User manual ZILOG Z80 FAMILY

Z80 Family CPU User Manual User Manual UM008003-1202 ZiLOG Worldwide Headquarters · 532 Race Street · San Jose, CA 95126-3432 Telephone: 408.558.8500 · Fax: 408.558.8300 · www.ZiLOG.com Z80 CPU User's Manual This publication is subject to replacement by a later edition. To determine whether a later edition exists, or to request copies of publications, contact: ZiLOG Worldwide Headquarters 910 E. Hamilton Avenue Campbell, CA 95008 Telephone: 408.558.8500 Fax: 408.558.8300 www.ZiLOG.com Document Disclaimer ZiLOG is a registered trademark of ZiLOG Inc. in the United States and in other countries. All other products and/or service names mentioned herein may be trademarks of the companies with which they are associated. ©2002 by ZiLOG, Inc. All rights reserved. Information in this publication concerning the devices, applications, or technology described is intended to suggest possible uses and may be superseded. ZiLOG, INC. DOES NOT ASSUME LIABILITY FOR OR PROVIDE A REPRESENTATION OF ACCURACY OF THE INFORMATION, DEVICES, OR TECHNOLOGY DESCRIBED IN THIS DOCUMENT. ZiLOG ALSO DOES NOT ASSUME LIABILITY FOR INTELLECTUAL PROPERTY INFRINGEMENT RELATED IN ANY MANNER TO USE OF INFORMATION, DEVICES, OR TECHNOLOGY DESCRIBED HEREIN OR OTHERWISE. Except with the express written approval of ZiLOG, use of information, devices, or technology as critical components of life support systems is not authorized. No licenses are conveyed, implicitly or otherwise, by this document under any intellectual property rights. UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual iii Table of Contents Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 CPU Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 Arithmetic Logic Unit (ALU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Instruction Register and CPU Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 Pin Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 Pin Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Instruction Fetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Memory Read Or Write . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 Input or Output Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 Bus Request/Acknowledge Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Interrupt Request/Acknowledge Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Non-Maskable Interrupt Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 HALT Exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 Power-Down Acknowledge Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Power-Down Release Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Interrupt Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Interrupt Enable/Disable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 CPU Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 Hardware and Software Implementation Examples . . . . .27 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 Minimum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 Adding RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 Memory Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 UM008003-1202 Table of Contents Z80 CPU User's Manual iv Interfacing Dynamic Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Software Implementation Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Overview of Software Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Examples of Specific Z80 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Examples of Programming Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Z80 CPU Instruction Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Instruction Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Addressing Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Instruction Op Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Z80 Instruction Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Z80 Assembly Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Z80 Status Indicator Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Add/Subtract Flag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Z80 Instruction Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8-Bit Load Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 16-Bit Load Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Exchange, Block Transfer, and Search Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8-Bit Arithmetic Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 General-Purpose Arithmetic and CPU Control Groups . . . . . . . . . . . 166 16-Bit Arithmetic Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Rotate and Shift Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Bit Set, Reset, and Test Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Jump Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Call And Return Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Input and Output Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Table of Contents UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual v List of Instructions ADC A, s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 ADC HL, ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 ADD A, (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 ADD A, (IX + d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 ADD A, (IY + d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 ADD A, n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 ADD A, r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 ADD HL, ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 ADD IX, pp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 ADD IY, rr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 AND s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 BIT b, (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226 BIT b, (IX+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228 BIT b, (IY+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230 BIT b, r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 CALL cc, nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 CALL nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255 CCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 CP s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 CPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 CPDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 CPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 CPIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 CPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 DAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 DEC IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188 DEC IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 DEC m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 DEC ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 DI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 DJNZ, e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 UM008003-1202 List of Instructions Z80 CPU User's Manual vi EI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EX (SP), HL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EX (SP), IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EX (SP), IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EX AF, AF' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EX DE, HL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EXX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . HALT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IM 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IM 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IM 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IN A, (n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IN r (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC (IX+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC (IY+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INC ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JP (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JP (IX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JP (IY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JP cc, nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JP nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JR NC, e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JR C, e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JR e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JR NZ, e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . JR Z, e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . List of Instructions 175 125 126 127 123 122 124 173 176 177 178 269 270 161 162 163 185 186 160 184 275 277 272 273 250 251 252 239 238 244 242 241 248 246 UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual vii LD (BC), A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 LD (DE), A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 LD (HL), n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 LD (HL), r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 LD (IX+d), n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 LD (IX+d), r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 LD (IY+d), n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 LD (IY+d), r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 LD (nn), A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 LD (nn), dd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 LD (nn), HL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 LD (nn), IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 LD (nn), IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 LD A, (BC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 LD A, (DE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 LD A, (nn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 LD A, I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 LD A, R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 LD dd, (nn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 LD dd, nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 LD HL, (nn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 LD I,A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 LD IX, (nn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 LD IX, nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 LD IY, (nn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 LD IY, nn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 LD r, (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 LD r, (IX+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84 LD r, (IY+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 LD R, A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 LD r, r' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 LD r,n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 LD SP, HL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 LD SP, IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114 UM008003-1202 List of Instructions Z80 CPU User's Manual viii LD SP, IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LDDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LDIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OR s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OTDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OTIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OUT (C), r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OUT (n), A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OUTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OUTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . POP IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . POP IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . POP qq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PUSH IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PUSH IY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PUSH qq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RES b, m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RET cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RETI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RETN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RL m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLC (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLC (IX+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLC (IY+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLC r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RR m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . List of Instructions 115 131 132 128 129 169 172 154 286 283 280 279 285 282 120 121 119 117 118 116 236 260 261 263 265 202 191 196 198 200 194 190 220 208 UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual ix RRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 RRC m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 RRCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192 RRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 RST p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 SBC A, s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 SBC HL, ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 SCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 SET b, (HL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233 SET b, (IX+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234 SET b, (IY+d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235 SET b, r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 SLA m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 SRA m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 SRL m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 SUB s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 XOR s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156 UM008003-1202 List of Instructions Z80 CPU User's Manual x List of Instructions UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual xi List of Figures Figure 1. Z80 CPU Block Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 Figure 2. Z80 CPU Register Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Figure 3. Z80 I/O Pin Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 Figure 4. Basic CPU Timing Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Figure 5. Instruction Op Code Fetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 Figure 6. Memory Read or Write Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 Figure 7. Input or Output Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Figure 8. Bus Request/Acknowledge Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Figure 9. Interrupt Request/Acknowledge Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 Figure 10. Non-Maskable Interrupt Request Operation . . . . . . . . . . . . .18 Figure 11. HALT Exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Figure 12. Power-Down Acknowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Figure 13. Power-Down Release Cycle No. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Figure 14. Power-Down Release Cycle No. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Figure 15. Power-Down Release Cycle No. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 Figure 16. Mode 2 Interrupt Response Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 Figure 17. Minimum Z80 Computer System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 Figure 18. ROM and RAM Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 Figure 19. Adding One Wait State to an M1 Cycle . . . . . . . . . . . . . . . .30 Figure 20. Adding One Wait State to Any Memory Cycle . . . . . . . . . .31 Figure 21. Interfacing Dynamic RAMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 Figure 22. Shifting of BCD Digits/Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 UM008003-1202 List of Figures Z80 CPU User's Manual xii List of Figures UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual xiii List of Tables Table 1. Interrupt Enable/Disable, Flip-Flops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 Table 2. Bubble Listing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Table 3. Multiply Listing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Table 4. Hex, Binary, Decimal Conversion Table . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Table 5. 8-Bit Load Group LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Table 6. 16-Bit Load Group LD, PUSH and POP . . . . . . . . . . . . . . . . .55 Table 7. Exchanges EX and EXX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 Table 8. Block Transfer Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Table 9. Block Search Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Table 10. 8-Bit Arithmetic and Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 Table 11. General-Purpose AF Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Table 12. 16-Bit Arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Table 13. Rotates and Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Table 14. Bit Manipulation Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 Table 15. Jump, Call, and Return Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Table 16. Restart Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 Table 17. Input Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Table 18. 8-Bit Arithmetic and Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Table 19. Miscellaneous CPU Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 UM008003-1202 List of Tables Z80 CPU User's Manual xiv List of Tables UM008003-1202 Z80 CPU User's Manual xv Manual Objectives This user manual describes the architecture and instruction set of the Z80 CPU. About This Manual ZiLOG recommends that the user read and understand everything in this manual before setting up and using the product. However, we recognize that users have different styles of learning: some will want to set up and use their new evaluation kit while they read about it; others will open these pages only to check on a particular specification. Therefore, we have designed this manual to be used either as a how to procedural manual or a reference guide to important data. Intended Audience This document is written for ZiLOG customers who are experienced at working with microprocessors or in writing assembly code or compilers. Manual Organization The Z80 CPU User's Manual is divided into four chapters. Overview Presents an overview of the User's Manual Architecture, Pin descriptions, timing and Interrupt Response. Hardware and Software Implementation Presents examples of the User's Manual hardware and software. UM008002-0202 Manual Objectives User's Manual Z80 CPU xvi Z80 CPU Instruction Description Presents the User's Manual instruction types, addressing modes and instruction Op Codes. Z80 Instruction Set Presents an overview of the User's Manual assenbly language, status indicator flags and the Z80 instructions. Related Documents Part Number Part Number Part Number Title Title Title DC number DC number DC number Manual Conventions The following assumptions and conventions are adopted to provide clarity and ease of use: Use of the Words Set and Clear The words set and clear imply that a register bit or a condition contains the values logical 1 and logical 0, respectively. When either of these terms is followed by a number, the word logical may not be included, but it is implied. Notation for Bits and Similar Registers A field of bits within a register is designated as: Register (n­n). For example: PWM_CR (31­20). A field of bits within a bus is designated as: Busn­n. For example: PCntl7­4. A range of similar (whole) registers is designated as: Registern­Registern. For example: OPBCS5­OPBCS0. UM008002-0202 Manual Objectives Z80 CPU User's Manual xvii Use of the Terms LSB and MSB In this document, the terms LSB and MSB, when appearing in upper case, mean least significant byte and most significant byte, respectively. The lowercase forms, msb and lsb, mean least significant bit and most significant bit, respectively. Courier Font Commands, code lines and fragments, register (and other) mnemonics, values, equations, and various executable items are distinguished from general text by the use of the Courier font. This convention is not used within tables. For example: The STP bit in the CNTR register must be 1. Where the use of the font is not possible, as in the Index, the name of the entity is presented in upper case. Hexadecimal Values Designated by H Hexadecimal values are designated by a uppercase H and appear in the Courier typeface. For example: STAT is set to F8H. Use of All Uppercase Letters The use of all uppercase letters designates the names of states and commands. For example: The receiver can force the SCL line to Low to force the transmitter into a WAIT state. The bus is considered BUSY after the Start condition. A START command triggers the processing of the initialization sequence. Use of Initial Uppercase Letters Initial uppercase letters designate settings, modes, and conditions in general text. For example: The Slave receiver leaves the data line High. In Transmit mode, the byte is sent most significant bit first. The Master can generate a Stop condition to abort the transfer. Manual Objectives UM008002-0202 User's Manual Z80 CPU xviii Register Access Abbreviations Register access is designated by the following abbreviations: Designation R R/W W ­ Description Read Only Read/Write Write Only Unspecified or indeterminate Trademarks Z80, Z180, Z380 and Z80382 are trademarks of ZiLOG, Inc. UM008002-0202 Manual Objectives Z80 CPU User's Manual 1 Overview ARCHITECTURE The ZiLOG Z80 CPU family of components are fourth-generation enhanced microprocessors with exceptional computational power. They offer higher system throughput and more efficient memory utilization than comparable second- and third-generation microprocessors. The speed offerings from 6­ 20 MHz suit a wide range of applications which migrate software. The internal registers contain 208 bits of read/write memory that are accessible to the programmer. These registers include two sets of six general purpose registers which may be used individually as either 8-bit registers or as 16-bit register pairs. In addition, there are two sets of accumulator and flag registers. The Z80 CPU also contains a Stack Pointer, Program Counter, two index registers, a REFRESH register, and an INTERRUPT register. The CPU is easy to incorporate into a system since it requires only a single +5V power source. All output signals are fully decoded and timed to control standard memory or peripheral circuits; the Z80 CPU is supported by an extensive family of peripheral controllers. Figure 1 illustrates the internal architecture and major elements of the Z80 CPU. UM008003-1202 Overview Z80 CPU User's Manual 2 Data Bus Control I 13 CPU and System Control Signals n Inst. Register Internal Data Bus ALU CPU Control CPU Registers Address Control +5V GND CLK 16-Bit Address Bus Figure 1. Z80 CPU Block Diagram CPU Registers The Z80 CPU contains 208 bits of R/W memory that are available to the programmer. Figure 2 illustrates how this memory is configured to eighteen 8-bit registers and four 16-bit registers. All Z80 registers are implemented using static RAM. The registers include two sets of six general-purpose registers that may be used individually as 8-bit registers or in pairs as 16-bit registers. There are also two sets of accumulator and flag registers and six special-purpose registers. UM008003-1202 Overview