dan:
(emu) step
0002
ld
(emu)
b,0d
2
De volgende (nog uit te voeren instructie) staat op adres 2. Je kan tussentijds de inhoud
van de registers bekijken met het commando examine (of kortweg e):
(emu) examine
PC
SP
IR
IX
IY
A BC
DE
HL
F
0002 0000 0000 0000 0000 0c 0000 0000 0000 00
(emu)
Gebruik help om te kijken wat de emulator allemaal nog meer kan.
1.3 Labels
Soms is het handig om een bepaalde geheugenlocatie een naam te geven. Dit kan
handig zijn bij bijvoorbeeld sprongopdrachten, of opslag van tijdelijke variabelen. Beschouw
het volgende programma wat de som uitrekent van de getallen 1 tot en met 10:
;
; Bereken de som van de getallen 1 tot en met 10
;
ld
b,10
ld
a,0
loop:
add
a,b
djnz
loop
halt ; klaar!
De djnz instructie trekt iedere keer 1 van het b register af, en springt terug naar de
instructie ervoor, totdat het b register de waarde 0 bevat. We hebben de label loop
gebruikt om het terugspringadres te benoemen. Natuurlijk is deze label niet meer terug
te vinden in de rij machinetaal getallen (wat staat daar dan?!). Merk overigens op dat
alles wat na een ; staat tot aan het eind van de regel door de assembler als commentaar
wordt beschouwd (en dus genegeerd wordt).
Het kan handig zijn om geheugen te reserveren voor tussenresultaten; bijvoorbeeld
om de waarde in de accumulator even op te slaan, en later weer terug te halen. In het
volgende voorbeeld gebruiken we de label opslag hiervoor:
; ...
ld
(opslag),a
; save a
ld
a,(opslag)
; restore a
; ...
; ...
halt
opslag: defb 0
Hier is defb geen instructie. Het is een aanwijzing aan de assembler om een geheugenlocatie te reserveren van 1 byte groot, met de beginwaarde 0. Vertaal dit stukje code
eens met zmac en kijk in de .lst file hoe de assembler dit vertaalt.
3