Hardver leírás
Gépi kódú programozás

Tartalom

Bevezető
Az angol SINCLAIR cég ZX Spectruma egyike a legelterjedtebb személyi számítógépeknek Magyarországon. Mint általában egy-egy iparcikk nagyobb népszerűségének, ennek is több oka van. Az egyik ok vitathatatlanul az, hogy a gép olcsó. Önmagában véve azonban nem elég, hogy egy személyi számítógép pusztán olcsó legyen, hiszen akkor napjaink legnépszerűbb típusa a ZX81 is lehetne. Amikor egy fogyasztó valamilyen iparcikket vásárol, azt is figyelembe veszi, hogy az árához képest mekkora teljesítményű, mennyire megbizható, és a hozzá hasonlóakhoz képest mennyive1 jobb vagy rosszabb a kiszemelt berendezés. Így van ez a személyi számítógépek esetében is.
Ebből a szempontból igen kedvező helyet vívott ki magának a ZX Spectrum. Van még egy külföldi gyártmányú személyi számítógép, amely népszerűség és elterjedtség tekintetében vetekszik vele hazánkban; ez a Commodore cég VIC-64-es típusa. A két berendezés azonban a sok hasonlóság és felhasználás ellenére jelentős mértékben eltér egymástól. Az alapgépek, tehát a két számítógép nyugat-európai ára perifériális (kiegészítő) eszközök nélkül összemérhető. Viszonylag nem kerül annyival többe a VIC-64, mint amennyivel többre képes hardver (gépi) adottságok szempontjából. Azonban egyetlen tényező alapján nem szabad kijelenteni azt, hogy egyik gép "jobb" a másiknál, legfeljebb akkor, ha hozzátesszük, hogy "mert az adott feladat megfelelőbb", vagy "mert nekem jobban tetszik" stb. A VIC-64-eshez ugyanis kapható a 1541-es hajlékony mágneslemezegység (floppy drive), amely gyorsabb és bizonyos szempontból egyszerűbb tárolóeszköz, mint a kazettás magnetofon, viszont jóval drágább. A VIC-64-eshez a programok többsége hajlékony mágneslemezen (floppy disken), míg a ZX Spectrumhoz szabványos magnetofonkazettán szerezhető be. Ez utóbbihoz ugyanis nem készül saját gyári fejlesztésű, vagy más okok miatt elterjedt lemezegység. (A ZX Spectrumhoz kapható MICRODRIVE nem helyettesíti a lemezes rendszert.) Ebből következik, hogy ha valaki könnyen, gyorsan hozzá szeretne férni VIC-64-es programokhoz, lemezegységet is kell vennie, ami viszont drágább, mint maga az alapgép. A ZX Spectrum ezzel szemben a Magyarországon kapható kazettás magnetofonok jelentős részével is működik.
Ilyen és ehhez hasonló érvek tucatjai mondhatók el, ha egy számítógépet egy másikkal hasonlítunk össze. A következőkben a legfontosabb összehasonlítási szempontokat soroljuk fel:

• fogyasztói ár, vámköltségek;
• gépi szolgáltatások:
  • grafikus felbontás,
  • elsődleges adattárolás,
  • ki- és bemeneti egységekhez, valamint további háttértárakhoz való illeszthetőség,
  • a megjelenítő színei (ha vannak), a hozzáférhető színek száma, a képpontok színezhetősége,
  • hang: a csatornák száma, minősége, programozhatósága,
  • szoftver- (program-) ellátottság,
  • RAM (írásra és olvasásra egyaránt alkalmas tár-) kapacitás;
• BASIC interpreter:
  • kényelmessége (felhasználói orientáltsága)
  • megbízhatósága,
  • külön szolgáltatásai a felhasználó számára.

Az ÖTLET című hetilap 1983 végén sorozatot indított BITLET számítástechnikai mellékletében. A sorozat címe VALLATÓ volt, s célja, hogy Magyarország legkülönbözőbb felhasználói és számítástechnikai szakemberei összehasonlítsák, ill. egytől ötig osztályozzák az erre kiszemelt személyi számítógépeket, amelyek természetesen valamilyen okból a legelterjedtebbek vagy a legnépszerűbbek. A sorozatban a legtöbb gépre elhangzott valamilyen hasonlat. Az ABC 80-at pl. a "népmesék hőséhez", a VIC-64-et "nyakkendős üzletemberhez", a ZX Spectrumot pedig "jóindulatú hobóhoz" hasonlították. Könnyen megérthetik a hasonlat találó voltát azok az olvasók, akiknek egyik-másik géppel kapcsolatban személyes benyomásai is vannak.
Az osztályozáskor, nyugodtan mondhatjuk, a ZX Spectrum az egyik legjobb átlagot érte el. A szempontok között az ár, a perifériakezelés, a képernyőkezelés, a hang, a kazettás adattárolás, a gépi kódú programozás, a megbízhatóság, a billentyűzet, a dokumentáció, az editálás, a gép programnyelve, a tanulhatóság, az emberközelség és a szoftverellátottság szerepelt. Érdekes, újszerű, de mégis megalapozott és jogos szempont volt egy további osztályzat, a szubjektív vélemény. Aki valaha olvasott ehhez hasonló minősítéseket külföldi lapokban, nemigen találkozhatott hasonló szemponttal. Mégis vásárláskor talán éppen ez az egyik legfontosabb tényező. Az emberközelség és a szoftverellátottság mellett ebből érte el a legjobb átlagot a ZX Spectrum, 4,9-et, a legrosszabbat pedig abból, amit a legtöbb felhasználó és leendő vevő kifogásol, s ami talán mindennél jobban gátolta a gép nagyobb méretű közületi elterjedését, s ez a billentyűzet. A bírálók pontjainak átlaga itt mindössze 3,8 volt.
Néhány jellemző vélemény:

• Emberközelség: "... nagyon barátságos jószág. Ez ismét a Sinclair-stratégia győzelme: egy elegáns, hűvös angol úr tudása egy hobó bohémságával keverve."
• Szoftverellátottság: "Becslések szerint az angol felhasználók 20%-a ezzel a géppel dolgozik ... programkazetták, szoftvercsomagok legjobban ehhez a típushoz kaphatók."
• Szubjektív vélemény: " ... ennél magasabb osztályzatot egyhamar nemigen fog más gép kapni. Jobb gépek persze vannak, de mégis ez a kedvenc!"

Teljes egészében jogosnak mondható a billentyűzet megítélése is, s talán csak azért nem kapott a gép itt még rosszabb átlagot, mert önkéntelenül adódik az összehasonlítás a ZX81-gyel a Sinclair személyi számítógépeket ismerők számára:

• "A Zx81 _legnagyobb hibáját itt huszárvágással oldották meg: olcsó fóliaérintkező maradt, csak van rajta egy gumi nyomógomb ... egy-egy nyomógomb hat funkciót is kezel. Így kezdetben használata igen bonyolult ..."

