Zilog Z80 CPU - โคลนซิลิคอนสมัยใหม่ ฟรี และโอเพนซอร์ส

 (github.com/rejunity)
1 คะแนน โดย GN⁺ 2024-04-29 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

การพัฒนาโคลนซิลิคอนโอเพนซอร์สของ Zilog Z80 CPU

  • เมื่อวันที่ 15 เมษายน 2024 บริษัท Zilog ประกาศยุติการผลิต Z80 ซึ่งเป็นหนึ่งใน CPU แบบ 8 บิตที่มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์
  • ถึงเวลาที่ชุมชนโอเพนซอร์สและการอนุรักษ์ฮาร์ดแวร์จะเริ่มพัฒนาซิลิคอนเสรีและโอเพนซอร์ส (FOSS) ที่สามารถใช้แทน Zilog Z80 ได้
  • การผลิต FOSS Z80 ชุดแรกมีกำหนดในเดือนมิถุนายน 2024

ซิลิคอนเวอร์ชันแรกของ FOSS Z80

  • เวอร์ชันแรกพัฒนาด้วย Tiny Tapeout 07 บนกระบวนการผลิต 130nm และออกแบบให้พอดีกับพื้นที่ได 0.064mm²
  • การผลิตครั้งแรกมีกำหนดเป็นส่วนหนึ่งของ CI 2406 shuttle ในเดือนมิถุนายน 2024
  • การใช้งานจริงอ้างอิงจาก TV80 Verilog core ของ Guy Hutchison
  • มีการนำเสนอภาพเลย์เอาต์วงจรรวม GDSII ของ FOSS Z80 ที่สร้างจากองค์ประกอบลอจิก "gate" แบบ 130nm โดยใช้โฟลว์การวางและเดินสายอัตโนมัติของ OpenROAD

แผนในอนาคตและสิ่งที่ต้องทำ

  • เพิ่ม ZEXALL ลงใน test bench เพื่อทดสอบการรันคำสั่ง 'illegal'
  • เปรียบเทียบการใช้งาน Verilog core หลายแบบ เช่น A-Z80, Z80Explorer เป็นต้น
  • ผลิตบน ChipIgnite ในแพ็กเกจ QFN44
  • ผลิตในแพ็กเกจ DIP40
  • สร้าง gate-level layout ที่คล้ายกับเลย์เอาต์ Z80 ดั้งเดิม (ตอนที่ Zilog ออกแบบ Z80 มีการจัดวางทรานซิสเตอร์แต่ละตัวด้วยมือ)

ข้อมูลเกี่ยวกับ Z80 CPU

ผังขา

  • มีการแสดงผังของขาทั้ง 40 ขาของ Z80 CPU

เอกสาร

  • คู่มือการใช้งาน Z80 (เวอร์ชัน Zilog, Mostek)
  • Zilog data book
  • ข้อมูลทุกอย่างเกี่ยวกับ Z80
  • คำสั่งที่ไม่มีการบันทึกไว้ในเอกสาร
  • ตารางคำสั่งและจังหวะเวลา

ประวัติแบบบอกเล่าของการพัฒนา Z80

  • เสวนาประวัติแบบบอกเล่าเกี่ยวกับการพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์ Z80 และการก่อตั้งบริษัท
  • คำอธิบายการออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์โดย M. Shima

สิทธิบัตรของ Z80

  • สิทธิบัตรการป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากที่อินพุต (US4605980, หมดอายุแล้ว)
  • สิทธิบัตรวงจรรีเซ็ต (US4486827A, หมดอายุแล้ว)
  • สิทธิบัตรอื่น ๆ (US4332008A, หมดอายุแล้ว)

ภาพไดของ Z80

  • วิธีอ่านภาพได
  • ภาพไดของ Z80 หลายเวอร์ชันและชิปโคลนต่าง ๆ (Zilog, Nintendo, Mostek, National Semiconductor, Soviet ฯลฯ)

การทำ reverse engineering ของ Z80

  • การถอดรหัส instruction register ของ Z80
  • การทำงานแบบ 3 เฟสของ data bus และ address bus gate ของ Z80
  • พฤติกรรมที่มี/ไม่มีการบันทึกไว้ของ Z80
  • PLA สำหรับการถอดรหัสคำสั่งของไมโครโปรเซสเซอร์ Z80
  • เหตุผลที่ขา data ของ Z80 ถูกสลับกัน
  • วิธีการ implement รีจิสเตอร์ของ Z80
  • การทำ reverse engineering วงจรเพิ่ม/ลดค่า 16 บิตของ Z80
  • ALU แบบ 4 บิตของ Z80
  • คำอธิบายระดับซิลิคอนของ XOR gate และ gate ที่น่าสนใจอีกสองชนิด
  • รีจิสเตอร์ WZ (MEMPTR) - รีจิสเตอร์ลึกลับของ Z80

อิมพลีเมนเทชัน Z80 ที่มีอยู่เดิม

  • TV80 (Verilog) - เวอร์ชัน Guy Hutchison
  • TV80 (Verilog) - เวอร์ชัน Obijuan
  • A-Z80 (Verilog)
  • อีมูเลเตอร์ระดับ netlist ของ Z80 (Z80Explorer)

