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concerning the devices, applications, or technology described is intended to suggest possible uses and may be superseded.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) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...