Egyéb szempontokkal kapcsolatban is szerepel néhány érdekes megállapítás:

• Perifériák: " ... az észbontó az, hogy ezek a berendezések a fizika és az egyetemi professzorok szabályait felrúgva működnek ... ma már csak a szoba mérete határozza meg, hány kiegészítés köthető a Spectrumhoz." "Nevetséges ez a nyomtató: két kötőtű szaladgál benne összevissza. De nyomtat!"
• Képernyőkezelés: " ... ezért a pénzért nagyon szép grafikát képes csinálni."
• Hang: "... könnyen programozható ... a hang generálása leköti a processzort, így közben semmi mást nem képes csinálni."
• Gépi kódú programozás: " ... ezért az árért monitort követelni' illetlenség.

Könyvünk írásakor három alapvető célt tartottunk szem előtt:

1. A személyi számítógépek technikájában járatlan olvasók számára szeretnénk képet nyújtani a ZX Spectrumon keresztül ezek felépítéséről.
2. Minimális BASIC programozási ismereteket feltételezve bevezetést és némi rutint adunk: a gépi kódú, valamint a Z80-as assembler programozás technikájába.
3. Ismertetjük a ZX Spectrum áramköri tulajdonságait, hogy barkácsoló kedvű olvasóink számára könnyebbé tegyük amatőr készülékek és berendezések építését, ill. a meglévők illesztését.

A gépi kódú programozás technikája és a gép áramköri tulajdonságai szorosan összefüggnek, e két témakör tárgyalásmódja azonban jelentősen eltér. Hogy az ebből adódó ellentmondásokat elkerüljük, könyvünk első részében a ZX Spectrum hardveradottságaival és az ezzel összefüggő alapvető áramköri problémákkal, míg a második részben a gépi kódú és assembly szintű programozással, valamint alapvető feladataival foglalkozunk.
A könyv témájából adódóan előfordulhat, hogy olvasóink egy része egy-egy feladat megoldásához csak néhány fejezetre lesz majd kíváncsi. Hogy mindenki lehetőség szerint leggyorsabbam jusson az őt érdeklő információhoz, arra törekedtünk, hogy a fejezetek önállóan is olvashatóak legyenek, s a programozási fejezet szubrutinjai is úgy készültek, hogy felhasználhatóak legyenek saját program írásakor is.
Reméljük, könyvünk nemcsak hasznos, de kellemes olvasmánynak is bizonyul.

A szerzők

Ez úton szeretnék, köszönetet mondani Tordai Istvánnénak és Keviczky Lászlónak, továbbá Szarvas Sándornak, Kovács Gézának és Tolnai Györgynek a nyomtatási munka során nyújtott segítségért.

Ada-Winter Dávid

1. A ZX Spectrum

1.1. Számítógépek

Az 1. ábrán egy számítógép elvi felépítése látható. A szaggatott vonalon kívüli rész a tulajdonképpeni számítógép, az összes többi egység feladata a gép párbeszédének lehetővé tétele a külvilággal.

1. ábra: Egy átlagos számítógép elvi felépítése

A számítógép logikailag legfontosabb része a központi egység (CPU = Central Processor Unit). Ez végzi a vezérlést, a logikai és aritmetikai műveleteket. A ZX Spectrum esetében (2. ábra) a CPU feladata a működéshez szükséges és programvezérelhető folyamatok indítása és vezérlése.
A ROM (Read Only Memory = a CPU számára csak olvasható tár) tárolja a gép elindításához És a számunkra is használható működtetéshez szükséges alapvető információkat és programokat. A ZX Spectrum esetében a perifériális egységekhez tartozó kiszolgáló rutinokat (programrészeket) és a BASIC interpretert is tartalmazza.
A RAM (Random Access Memory = a CPU számára adatok beírására és kiolvasására egyaránt alkalmas tár) általános esetben saját adataink és programjaink tárolására alkalmas. A ZX Spectrumnál ebben található az a tárterület, amelynek tartalma megjelenik a képernyőn, valamint a BASIC interpreter (közvetlenül BASIC nyelvű programozási lehetőséget biztosító gépi kódú programrész) működéséhez elengedhetetlenül szükséges rendszerváltozók értéke is.
A megjelenítő és a billentyűzet feladata magától érthetődő: az előbbi a gépben lejátszódó folyamatok eredményeinek kijelzésére, az utóbbi saját információink bevitelére szolgál.
A háttértár a (ZX Spectrumhoz kazettás magnetofon ill. MICRODRIVE) azért szüséges, mert kikapcsolás után rövid idő elteltével a RAM "elfelejti" az információt.

2. ábra: A ZX Spectrum elvi felépítése

1.2. A ZX Spectrum rendszereelemei
A Spectrum hardverének felépítése a 2. ábrán látható. Kitűnik belőle, hogy megtalálhatók mindazok a belső és periféria-áramkörök, amelyek általában egy számítógép tartozékai:

• a tápfeszültség(ek) áramköre(i);
• a központi égység áramköre;
• a tár- (belső program- és adattároló) áramkörök;
• a külvilággal kommunikáló áramkörök:
  • a video (tv megjelenitő),
  • a billentyűzet,
  • a hangszóró és
  • a kazettás magnetofon csatlakoztatására alkalmas áramkör.

1.2.1 A ZX Spectrum központi egysége, a Z80A
A ZX Spectrum központi egysége egy Z80A tipusú, az amerikai Zilog cég által kifejlesztett mikroprocesszor. A Z80, ill. annak gyors működésű változata, a Spectrumban is található Z80A a hetvenes évek végén kifejlesztett, napjainkban az egyik legelterjedtebb és legtöbb utasítást tartalmazó nyolcbites mikroprocesszor.

A Z80A kivezetései
Belső felépítése és az ehhez kötődő kivezetések Csoportosítva a 3. ábrán láthatók. Kitűnik belőle, hogy 40 kivezetéses ún. DIL (DIP) tokban kapható.

