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자일로그 Z8000

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목차

1. 개요

자일로그 Z8000은 1979년에 출시된 자일로그의 16비트 마이크로프로세서이다. 17,500개의 트랜지스터를 사용하고 110개의 명령어를 지원하며, 유저 모드와 슈퍼바이저 모드를 제공한다. Z8001과 Z8002 두 가지 버전으로 출시되었으며, Z8001은 8MB, Z8002는 64KB의 메모리 주소 공간을 지원한다. Z8000은 다양한 레지스터를 가지고 있으며, DRAM 리프레시 회로를 내장하는 등 혁신적인 기능을 갖추었지만, 성능과 버그 문제로 인해 인텔 80286이나 모토로라 68000에 밀려났다. 남코의 폴 포지션 게임 기판에 사용되었으며, Z16C01/02 직렬 통신 컨트롤러 형태로 현재도 판매되고 있다.

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자일로그 Z8000
Zilog Z8000 아키텍처
설계자자일로그
비트 수16비트
출시일1979년 3월 ()
디자인CISC
유형레지스터-메모리
인코딩해당 없음
분기조건 레지스터
엔디언해당 없음
페이지 크기해당 없음
확장 기능해당 없음
공개 여부해당 없음
이전 모델해당 없음
다음 모델Z80000
레지스터16 × 16비트 범용
24비트 PC
16비트 상태
범용 레지스터해당 없음
부동 소수점 레지스터해당 없음
Zilog Z8001
올리베티 M20 컴퓨터 마더보드의 Z8001
올리베티 M20 컴퓨터 마더보드의 Z8001
설계 회사자일로그
생산 시작1979년 ()
버전해당 없음
유형해당 없음
인코딩해당 없음
엔디언해당 없음
페이지 크기해당 없음
명령어해당 없음
확장 기능해당 없음
데이터 폭16비트
주소 폭23비트
공개 여부해당 없음
레지스터해당 없음
범용 레지스터해당 없음
부동 소수점 레지스터해당 없음
패키지 148핀 DIP (8001)
패키지 240핀 DIP (8002)
트랜지스터 수17,500

2. 기능

Z8000은 트랜지스터 17,500개를 집적하였으며 NMOS 공정으로 생산되었다. 명령어 110개를 가지고 있으며 유저 모드와 슈퍼바이저 모드를 지원한다. 16비트 다용도 레지스터 16개를 가지고 있는데, 8비트, 16비트, 32비트, 64비트같이 다양한 크기로 사용할 수 있다. 보통 14번 레지스터는 스택 세그먼트, 15번 레지스터는 스택 포인터로 사용된다.[47]

Z8000은 Z8001과 Z8002 두 가지 버전으로 판매되었다. '''Z8001'''은 7비트 세그먼트 레지스터를 사용해 8MB의 메모리 주소를 지원하며, Z8010 MMU를 사용하면 48MB까지 확장할 수 있다. '''Z8002'''는 64KB의 메모리 주소만 지원한다.

Z80처럼 Z8000도 DRAM 리프레시 회로를 내장하는 등 설계자들의 주목을 끄는 기능을 가지고 있었지만, 속도가 빠르지 않고 몇 가지 버그가 있어 286이나 68000에 밀리게 된다.[51]

레지스터 세트는 R0부터 R15까지 16개의 16비트 레지스터로 구성되며, 명령어에 따라 8비트, 16비트, 32비트, 64비트 레지스터로 사용할 수 있다. 32비트 레지스터로는 RR0, RR2, RR4, RR6, RR8, RR10, RR12, RR14 (8개), 64비트 레지스터로는 RQ0, RQ4, RQ8, RQ12 (4개)를 사용할 수 있었다.[48]

3. 아키텍처

자일로그 Z8000은 17,500개의 트랜지스터를 집적한 마이크로프로세서로, NMOS 공정으로 생산되었다. 110개의 명령어를 가지고 있으며, 사용자 모드와 슈퍼바이저 모드를 지원하여 운영체제 개발에 유용하게 활용될 수 있었다.