แนะนำ Tiny Tapeout

  • Tiny Tapeout เป็นโครงการเพื่อการศึกษาที่มีเป้าหมายทำให้การผลิตชิปจริงจากการออกแบบดิจิทัลง่ายขึ้นและมีต้นทุนต่ำลง
  • ดูรายละเอียดเพิ่มเติมและวิธีเริ่มต้นได้ที่ https://tinytapeout.com

แหล่งข้อมูลที่เกี่ยวข้อง

  • FAQ
  • บทเรียนการออกแบบดิจิทัล
  • เรียนรู้หลักการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์
  • เข้าร่วมชุมชน
  • สร้างงานออกแบบบนเครื่องของตนเอง

ความเห็นของ GN⁺

  • Z80 เป็นโปรเซสเซอร์ที่มีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ของ CPU แบบ 8 บิต และการพัฒนาเวอร์ชัน FOSS ถือเป็นความพยายามที่มีความหมาย
  • โดยเฉพาะการผลิตเป็นซิลิคอนจริงด้วย Skywater 130nm PDK อาจช่วยผลักดันการพัฒนาระบบนิเวศฮาร์ดแวร์โอเพนซอร์ส
  • อย่างไรก็ตาม ชุดคำสั่งของ Z80 อาจค่อนข้างล้าสมัยเมื่อมองจากมุมมองสมัยใหม่ และยังมีคำถามในด้านการใช้งานจริง
  • อาจมีคุณค่าในงานเรโทรคอมพิวติงหรือเพื่อการศึกษา แต่ดูจะนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ได้ยาก
  • การทำ reverse engineering เพื่อเข้าใจรายละเอียดการออกแบบของ Z80 จะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการเรียนรู้สถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์
  • มี Verilog core ที่พร้อมใช้อยู่อย่างดีและสามารถอีมูเลตได้ง่ายผ่าน FPGA เป็นต้น ทำให้เข้าถึงได้ไม่ยาก
  • การวิเคราะห์เปรียบเทียบกับโปรเซสเซอร์โอเพนซอร์สสมัยใหม่อย่าง RISC-V, OpenPOWER เป็นต้น ก็อาจเป็นหัวข้อวิจัยที่น่าสนใจ

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-04-29
ความเห็นจาก Hacker News

  • น่าทึ่งที่ Tiny Tapeout ทำให้เมกเกอร์และนักเรียนสามารถทำแบบออกแบบชิปของตัวเองให้เป็นจริงได้ในราคาที่เข้าถึงได้

  • แม้จะออกแบบ CPU Intel รุ่นถัดไปด้วยกระบวนการผลิต 130nm ไม่ได้ แต่การที่ Z80 ลงไปอยู่ในพื้นที่ 0.064 mm2 ได้นั้นก็น่าประทับใจมาก

  • น่ายินดีที่มีทางเลือกเกิดขึ้นมา ในช่วงที่การผลิตชิปอย่างเป็นทางการถูกยุติลง

  • อยากได้ฝาครอบชุบทองกับแพ็กเกจเซรามิกสีม่วงสดสุดหรู

  • 6502 ซึ่งเป็นคู่แข่งของ Z80 และผลิตภัณฑ์อนุพันธ์ของมัน ยังคงมีการผลิตอยู่โดยหนึ่งในผู้สร้างดั้งเดิม

  • Z80 เป็น CPU ของ ZX Spectrum

  • มีข้อสงสัยเกี่ยวกับความเข้ากันได้กับ Z80 ต้นฉบับ

    • Z80 มีคำสั่งที่ไม่ได้มีการจัดทำเอกสารและมี "trap gate" ซึ่งอาจส่งผลต่อชุดลำดับคำสั่งบางแบบ
    • สิ่งนี้ถูกใช้เพื่อแยกแยะระหว่าง Z80 ของแท้กับชิปรุ่นโคลน

  • เลย์เอาต์ของวงจรดูเหมือน gate array ที่สม่ำเสมอ มากกว่าจะเป็นเลย์เอาต์แบบคัสตอมที่มักเห็นในภาพถ่ายไดทั่วไป

  • เสียดายที่ทุ่มทรัพย์สินทั้งหมดไปกับการซื้อชิป Z80 ในโอกาส "ซื้อครั้งสุดท้าย" (ล้อเล่น)

  • สงสัยว่า ALU 4 บิตของ Z80 (ใช้ 2 ชุดเมื่อคำนวณแบบ 8 บิต) ถูกมองว่าเป็นคอขวดหลักหรือไม่ และภายหลังมีการขยายเพิ่มการคำนวณจำนวนเต็มบิตสูงขึ้นหรือไม่

  • สงสัยว่าชิปรุ่นโอเพนซอร์สจะเปิดทางให้เกิดฟีเจอร์ใหม่และรุ่นย่อยต่าง ๆ ได้หรือไม่

  • (ความเห็นจากคนที่เคยอยู่ในทีม efabless.com ช่วงแรก) Open source EDA ดูเจ๋งมาก

  • ประหลาดใจที่ Z80 เปิดตัวมาแล้วถึง 50 ปี

  • สงสัยว่ามันจะแข่งขันด้านราคากับชิป Z80 มือสองที่มีอยู่เกลื่อนตลาดได้แค่ไหน