3.a. ábra: A Z80 (és Z80A) mikroprocesszor logikai szervezése

3.c. ábra: A Z80A mikroprocesszor státuszregisztere (jelzőbitkészlete)

3.d. ábra: a Z80 (és a Z80A) regiszterei

Feladata sokrétű:

• vezérelnie kell a társáramköröket;
• el kell végeznie aritmetikai és logikai műveleteket;
• csatlakozási, hozzáférési lehetőséget kell biztosítania be-és kimeneti áramkörök (I/O portok) számára a központi egység és a táráramkörök alkotta rendszerhez

A mikroprocesszor ismertetésekor először a kivezetések, ill. a rajtuk megjelenő jelek rendeltetéséről szólunk, mivel a belső szerkezeti egységek funkcióit csak ezek alapján követhetjük. A külső kapcsolatokat biztosító és a belső jelvezetékeken egyaránt - a bináris működési elvvel összhangban - csak kétféle: magas és alacsony feszültségszint lehetséges. Az előbbi 4,5 és 5,5 V
közé eső, az utóbbi 0 V körüli érték. A kettes számrendszer két számjegyét, az 1-et és a 0-t e két feszültségszint valamelyikével fejezhetjük ki. Ha H=1 és L=0 (H = High = magas feszültségszint), akkor pozitív, ellenkező esetben (L = Low = alacsony feszültségszint) negatív logikáról beszélünk. A jeleket (kivezetéseket) funkciójuk angol nyelvű rövidítésévez szokták jelölni. Ha a jel neve fölött felülvonás látható, akkor negatív, egyébként pozitív logikájú jelről van szó.
Ha valaki e könyvben találkozik először a Z80 mikroprocesszorral, talán nehéz lesz megértenie a jelek most következő tömör ismertetésekor fellépő új fogalmakat. A későbbi fejezetekből visszalapozva azonban bizonyosra vesszük, hogy az első olvasáskor homályos részletek is megvilágosulnak.
A jelek (kivezetések) tárgyalását két vezetékcsoport: az ADAT- és a CÍMSÍN (adat- és címbusz) áttekintésével kezdjük (jelük: D = data = adat(ok), A = address = cím). A SÍN nem más, mint egy párhuzamos vezetékrendszer, amelyben minden vezetéknek ugyanaz a feladata: címsín esetében a tárcím, adatsín esetében az utasítások és adatok továbbítása. A 3.b. ábrán látható, hogy 16 címvezeték (A0 ... A15) és 8 db. Adatvezeték (D0 ... D7) hagyja el a mikroprocesszort, így digitális rendszerről lévén szó, 2^16 = 65536 féle cím- és 2^8 = 256 féle adatkombináció továbbítása lehetséges. Feleltessünk meg az egyes vezetékeknek bináris helyértékeket a következő módon:

Így már az összes cím- és adatkombináció leírható akár tízes számrendszerbeli (decimális) számok formájában is. Az A. függelék p1. megmutatja tízes és tizenhatos (hexadecimális) számrendszerbeli számok formájában, hogy az egyes utasításoknak milyen kombináció fezez meg az adatsínen. A B. függelékben viszont éppen ellenkezőleg, a számokhoz tartozó utasításokat találjuk meg. Mindkettőre igen gyakran lehet szüksége a gépi kódú programozónak. Az adatként megjelenő bináris jelkombinációk jelentését a C. függelék foglalja össze.
A sínek jelforgalmát a központi egység vezérlőjelekkel szabályozza. Ezek két alapvető csoportra oszthatók:

• rendszervezérlő jelekre és
• Z80 (CPU) vezérlő jelekre.

A rendszervezérlő jelek feladata a Z80 köré kiépített elektronikai áramkörök vezérlése. Ezek a következők (részletesebb ismertetésükre még visszatérünk):

28. BUSRQ (BUS ReQuest). Ha pl. egy Z80-hoz csatlakoztatott táráramkör más számítógépnek is része, addig, amíg a másik rendszer használja a tárakat, a Z80 nem használhatja. Ezt a berendezés a Z80-assal úgy tudatja, hogy a BUSRQ bemenetre adott jelet aktív állapotba, azaz az 1-es értéknek negatív logikájú jel esetében megfelelő L feszültségszintre: -0,3 V és 0,8 V közé helyezi. Ennek hatására a címsín, az adatsín, valamint a tár és a bemeneti / kimeneti áramköröket vezérlő jelek (ezeket a továbbiakban feltüntetjük) "lebegő" (más néven "harmadik") állapotba kerülnek. ZX Spectrumnál ennek a Z80 tulajdonságnak a kihasználására nincs szükség (az esetleges saját hozzáépítéseket figyelembe nem véve), így a bemenet állandóan passzív állapotban, vagyis +5 V-on van. Ennek ellenére a rendszerkivezetések között az összes többi Z80 jellel együtt ez a jel is szerepel, hogy ha a gépre valamilyen külső eszközt kapcsolunk, igénybe vehessük. 23. BUSAK (BUS Acknowledge). Aktív állapota jelzi a külső rendszer számára, hogy a, megfelelő vezetékek lebegő állapotba kerültek és átveheti a tár, valamint a bemeneti / kimeneti áramkörök vezérlését. (A lebegő állapot a cím- és adatsín esetében egy nagy impedanciájú, a vezérlőjelekben passzív állapotot jelent.) A Spectrum működtetéséhez erre sincs szükség, de rendszerkivezetésein ez is megtalálható. 22. WR (WRite). Háromállapotú kimenet. Aktív állapota jelzi, hogy az adatsínen érvényes kimeneti információ van a tár, vagy a bemeneti/kimeneti áramkörök felé. 21. RD (ReaD). Háromállapotú kimenet. Aktív állapota azt jelzi, hogy a Z80-as felkészült adat fogadására az adatsínen. Funkciója a ZX Spectrumban igen sokrétű. 19. MREQ (Memory REQuest). Szintén háromállapotú kimenet, s jelzi, hogy a címsínen már elektronikailag stabilizált cím van. Nevéből adódóan társáramkörök vezérlésére szolgál általános esetben, ZX Specrumban való bekötése azonban ettől részben eltér. 20. IORQ (Input/Output ReQuest) Háromállapotú kimenet. Feladata a periféria, ill. az azokat vezérlő áramkörök felé jelezni, hogy a cím-sín alsó nyolc (A0 ... A7) vezetékén érvényes áramköri cím (bemeneti / kimeneti áramkör címzésére) található. Látható, hogy ez és az MREQ jel szolgál a tár és a bemeneti / kimeneti áramkörök vezérlésének szabályozására, hiszen mindkettő ugyanazt a cím- és adatsínt használja. 27. M1. A ciklusok közül ( lásd a következő fejezetet) az utasításlehívás (fetch) jelzésére szolgál. A ZX Spectrum nem használja, de a rendszerkivezetéseken megtalálható hogy a géphez építendő áramkörök működtetésére igénybe vehessük. Az előbbi jelekkel a Z80-as vezérli a köré épített számítógépes rendszer működéséhez alapvetően szükséges áramköröket. Nyilvánvaló, hogy ez a vezérlőjelkészlet minden mikroprocesszornál adott, de hogy a felhasználó mit és hogyan használ ki belőlük, az a rendszertervezéstől függ.