Z8000은 16개의 16비트 범용 레지스터를 가지고 있었는데, 이 레지스터들은 필요에 따라 8비트, 16비트, 32비트, 64비트 등 다양한 크기로 사용할 수 있었다. 일반적으로 14번 레지스터는 스택 세그먼트를, 15번 레지스터는 스택 포인터를 지정하는 데 사용되었다.

Z8000은 Z8001과 Z8002의 두 가지 주요 버전으로 출시되었다. Z8001은 7비트 세그먼트 레지스터를 통해 최대 8MB의 메모리 주소를 지원했으며, Z8010 메모리 관리 장치(MMU)를 추가하면 48MB까지 확장할 수 있었다. 반면 Z8002는 64KB의 메모리 주소만 지원하여 소형 시스템에 적합했다. Z8000은 주소 및 데이터 핀을 멀티플렉싱하는 방식을 사용했는데, 이는 모든 메모리 접근에 두 번의 메모리 사이클이 필요함을 의미했고, 결과적으로 모토로라 68000과 같은 경쟁 칩보다 속도가 느려지는 원인이 되었다.

Z8000은 DRAM 리프레시 회로를 내장하는 등 주목할 만한 기능을 가지고 있었지만, 성능이 충분히 빠르지 않고 몇 가지 버그도 발견되어 286이나 모토로라 68000과 같은 경쟁 프로세서에 밀려 시장에서 큰 성공을 거두지 못했다. Z8000이 사용된 가장 유명한 사례 중 하나는 남코의 폴 포지션(Pole Position)이라는 게임 기판에 Z8002 두 개가 사용된 것이다. 또한 군사 장비에도 사용된 것으로 알려져 있다.

이후 Z8000 시리즈는 가상 메모리를 지원하는 Z8003과 Z8004로 확장되었다. 이들은 세그먼테이션 오류를 처리하고 중단 기능을 제공하기 위해 새로운 상태 레지스터를 추가했다. Z8000은 미니컴퓨터에서 주로 사용되던 벡터 인터럽트를 직접 지원하는 흔치 않은 기능을 가지고 있었다. 이는 인터럽트 처리 속도를 높이고 코드를 단순화하는 데 기여했다.

Z8000 레지스터는 다음과 같이 구성되어 있다.

레지스터설명
R0 ~ R1516개의 16비트 범용 레지스터
RR0, RR2, ..., RR148개의 32비트 레지스터 (R0/R1, R2/R3, ... , R14/R15)
RQ0, RQ4, RQ8, RQ124개의 64비트 레지스터 (R0~R3, R4~R7, R8~R11, R12~R15)
RH0 ~ RH7, RL0 ~ RL7R0 ~ R7 레지스터의 상위/하위 8비트
R14스택 포인터 세그먼트
R15스택 포인터 오프셋



Z8000은 사용자 모드("일반")와 감독자 모드를 모두 지원하며, 플래그 레지스터의 비트 14를 통해 선택할 수 있었다. 감독자 모드에서는 시스템 스택을 가리키고 모든 특권 명령을 사용할 수 있었던 반면, 사용자 모드에서는 일반 스택을 가리키며 특권 명령은 오류를 발생시켰다. 이러한 별도의 모드와 스택은 사용자 프로그램과 운영 체제 간의 컨텍스트 전환 성능을 향상시켰다.[4]

3. 1. 메모리 관리

Z8000은 7비트 "세그먼트 번호"와 16비트 오프셋을 사용하는 세그먼트 메모리 맵을 가지고 있었다. Z8001 CPU는 23비트 메모리 주소, 즉 8MB를 직접 주소 지정할 수 있었다.[4] 명령어는 16비트 오프셋만 직접 액세스할 수 있어 명령어 형식이 더 작아졌다. 23비트 주소에 직접 액세스할 수 있는 시스템은 코드에서 참조되는 모든 주소에 대해 3바이트(24비트)를 메모리에서 읽어야 하므로, 16비트 버스에서 두 번 읽어야 했다. 세그먼트를 사용하면 주소는 16비트 읽기만 필요하며, 이 읽기에 세그먼트 번호를 더하여 전체 주소를 생성했다. 세그먼트 번호는 데이터가 16비트/64KB 경계를 넘을 때만 업데이트하면 되었다.[4]