3.b. ábra: A Z80A mikrop. kivezetéseinek fizikai elrendezése

Egy számítógép áramköreinek működési sebessége jelentősen eltérhet egymástól. A Z80-nál lassabb áramkörhöz tehát a Z80-nak "alkalmazkodnia" kell. Hogy ez megvalósítható legyen, szükség van a mikroprocesszort vezérlő jelekre. Ezek a következők:

• 26. RESET Aktív helyzetben:
  • letiltja a (1ásd később) megszakításkéréseket;
  • az I és az R regiszterbe 0-át tölt;
  • harmadik állapotba helyezi a síneket és a megfelelő rendszervezérlő jeleket;
  • beállítja a "nullás" megszakítási üzemmódot.
• 24. WAIT. Bemenő jel, aktív állapota jelzi, hogy a megcímzett tár vagy periféria még nem kész adatbevitelre vagy -kivitelre. Működése - az M1-hez hasonlóan - a következő fejezet diagramjaiból érthető meg szemléletesen. A ZX Spectrumban a Z80A-hoz nem kapcsolódik ilyen áramkör, így állandóan passzív állapotban, azaz tápfeszültségen van.
• 18. NMI (Non Maskable Interrupt request). H-ról L-re történő feszültségátmenet hatására (negatív éltriggerelt bemenet) a PC regiszter tartalma elmentődik a verembe, és a vezérlés a 102-es (hexadecimális alakban 102 = H66) címre kerül, vagyis ezt értéket veszi fel a PC regiszter. Ha a WAIT folyamatosan aktív, az aktuális utasításciklus nem fejeződik be, és csak a BUSRQ hatástalanítja az NMI-t. Részletesebb információ a megszakításrendszerről szóló fejezetben található. A ZX Spectrumban nincs olyan áramkör vagy szoftvermegoldás , ami ilyen ilyen megszakítást igényelne, így állandóan passzív á1lapotban, azaz 5 V-on van. Külső eszközök számára megtalálható a rendszerkivezetések között, de egy ROM-beli programhiba miatt nem használható üzemszerűen.
• 26. INT (INTerrupt request). Maszkülható megszakításkérés-bemenet. Funkciója hasonló az NMI-éhez azzal a különbséggel, hogy programból beállítható, aktív szintjét elfogadja-e a központi egység (lásd DI, EI utasítások), valamit az is, ha elfogadja, hova ugorjon (IM0, IM1, IM2). Éppen ezért a Z80A visszajelzi a megszakítást kérő áramkörnek az NMI elfogadást azzal, hogy az IORQ és az M1 egyszerre lesz aktív. ZX Spectrumban vezérlését teljes egészében az ULA végzi a tv-nek szánt képszinkronjellel. Ez azt jelenti, hogy a Z80A 50 Hz frekvenciával, azaz minden 1/50-ed másodpercben egyszer kap ilyen jelet. Célja a billentyűzet és bizonyos rendszerváltozókat kezező szubrutinok működtetése.

A Z80-ast vezérlő jelek közé sorolhatjuk, bár rendszerint közéjük nem tartozóként kezelik a fennmaradó három jelet:

• 11. +5 V. A Z80 tápfeszültsége. Hosszabb tápfeszültség-kimaradáskor a Z80A alapállapotba kerül.
• 29. GND (GrouND) földvezeték a tápegység felé.
• 6. CLK (CLocK). A Z80 órajele. Z80A mikroprocesszoroknál maximálisan 4 MHz frekvenciájú. Feszültégfüggvénye a 4. ábrán látható. A határfrekvencia közelében kvarcoszcillátorral, egyébként közönséges RC oszcillátorral is működtethető. Leginkább az órajel bekötéséből látszik, hogy ez az "egyszerű jel" is a vezérlőjelkészlet része. A ZX Spectrumban ugyanis a Z80A 3,5 MHz-cel működik, és az ULA állítja elő saját 14 MHz-es frekvenciájának kétszeri leosztásával, s a videoáramkör működtetésének érdekében időnként leállítja.

4. ábra: a Z80A órajelének feszültségfüggvénye

Z80A ciklusok
A 3.a. ábrán látható utasításregiszter feladata az utasítások ideiglenes tárolása. A központi egység ebben tárolja le az utasításokat, majd dekódolja. A vezérlő előállítja a szükséges rendszervezérlő és a mikroprocesszor belső működését biztosító jeleket.
A Z80-as működése hardver szempontból ciklusokból tevődik össze. Ezek a következők:

• utasításelérési, azaz olvasási és dekódolási (FETCH) ciklus (utasításkiolvasás a tárból);
• tár- (adat-) olvasási ciklus (adatkiolvasás a tárból);
• tár- (adat-) írási ciklus (adatkiírás a tárba);
• perifériaolvasási ciklus (adatok olvasása perifériáról);
• perifériaírási ciklus (adatok. kiírása perifériára);
• sínkérés / elfogadás ciklus (a külső eszköz, amely ezt a megszakítást kéri, lehet p1. egy másik számítógép);
• maszkolható megszakításkérés / elfogadás ciklus;
• nem maszkozható megszakításkérés / elfogadás ciklus.

5. ábra: A központi egység működése

A központi egység működésének folyamata az 5. ábrán látható. Bekapcsolás, után egy utasításelérési ciklust hajt végre, s a tárból elsőként kiolvasott kódot így utasításnak értelmezi. Ha ez azt jelenti, hogy adatot kell hívni a tárból, akkor egy tárolvasási ciklust hajt végre a következő (az 5. ábrán pl. a 0001-es) tárcímről.
De ha pl. azt jelenti, hogy adatot kell kivinni egy periféria-áramkörre, akkor perifériaírási ciklus történik. Ha az utasítás kizárólag a mikroprocesszor belső működésére vonatkozott (pl. adatátvitelre vonatkozott a Z80-as egyik belső regiszteréből a másikba - 3.d. ábra -), akkor a következő, tehát az 5. ábrán a 0001-es címen lévő kódot is utasításnak értelmezi, így automatikusan egy utasításelérési ciklus hajtódik végre. Könnyen észrevehető, hogy a Z80-as bármely hardverfunkciója leírható ezen ciklusok valamelyikével (kivéve a HALT állapotból való kilépést). Ennek viszont az is következménye, hogy bármely Z8O-as utasítás összetehető a megfelelő ciklusok egymás után rakásából.
Az utasításelérési ciklus időzítése a 6.a. ábrán látható. A rajta szereplő idők értékei a következők:

(Az itt és a továbbiakban közölt adatok Z80A-ra vonatkoznak, így közvetlenül használhatók a ZX Spectrum mikroprocesszorának esetleges vizsgálatához. Nem használhatók viszont a Z80-ashoz és a Z80B-hez!)

6.a. ábra: A Z80A utasításelérési ciklusának időviszonyai

Utasításeléréskor az első órajelciklusban a PC regiszter tartalma a címsínre kerül. Mint látható, késleltetési ideje van, ezért nem alkalmas arra, hogy a kivitel pillanatában a dekódoló áramkör a tárba olvassa. Kb. fél órajellel később lesz aktív a MREQ. jel, így közvetlenül ez használható a ZX Spectrumban található tárak CE bemeneti feszültségeként. Az RD jel aktivizálása azért szükséges, mert jelzi a tárak számára, hogy csak adatkiolvasásról van szó. Késleltetési ciklus kizárólag akkor keletkezik, ha a WAIT vonal a 6.a. ábrán látható módon aktív. Szükség lehet rá kis sebességű perifériák csatlakoztatásakor. Az M1 azt jelzi, hogy a címsínen PC tartalom található. A ZX Spectrum nem használja ezt a jelet, így a többi ciklus ismertetésekor már nem térünk ki rá. A ciklusok időzítési diagramjaiból leolvasható, hogy miként használják - ha szükséges - perifériák vezérlésére. A harmadik és a negyedik órajelciklus a sínek felé a dinamikus tárak frissítési ciklusa. Az RD jel nem aktív, így tártartalom nem kerül az adatsínre. Még a második ciklusban eggyel nagyobb lesz a PC tartalma, ez azonban nem kerül rá a címsínre. Az adat (utasítás), ha nincs szükség WAIT periódusok közbeiktatására, a második órajel alatt jelenik meg az adatsínen. A harmadik periódus fezfutó élének hatására a RD és a MREQ passzív állapotba kerül vissza, s megjelenik a címsínen a frissítési cím. Stabilizálása után a MREQ jel ismét aktív, így lehetővé válik a dinamikus tárak frissítése. Közben szintén a harmadik órajel felfutó élének hatására a Z80 mintavételezi az adatsínt, és tartalmát az utasításregiszterbe helyezi. Hogy ezután mi történik, a többi ciklus ismertetése után egy példán mutatjuk be.
A tár- (adat-) író és -olvasó ciklus nagymértékben hasonlít egymásra, így adataikat is egyben közöljük:

6.b. ábra: a Z80A tárírási és -olvasási ciklusának időviszonyai

Mivel az utasításelérési ciklusok a dinamikus tárak számára a legrosszabb esetben is a szükséges frissítési időn belül jelentkeznek, így erről -a kivételes esetektől eltekintve - a többi ciklusnál már nem kell gondoskodni. A táríró és -olvasó ciklusok rövidebbek is, WAIT állapotok nélkül három órajelnyi ideig tartanak. Az első periódusban a PC stabilizálódása után aktívvá válik a MREQ jel, s ezúttal is használható CE-ként, nem kívánva külön kapcsolási megoldást. olvasáskor az adat hasonló módon kerül a központi egységbe, mint az utasításelérési ciklusnál. Adatkivitelnél természetesen előbb stabilizálódik az adatsín tartalma, s csak utána adja ki a Z80 az írásengedélyező jelet a tárak számára. Ez a WR jel. A WAIT periódusok közbeiktatása tárírásnál az olvasáshoz hasonlóan alakul.
Perifériaírási és -olvasási ciklusok (l. a 6.c. ábrát ) szintén hasonlóak:

6.c. ábra: A Z80A perifériaírási és -olvasási ciklusainak időviszonyai

Mind perifériaolvasási, mind -írási ciklus esetén automatikusan beiktatódik egy WAIT állapot. Emiatt ezek a ciklusok négy órajelnyi ideig tartanak minimális esetben, így a ZX Spectrumnál is. Ennek oka a Z80-as működésében rejlik. Az IORQ és a WAIT közti idő nagyon rövid lenne a bemeneti, vagy kimeneti eszköz vezérlésekor a portcím dekódolására és a WAIT aktivizálására. Kimeneti áramkör vezérlésekor a WR jel használható az adatsín tartalmának beírására (a tárírásnál látott CE-hez hasonlóan) az eszköz, vagy meghajtó áramkörének puffer- (ideiglenesen az információt tartalmazó) regiszterébe.
Itt talán még a táraknál is változatosabb az illesztési lehetőség, mivel ahány periféria-áramkör, annyi meghajtási módszer. Általános esetben (pl. személyi számítógépek billentyűzetének illesztésekor) a tervezők a Z80-ashoz gyártott PIO (Peripherial Input-Output circuit = bemenet / kimeneti áramköröket meghajtó integrált áramköri elem) áramkört használják, a ZX Spectrumban viszont nem így van, mivel erre a feladatra is kiválóan megfelelt az ULA, a gép berendezésorientált áramköre, s így helymegtakarítás vált lehetővé. Ennek ellenére amatőr áramkörök illesztéséhez érdemes vele foglalkozni.
A logikai működést biztosító ciklusok közül hátra van még három különböző megszakításkérési ás -elfogadási ciklus. Mivel ezek lényegesen eltérnek egymástól, a sínkérés / elfogadás, a nem maszkolható megszakításkérés / elfogadás és a maszkolható megszakításkérés / elfogadás időviszonyait külön megadjuk.
Sínkérés/elfogadás (6.d. ábra) esetén az időviszonyok:

6.d. ábra: A Z80A sínkérés / elfogadás ciklusainak időviszonyai

Nem maszkolható megszakításkérés / elfogadás (6.e. ábra) ciklus esetén:

6.e. ábra: A Z80A nem maszkolható megszakításkérés / elfogadás ciklusainak időviszonyai

A maszkolható megszakításkérés / elfogadásé (6.f ábra) pedig:

6.f. ábra: A Z80A maszkolható megszakításkérés / elfogadás ciklusának időviszonyai