내부적으로 주소는 모두 32비트였다. 비트 15에 선행 0이 있는 상위 16비트 워드, 7비트 세그먼트 번호, 그리고 8개의 0이 있었다. 각 23비트 주소가 32비트 레지스터 공간을 차지하므로 저장하는 데 더 많은 메모리가 필요했지만, 주소를 16비트 레지스터에 깨끗하게 저장할 수 있었고, 16비트 워드로 발생하는 스택에서 더 쉽게 푸시하고 팝할 수 있었다.[4]

48핀 Z8010 메모리 관리 장치(MMU)는 CPU의 23비트 주소를 24비트 주소로 변환하여 메모리 맵을 16MB로 확장할 수 있었다. Z8010에는 64개의 세그먼트 디스크립터 레지스터가 있었으며, 각 레지스터에는 16비트 기본 물리 주소, 8비트 제한, 8비트 속성 집합이 포함되어 있었다. CPU가 특정 세그먼트에 액세스하려고 하면, 7비트 값인 Z8010은 세그먼트 번호의 하위 6비트를 사용하여 세그먼트 디스크립터 레지스터를 선택하고, 세그먼트의 16비트 오프셋을 해당 레지스터의 제한 값과 비교하고, 액세스가 허용되는지 확인하기 위해 속성의 권한 비트를 확인하며, 액세스가 허용되면 기본 물리 주소를 세그먼트 오프셋에 더하여 물리 주소를 생성했다. 이를 통해 여러 프로그램이 물리적 RAM에 분산되어 각 프로그램이 자체 작업 공간을 가지면서 전체 8MB의 RAM에 액세스하고 있다고 생각할 수 있었다. 세그먼트는 가변 길이였으며, 64개의 세그먼트에서 전체 메모리에 액세스할 수 있도록 최대 64KB까지 확장되었다. 64개 이상의 세그먼트가 필요한 경우 여러 Z8010을 사용할 수 있었으며, 7비트 세그먼트 번호의 상위 비트는 어떤 Z8010을 사용할지 선택했다.

Z8003/Z8004의 출시와 함께 페이지 메모리 지원을 추가하는 Z8015가 라인업에 추가되었다. Z8015와 Z8010의 주요 차이점은 Z8015가 메모리를 64개의 2KB 블록으로 분할하는 반면, Z8010은 메모리를 최대 64KB인 64개의 가변 크기 블록으로 분할한다는 것이다. 또한 Z8015는 세그먼트 번호를 7비트에서 12비트로 확장한 다음, 이를 23비트 전체 주소의 최상위 비트로 사용하여 원래 16비트 오프셋의 상위 비트를 재정의했다. 이 액세스 방식의 장점은 2KB 블록을 하드 드라이브에 쉽게 읽거나 쓸 수 있으므로 이 패턴이 궁극적으로 세그폴트에서 발생할 상황과 더 밀접하게 일치한다는 것이다.

Z8001은 7비트 세그먼트 방식의 세그먼트 레지스터를 통해 주소를 확장하여 Z8010(MMU)에서 실제 주소로 변환, 주소 공간을 8MB까지 확장했다. Z8002는 임베디드 시스템용으로, 세그먼트가 없으므로 메모리 공간은 64KB로 제한되었다.

Z80과 마찬가지로 Z8000은 DRAM을 자동으로 새로 고침하는 시스템을 포함하고 있었다. 대부분의 시스템에서는 일반적으로 비디오 디스플레이 컨트롤러 또는 외부 로직이 이를 처리했다. 이 기능은 현재 갱신 중인 메모리 페이지를 저장하는 별도의 새로 고침 카운터(RC) 레지스터를 통해 구현되었다. 이 기능은 RC의 최상위 비트인 비트 15를 1로 설정하여 켜졌다. 그다음 6개의 비트(14부터 9까지)는 4번째 클럭 사이클마다 측정되는 속도였다. 표준 4MHz 클럭을 사용하면 1~64마이크로초마다 새로 고침을 호출할 수 있었다. 나머지 8비트는 메모리의 새로 고침할 행을 선택했다.[4]

3. 2. 인터럽트 처리

Z8000에서 발견되는 흔치 않은 기능 중 하나는 미니컴퓨터와 더 일반적으로 연관된 벡터 인터럽트에 대한 직접적인 지원이다. 인터럽트는 외부 장치가 특정 조건이 충족되었음을 프로세서에 알리기 위해 사용된다. 일반적인 사용 사례는 플로피 디스크 읽기와 같은 느린 프로세스에서 데이터가 이제 사용 가능하며 CPU가 데이터를 메모리로 읽을 수 있음을 나타내는 것이다.

일반적으로 소형 기계에서는 인터럽트가 다양한 상태 비트와 메모리 위치를 검사하여 실제로 인터럽트를 호출한 장치와 그 이유를 결정하는 특수 코드를 실행하게 된다. 일부 설계, 특히 실시간 컴퓨팅을 위해 설계된 경우, 메모리 영역은 특정 장치를 처리하는 코드에 대한 포인터 또는 벡터 집합으로 할당된다. 그런 다음 인터럽트를 발생시키는 장치는 일반적으로 CPU의 핀을 통해 특정 인터럽트 번호 N을 나타내는 일부 상태를 설정한다. 인터럽트가 호출되면 CPU는 테이블의 N번째 항목을 통해 즉시 점프하여 인터럽트를 디코딩할 필요가 없다. 이렇게 하면 추가 작업을 실행할 필요가 없으므로 인터럽트 서비스를 크게 가속화할 수 있으며, 인터럽트 처리 코드를 단순화할 수도 있다.

Z8000에서는 새로운 레지스터가 벡터를 지원하는데, 이는 새로운 프로그램 상태 영역 포인터(New Program Status Area Pointer)이다. 이 레지스터는 레지스터 내의 메모리 주소와 유사하며, 상위 16비트가 세그먼트 번호를 포함하는 두 개의 16비트 값으로 구성된다. 하위 16비트는 다시 절반으로 나뉘며, 상위 8비트는 오프셋을 포함하고 하위 8비트는 비어 있다. 특정 벡터를 호출하기 위해 외부 장치는 주소 버스에 하위 8비트(또는 경우에 따라 9비트)를 제공하며, 세 가지 값에서 완전한 벡터 주소를 구성한다.[4]

4. 지원 칩

Z8000 프로세서를 지원하기 위해 설계된 다양한 칩들은 다음과 같다:

칩 이름기능비고
Z8010메모리 관리 장치(MMU)Z8001의 메모리 주소 공간을 16MB로 확장. [5]
Z8016직접 메모리 접근(DMA) 전송 제어기[6]
Z8030직렬 통신 제어기[7]
Z8036카운터/타이머 및 병렬 I/O 장치[8]
Z8090범용 주변 장치 제어기[9]
Z8531클럭 생성기 및 제어기[10]
LH8010/LH8010AZ8010/Z8010A 호환 메모리 관리 장치샤프 제조. [11]
LH8036/LH8036AZ8036/Z8036A 호환 카운터/타이머 및 병렬 I/O 장치샤프 제조. [12]
LH8072내부 128바이트 FIFO를 갖춘 직렬 병렬 조합 컨트롤러샤프 제조, 1983년 발매.[13]
LH8073GPIB 컨트롤러샤프 제조. [14]
LH8090Z8090 호환 범용 주변 장치 제어기샤프 제조. [15]


5. Z8000 CPU 기반 시스템

1980년대 초, 자일로그 Z8000 CPU는 데스크톱 크기의 유닉스 머신에 널리 사용되었다. 이러한 시스템은 소규모 기업에서 다중 사용자 시스템으로 디스크나 프린터 같은 자원을 공유할 수 있게 해주었다. 당시 일반적인 서버와 마찬가지로 내장 그래픽 대신 RS-232 직렬 포트(4~16개)와 병렬 프린터 포트를 가지고 있었다.