A BUSRQ jelet a Z80 minden gépi ciklusa utolsó órajelének felfutó élénél mintavételezi. Ha aktív, a következő periódus felfutó élénél harmadik állapotba helyezi a síneket és a megfelelő vezérlőjeleket. Ekkor a Z80 teljesen felfüggeszti a rendszervezérlést: mind a dinamikus tárfrissítést, mind pedig a programvezérlést a megszakítást kérő eszköznek kell ellátnia. A BUSAK jelzi az eszköz számára, hogy átveheti a vezérlést. Megfelelő esetben ez nem okoz gondot a frissítésnél, mivel a dinamikus tárak általában 2 ms-ig bírják frissítés nélkül. Természetesen a Z80 ekkor másik két megszakítás bemenetét, az NMI és az INT jelzőket sem figyeli.
Nem maszkolható megszakításkérés jelzésére egy külön egybites tároló (NMI latch) van a mikroprocesszorban. Ha a bemenet aktív állapotba kerül, átállítja a tároló tartalmát, ami értelemszerűen csak két értéket vehet fel. Ezt minden ciklus végén, a sínkéréshez hasonlóan megvizsgálja a központi egység belső vezérlése. Ha aktív állapotban találja, elmenti PC tartalmát a verembe, letiltja a maszkolható megszakításkérés elfogadását, majd elugrik a 102-es címre (102 kerül a PC-be), azaz onnan folytatja tovább működését. Így ettől a címtől kell, hogy kezdődjön annak az eszköznek a működtetési rutinja, amelyik a megszakítást kérte. Ilyen eszköz azonban a ZX Spectrumban nincs. Ez a cím a ROM-ban található. Van ugyan itt egy rutin, amely kifejezetten külső, amatőr berendezések, eszközök NMI kérésének kiszolgálására készült, szoftverhiba miatt azonban nem használható.
A maszkolható megszakításkérés programból engedélyezhető, vagy tiltható oly módon, hogy a megfelelő utasítás (DI, EI) aktív, ill. passzív állapotba helyez egy egybites tárolót. Ez dönti el, hogy a Z80 elfogadhat-e megszakításkérést az INT bemeneten. Az is programutasítással dönthető el, hogy ha ilyen megszakításkérés érkezik, mit csináljon a mikroprocesszor (IM0, IM1 és IM2 utasítások), azaz hova ugorjon. Ezzel gyakorlatilag csak a belső tárkapacitás szab határt annak, hogy hány megszakítást kérő periféria-áramkör kapcsolható a Z80-ra. Lehetőség van arra, hogy ennek a megszakításkérésnek az elfogadását hardver úton jelezze a központi egység a perifériát vezérlő áramkör számára, mégpedig oly módon, hogy az M1 és az az IORQ jel egyszerre lesz aktív. Az eszköz számára ez pl. kapuáramkörök közbeiktatásával válhat értelmezhető jellé. Ha a Z80 a kérést elfogadja, csak akkor generálja a 6.f. ábrán bemutatott ciklust.
Az IORQ jelzi, hogy a címsín alsó nyolc bitje ezúttal a megszakításkérő eszközről jön.
A Z80 működésének része további két speciális ciklus is. az egyik ilyen (6.g. ábra) a HALT és a HALT-ból való kilépés ciklusa. Ha a programozó kiad a központi egység számára egy HALT utasítást, az mindaddig üres (NOP) utasításokat hajt végre, amíg maszkolható, vagy nem maszkolható megszakításkérés nem érkezik. Természetesen ekkor is folytatja a tárfrissítést, mivel a NOP ugyancsak egy utasításelérési ciklusból áll. Ebben az esetben aktív a HALT kimenet is. a 6.g. ábrán látható két idő értéke:

6.g. ábra: A Z80A HALT ciklusának időviszonyai

A másik speciális ciklus a RESET ciklus, amelynek végrehajtásához a RESET bemenetnek legalább három órajelen át aktívnak kell lennie, hogy a Z80 elfogadja. Ekkor a központi egység alapállapotba kerül, s a PC-be 0 íródik, így a Z80 onnan folytatja működését. Ha valaki a rendszerkimeneten ezzel a jellel kísérletezik, rájöhet, hogy azonos értékű egy RANDOMIZE USR 0 utasítással, ha BASIC, ill. egy JP o-val, ha pl. egy saját gépi kódú rutin éppen elérhető. Ezzel a módszerrel elkerülhetjük, hogy meg kelljen szakítani a tápfeszültség-ellátást valamelyik vezeték kihúzásával. Az előbbi megszakítás módnál említett szoftverhiba miatt ugyanazt a hatást érhetjük el NMI-vel is. A RESET ciklus időzítésének (6.h. ábra) fontosabb értékei:

6.h. ábra: a Z80A RESET ciklusának időviszonyai

A fejezet elején leírtuk, hogy minden utasítás összerakható ciklusokból, s az utasításelérési ciklusnál pedig megígértük hogy elmondjuk mi történik a negyedik órajel alatt. Nézzünk egy példát! Feltételezhetjük-e, hogy a SUB n utasítás esetében a kivonás az előtt kerül végrehajtásra, mielőtt a kivonandó bekerül a tárból a mikroprocesszorba csak azért, mert az utasításelérési ciklus megelőzi az adatbeolvasási ciklust? A válasz természetesen nem.
Nézzünk egy egyszerűbb utasítást: a LD D,E -t! Elméletileg ez egy gépi ciklusos (utasításelérési ciklusos) és - mivel a ZX Spectrumban nincs kívülről beiktatott WAIT állapot - négy órajelnyi processzoridőt kívánó parancs lenne. A gyakorlatban a helyzet a következő: az első órajel alatt a PC tartalma rákerül a (címsínre, a második alatt eggyel megnő. A harmadik órajel alatt kerül az utasítás a Z80-ba, de egyenlőre csak az utasításregiszterbe, és a dekódoló áramkör azonosítja. A negyedik alatt azonban az E regiszter tartalma egy ideiglenes belső regiszterbe kerül, s csak egy következő ciklus első órajelével egyidejűleg kerül be a D regiszterbe. A Z80, mint a legtöbb nagy bonyolultságú digitális áramkör, szekvenciális hálózat. Sorrendi változást pedig a tranzisztorok állapotában a jelváltozás, tehát jelen esetben az órajel periodikus változása hozhat létre. A 6. ábra diagramjaiból is egyértelműen kitűnik, hogy egy-egy folyamat közvetlenül az órajel lefutó, ill. felfutó élének hatására indul el, vagy - a Z80 belső szervezése miatt - az ehhez képesti minimális és maximális eltérést adják meg, ahol ez áramkörileg esetleg indokolt lehet. Nincs tehát kizárva, hogy egy órajelváltozásra több folyamat lejátszódjon a processzoron belül, csak esetleg nem szabad ugyanazt az áramköri elemet használniuk. Ez történik a LD D,E utasítás "ötödik" órajelénél is: miközben az ideiglenes regiszter tartalma átíródik D-be, a PC már kikerül a címsínre. Vegyük észre, hogy az alapvető ciklusok rendszerint úgy kezdődnek, hogy a PC tartalma a címsínre kerül. Így más ciklusoknak sincs módjában megzavarni a LD D,E utasítás befejezését.

Nézzünk egy másik példát! A SUB C utasítás már aritmetikai művelet végzését is előírja. Az első három órajel-periódus alatt ugyanaz történik, mint az előbbi példában: végrehajtódik az utasításelérési ciklus első három lépése. 4 negyedik alatt C tartalma az ideiglenes regiszterbe, A-é pedig egy átmeneti akkumulátorba kerül. Azt várnánk, hogy a következő órajelre, ami egyben az utána jövő ciklus első üteme is, az aritmetikai-logikai egység végrehajtja a kivonást. Nem így van: az ötödik órajel alatt nem történik semmi, s csak a következő órajel alatt fejeződik be az utasítás, amely ezáltal két órajellel lett hosszabb, mint sejthetnénk. Ennek már alaposabb belső okai vannak: a regiszterkészlet RAM-ként, írható-olvasható tárként viselkedik a Z80 belső áramkörei alkotta egyéb rendszerek felé. Ebből következik, hogy amíg a PC tartalma a belső sínrendszeren keresztül a címsínre kapuzódik, az aritmetikai-logikai egység nem érheti el. Pedig az ALU-ból kikerülő eredmény az A (Akkumulátor) regiszterben (l. 3.d. ábra) képződik, összefoglalva a SUB C utasítás órajeleire végbemenő változások (jelöljük T-vel az egyes órajelciklusokat):

Több utasítást megnézve sok másféle megoldást is kapunk, s végezetül a legrészletesebbet akkor, ha ismerjük a Z80 tranzisztorszintű kapcsolását. Erre azonban nincs mód, de nem is szükséges a ZX Spectrum mint rendszer megismerése, sem a gépi kódú programozás szempontjából.

A Z80 utasításkészlete
Alapesetben egy 8 bit szélességű adatsínnel rendelkező mikroprocesszornál 256 féle adat továbbítása lehetséges, tehát 256 féle utasításé is. Ha azonban bevezetjük a sorrend tényezőt, tehát megjelölünk kitüntetett számot (számokat), akkor még egy utasításkódot vár a mikroprocesszor (több utasításelérési ciklussal hajtódik végre egy Z80 programutasítás), többszörösére nő a lehetséges utasításkódok száma. Ha pl. 256 szám közül csak egynek feleltetünk meg ilyen funkciót, 511-re, mivel ekkor az alapesetben 255, s a kitüntetett szám után még további 256 szám használható utasítás céljaira. A Z80-on négy ilyen kitüntetett szám van: a 203, a 221, a 237 és a 257. Így a kombinációk száma nemcsak egyszerűen négyszer lesz több, mint az előző esetben, hiszen egymás után rakhatunk két vagy három belépési kódot is. Hogy az A. függelékben csak 788 különböző Z80 utasítást soroltunk fel, annak az az oka, hogy a mikroprocesszor szüntelenül bővítés alatt áll, és a fejlesztéseket egy belső rendszer szerint viszik véghez. Alulról kompatibilis a Z80-nal az INTEL cég 8080-as mikroprocesszor-típusa, amely még kevesebb, mint 256 utasítással rendelkezik. Ezeknek egytől-egyig megfeleltethető a Z80-asban belépési kód nélküli (egy bájtos) utasítás, amelyet nem előz meg kitüntetett szám. A B. függelék az összes ilyen kódot tartalmazza.
Az utasításkódok legsokatmondóbbak bináris formában, hiszen ekkor sok adatot kapunk a Z80-as működésére vonatkozólag, s összevetve őket, gyorsan megállapíthatunk bizonyos összefüggéseket. Tömörebb leírásra, pl. felsoroláshoz (l. Novotrade Z80 programozási táblázatok) igen gyakran foglalják össze a kódokat hexadecimális számrendszerben. Pl.
B0110 0011 = H63 vagy
B1101 1001 = HD9 ,
ahol B a bináris, H a hexadecimális szám jelölésére szolgál. Megesik, hogy a ZX Spectrumon egy kódot közvetlenül kell bevinni a tár egy bájtjába (1 bájt = 8 bit). Ekkor a POKE utasítást használjuk, s a kódot közvetlenül tízes számrendszerbeli szám formájában visszük be. Ugyanez a helyzet, ha PEEK-kel meg akarjuk nézni egy tárrekesz (egy bájt) tartalmát. Az utasításkódokból azonban -különösen Z80-on - túl sok van ahhoz, hogy szám szerint megjegyezzük. A könnyebb programozás kedvéért más, funkciók szerinti csoportosításukra van szükség. Ezt biztosítja a Z80 assembler, az utasítások célszerű angol nyelvű rövidítések szerinti rendszerezésével. Csaknem annyiféle assembler létezik, ahány processzor.
Ezek közt az egyik leglogikusabb a Z80-é. "ADD A,L" pl. azt jelenti, hogy add hozzá A regiszter tartalmához L tartalmát. Általában az utasítások:

"MŰVELET" "1. operandus azonosítója", "2. op. az."

alakúak, de ha z80 assemblerben programozunk, tegyünk egyszerűen a következő szabály szerint:

A "mit" jelen esetben műveletet jelent, a "hová" nemcsak azt, hogy a művelet eredménye ott képződik, hanem adott esetben értelemszerűen a művelet egyik operandusát is. Egy művelet után ismét annak funkciójától függően állhat egy operandus is, ill. egy se (pl. DJNZ d, ill. HALT).
Sajnos a Z80 assembler elődjében, a 8080 assemblerben a rövidítéseket még nem így állították össze, mivel ott nincs ennyi kód. Ennek néhány rövidítése változatlan, vagy "Z80-asíott" formában átkerült a Z80 assemblerbe. Ilyen pl. a SUB L utasítás, amely helyett - ha az előbbi szabály szerint jártunk volna el - SUB A,L -t kellene írni. Azonban minden olyan esetben, amikor a művelet két operandust kívánna, de csak egy van, a "hová" helyén az A regiszter áll.
Ha valamelyik operandus zárójelben van, címet jelent (az esetek túlnyomó többségében 16 biteset, mivel 16 bit szélességű a címsín, azonban a perifériacímek 8-bitesek). Pl. a

LD (HL),A

utasítás azt jelenti, "töltsd a HL regiszterben található számú tárcímre az A regiszter tartalmát", vagy az

OUT (C),A

azt, hogy "vidd ki a C-ben található számú portra az A tartalmát".

A Z80 regiszterei, veremkezelés
Itt csak azokkal a regiszterekkel foglalkozunk, amelyek valamilyen formában hozzáférhetőek a z80, így a ZX Spectrum programozói számára is. Ezek a 3.d. ábrán láthatóak.