Z8000 기반 컴퓨터 시스템은 다음과 같다:

제조사모델출시 연도특징비고
오닉스 시스템C80021980년Z8002 사용, Version 7 Unix 실행, C, FORTRAN 77, COBOL 컴파일러 사용 가능, 8개 직렬 포트, 1개 QIC 테이프 드라이브, 가격 약 25,000달러. 메인 프로세서는 디스크, 테이프, 직렬 I/O 작업을 Z80 프로세서에 오프로드.[16]최초의 유닉스 워크스테이션 중 하나[56]
올리베티M20, M30, M40, M50, M601982년M20은 COSMOS 또는 CP/M 8000 파생 PCOS 실행, 비 IBM 호환 PC, Linea 1 S1000, S6000, M30, M40, M50, M60, M70는 BCOS/COSMOS 실행[57]
자일로그System 8000 (Z-Lab 8000)1981년모델 20 (256KB RAM, 24MB 하드 드라이브, 27,000달러), 모델 30 (512KB RAM, 듀얼 하드 드라이브, 33,950달러), Zeus (자일로그 유닉스 강화 버전) 실행, 6MHz Z8001A, 3개 Z8010A 메모리 관리 장치 기반 멀티 유저 비즈니스 시스템[17] [18]
자일로그System 8000 시리즈 21983년11.1MHz Z8001B 프로세서, 32KB 캐시 메모리, 3가지 모델 (가격 19,950~29,950달러), 기본 모델 512KB RAM (최대 2MB), 다른 모델 최대 4MB 확장 가능, Unix System III 실행[27]
Plexus IndustriesP/40, P/251981-1982년P/40: Z8000 기반, 최대 3MB/s 직접 메모리 액세스 처리량, 512KB RAM, 72MB 하드 드라이브, 8 사용자 구성 가격 49,500달러 (유닉스 라이선스 5,000달러 추가), P/25: PDP-11/70 시스템 유사 성능 주장, 이후 모델 P/60은 Z8000을 입출력 컨트롤러로, 모토로라 68000을 메인 CPU로 사용, P/35도 유사 아키텍처 유지[19] [20] [21] [22]
Bleasdale Computer SystemsBDC-6001982년Xenix 실행, Z8000, 256KB RAM, 플로피 드라이브, 10MB 하드 드라이브, 8개 입출력 포트 지원, Multibus 표준 기반, 68000, Z80, 6809, 8086 활용 보드 포함 다른 프로세서 구성 발표, 이후 BDC-680 시리즈로 68000 아키텍처 집중[23] [24]
오닉스 시스템C5002A, C8002A, Sundance-161982-1983년Z8001 사용, Unix System III 실행[25][26]
엑손 오피스 시스템500 시리즈, 8400 시리즈1983년[28][29]
코모도어코모도어 9001985년 (취소됨)유닉스 계열 OS 탑재 예정이었으나 아미가 인수로 프로젝트 중단[54]
EAW (Elektro-Apparate-Werke)P80001987–1989년Z8000 동독 U8000 복제본 기반 워크스테이션/멀티유저 시스템동독
남코폴 포지션, 폴 포지션 IIZ8002 2개 사용아케이드 게임
중앙전자 주식회사CEC80001981년UNIX v7 탑재, Z8010 MMU 버그 회피를 위해 MMU 2개 탑재
샤프Z8000 탑재 시스템AMD, 샤프에서 Z8000 세컨드 소스 제조[54]
야마하YIS (PU-1-20)그래픽 컨트롤러



자일로그 S8000 컴퓨터는 ZEUS (Zilog Enhanced Unix System)라는 유닉스 버전을 출시했다. ZEUS는 Version 7 Unix를 기반으로 '버클리 향상 기능'을 포함했다. ZEUS는 COBOL의 RM/COBOL (Ryan McFarland COBOL) 버전을 포함하여 많은 상업용 애플리케이션이 S8000으로 빠르게 포팅되었지만, 장기적인 성공에는 도움이 되지 않았다. S8000은 IRS 및 세금 관련 업무에 사용되었다.

Xenix 운영 체제의 Z8000 버전도 있었다.[59] CP/M-8000도 출시되었다.[55] Z8000은 군사용으로도 사용된 것으로 보인다.[51]

6. 평가 및 한계

Z8000은 DRAM 리프레시 회로를 내장하는 등 설계자들의 주목을 받았지만, 속도가 빠르지 않고 몇 가지 버그가 있어 286이나 68000에게 밀리게 되었다.[38]

당시 자일로그의 최고 경영자였던 페데리코 파진은 엑손(Exxon)의 벤처 투자 부서인 엑손 엔터프라이즈와의 자금 지원 계약 때문에 IBM이 자일로그를 경쟁자로 보고 Z8000을 고려하지 않았다고 주장했다.[38]

또한, 파진은 Z8000의 분할된 아키텍처가 애플 매킨토시와 같은 시스템이 단일 주소 공간에서 64KB 이상의 메모리에 쉽게 접근해야 하는 "그래픽 기반 응용 프로그램"의 등장에 불리하게 작용했다고 인정했다. 제품 출시가 예상보다 오래 걸린 점도 채택 실패의 원인으로 꼽았으며, 인텔이 8086에서 경험한 것처럼 "가장 먼저 출시하고, 강력한 마케팅과 모멘텀을 갖는 것"만이 이러한 종류의 제품이 성공할 수 있는 유일한 길이었을 것이라고 언급했다.[39]

1980년대 초, 어셈블리 언어 버전의 바이트 체(Byte Sieve)를 비교하면, 5.5MHz Z8000은 1.1초로 4MHz Z80 (6.8초), 1MHz MOS 6502 (13.9초), 1MHz 모토로라 6809 (5.1초)보다 빨랐으며, 8MHz 인텔 8086 (1.9초) 또는 5MHz 인텔 8088 (4초)보다도 성능이 우수했다.[40]

하지만 인텔 프로세서는 40핀 DIP로 패키징되어 48핀 Z8001보다 구현 비용이 저렴했다. Z8002도 40핀 패키지를 사용했지만 64KB RAM만 지원한 반면, 인텔 프로세서는 20비트 버스로 1MB RAM을 지원했다. Z8000의 23비트 주소는 16비트 기본 주소와 별도의 세그먼트 레지스터를 사용하는 인텔 시스템보다 복잡했다. 대용량 메모리에 접근 가능한 저가형 옵션을 찾는 사람들에게 인텔의 설계는 경쟁력이 있었고 1년 이상 먼저 출시되었다.[40]

Z8000은 1979년 초에 출시된 가장 빠른 CPU였지만, 16/32비트 8MHz 모토로라 68000이 같은 해 늦게 출시되어 동일한 Sieve 테스트에서 0.49초로 Z8000보다 두 배 이상 빨랐다.[40] 모토로라 68000은 더 큰 64핀 DIP 레이아웃을 사용했지만, 32비트 명령어와 레지스터, 16MB 어드레싱이 가능한 24비트 주소 버스를 가져 디자이너들에게 더 매력적이었다.[38]

Z8000은 복잡한 명령어 디코더를 마이크로코드 없이 CPU에 직접 구현된 로직에 의존하여 트랜지스터 수를 17,500개로 줄였다.[41] 반면, 인텔 8088은 29,000개,[42] 모토로라 68000은 68,000개의 트랜지스터를 사용했다.[43]

7. 세컨드 소스

AMD,[44] SGS-Ates, 도시바, 샤프에서 자일로그 Z8000을 생산했다.

참조

[1] 웹사이트 The Z8000 / Z80,000 / Z16C00 CPU homepage https://www.kranenbo[...] 2024-11-10
[2] 간행물 Zilog writes https://archive.org/[...] 1981-07
[3] 간행물 Z8000 https://html.alldata[...]
[4] 서적 Osborne 16-Bit Microprocessor Handbook Osborne/McGraw-Hill 1981
[5] 웹사이트 Z8010 Z8000 MMU Memory Management Unit Product Specification http://www.bitsavers[...] Zilog 1985-04
[6] 웹사이트 Z8000 Z8016 Z-DTC Direct Memory Access Transfer Controller Product Specification http://www.bitsavers[...] Zilog 1985-04
[7] 웹사이트 Z8030 Z8000 Z-SCC Serial Communications Controller Product Specification http://www.bitsavers[...] Zilog 1985-04
[8] 웹사이트 Z8036 Z8000 Z-CIO Counter/Timer and Parallel I/O Unit http://www.bitsavers[...] Zilog 1985-04
[9] 서적 1982/83 Data Book http://www.bitsavers[...] Zilog 1982
[10] 웹사이트 Z8581 Clock Generator and Controller Product Specification http://www.bitsavers[...] Zilog 1985-04
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