Az A (akkumulátor) kitüntetett 8-bites regiszter. Benne képződik az összes 8-bites aritmetikai és logikai utasítás végeredménye. Az F (flag regiszter) 8-bites állapotregiszter. Funkciója olyan sokrétű, hogy önálló fejezetet igényel (l. a következő szakaszt). Néhány utasítás A-t és F-et együtt kezeli egy 16 bites regiszterként AF néven. A B, C, D, E, H és L regiszter belső tár, amellyel műveleteket lehet végezni a Z80 utasításkészlet szabályai szerint. Bizonyos esetekben ezekben is képződhetnek eredmények. Pl. a DJNZ d esetében a B számláló funkciót tölt be. A BC, DE és HL 16 bites regiszterek az előbbiek összerakásából jönnek létre AF-hez hasonlóan. Ennek az az értelme, hogy bizonyos műveletek csak két regiszterrel együttesen 16 biten végezhetők ez. Pl. ilyen az előbb említett LD (HL),A utasítás, de pl. az ADD HL,BC is, amely azt jelenti, hogy "add hozzá HL tartalmát BC-hez és az eredmény képezd HL-ben". Az IX és az IY két 16 bites regiszter, amelyek indexelt címzési módnál a báziscímet tartalmazzák. A későbbi fejlesztések során nyílvánosságra hozott utasítások lehetővé teszik, hogy külön felső és alsó nyolc bitjükkel is műveleteket lehessen végezni. (A ZX Spectrumhoz sokféle assembler van forgalomban. Ezeket a többletutasításokat az EDITAS 48K, az EDITAS 16K, vagy a MONEDITAS program fogadja el.) Az I regiszter tartalma, ha a Z80 IM2-ben (vektoros megszakítási üzemmódban) van, a címsín felső nyolc bitjére kerül, a megszakítást kérő eszköz pedig az alsó 8 bitet szolgáltatja.(Az I 8 bites regiszter.) Mindössze két utasítás van, amelyik ezzel a regiszterrel foglalkozik: a "LD A,I és a "LD I,A" utasítás. I azért szerepel a 3.d. ábrán R mellett, mert frissítéskor tartalma a címsín felső 8 bitjére kerül. (Emiatt jelölik néhány helyen "IR" regiszterként. Nincs azonban olyan Z80 utasítás, amely ilyen regisztert kezelne.)

3.d. ábra: a Z80 (és a Z80A) regiszterei

Az R regiszter ugyanúgy két utasítással használható: "LD A,R"-rel és "LD R,A"-val. 7-bites regiszter. Tartalma minden utasításelérési ciklus után eggyel nő (inkrementálódik). Noha programból kezelhető, csak speciális esetben, pl. hardverteszteléskor szokták használni. Frissítéskor tartalma a címsínen jelenik meg.
A PC (Program Counter) programszámláló regiszter szerepe legjobban az előző szakasz diagramjai és magyarázatai alapján érthető meg. Utasításeléréskor mindig az elérendő parancs címét tartalmazza, s még a cikluson belül meg is nő eggyel (inkrementálódik). Ugrásutasításkor (pl. JP) az ugrás címe felülírja a címsínt, azonban relatív ugráskor (JR) éppen az utasításelérési ciklus korai PC inkrementálását kell számításba vennie a programozónak.
Az AF' , BC' , DE' és HL' regiszterek alkotják az ún. alternatív regiszterkészletet, amely onnan kapta nevét, hogy programból szabályozható, hogy melyiket használjuk. Az EXX utasítás kicseréli BC tartalmát BC'-ével, DE-t DE'-vel HL-t H'-val, vagy legalábbis így viselkedik a programozó számára. Ezt azonban úgy is felfoghatjuk, hogy választási lehetőséget biztosit két regiszterkészlet között. Ilyen megvilágításban midig a használt regiszterkészlet a vessző nélküli. Az AF és az AF' közti választási lehetőséget az EX AF,AF' utasítás biztosítja, amely az előbbivel analóg módon felcseréli e két regiszterpár tartalmát. Legtöbbször szubrutinhívás előtt használjuk az aktuális regisztertartalmak elmentésére, ezért gyakran az alternatív regiszterkészlet "második veremnek" vagy "belső veremnek" is nevezik.
A belső verem mellett logikusan külső verem (stack) is van, amelynek az előbbihez hasonló a feladata, de a külső tárban helyezkedik el. Fel használásának egyik módja az, hogy regisztertartalmat mentünk el bele, majd bizonyos műveletek után visszahozzuk. Pl. a BC elmentése a verembe a

PUSH BC

utasítással történik. Ha az SP (Stack Pointer regiszter = veremmutató regiszter) tartalma a PUSH BC előtt egy (0 és 65535 közötti) tetszőleges egész szám, pl. z volt, utána z-2 lesz. Ennek oka, hogy a regiszterpár 16 bites adattárolási módjának megfelelően B tartalma a z-1-edik című, C-é pedig a z-2-edik című bájtba íródik.
Ezzel ellentétes a

POP BC

utasítás. Ezután SP tartalma - ha előtte z volt, - z+2 lesz, s z tartalma B-be, z+1-é pedig a C-be íródik. Az AF, BC, DE, HL, IX és IY regiszterek tartalma menthető el és hozható vissza ily módon. A tárolásnál érvényesül a LIFO (Last In First Out) elv, ami azt jelenti, hogy ha folyamatosan használjuk, annak a regiszternek kerül ki először a tartalma, amely utoljára beíródott. Innen a verem elnevezés.
A verem második felhasználási módja jelentősen eltér az előzőtől: minden szubrutinhíváskor ide mentődik el a PC tartalma (ez már az inkremertált tartalom), mielőtt a szubrutinra kerülne a vezérlés. Ilyen szubrutinhívó Z80 assembler utasítás pl. a CALL, amely a BASIC GOSUB-jának felel meg, míg vele szemben a JP-nek a GO TO. Általában kevés hasonlóságot találni a BASIC és a Z80 assembler közt, mivel az előbbi egy magas szintű programnyelv, a megfeleltetés azonban igen szemléletes. A GOSUB után RETURN kell, a CALL után RET, s ennek hatására a verem tetején lévő szám a PC-be kerül. Gépi kódban nemcsak a CALL, hanem az RST (ReSTart) utasítás is szubrutinhívás, csak fix címre. A maszkolható megszakítás szubrutinjából a RETI (RETurn from Interrupt), a nem maszkolhatóéból a RETN (RETurn -(rom Non-maskable interrupt) utasítással lehet visszatérni.
Meg kell jegyezni, hogy a ZX Spectrum ROM programozói igen gyakran használnak egy speciális visszatérési módot, amely nem más, mint a kétféle veremhasználat egyesítése. Egy rutinban PUSH utasítással a verembe raknak egy számot, majd RET utasítással ráadják a vezérlést. Természetesen az utóbbi használatkor is érvényes az, amit az adatok elmentésénél leirtunk.

Az állapotregiszter
Az állapotregiszter (flag register) az állapotjelző biteket (flageket), más néven az "egybites jelzőáramköröket" tartalmazza. Műveletek hatására ezek a bitek, felvesznek bizonyos értékeket, s vannak olyan utasítások, amelyek lehetővé teszik, hogy ennek alapján a vezérlés más területekre (tárcímekre) adódjon át, azaz a feltétel számára kiszolgálórutin készíthető legyen. A felsorolt jelzőbitek (3.c. ábra) leírásában a következő jelöléseket alkalmazzuk:

3.c. ábra: A Z80A mikroprocesszor státuszregisztere (jelzőbitkészlete)

Egységes 8-bites regiszterkészletként a jelzőkészlet, amely a felsorolt bitek mellett két határozatlan állapotú bitet is tartalmaz (3.c. ábra) , 3 utasítással kezelhető. Ezek:

PUSH AF
POP AF
EX AF,AF'

A 3.c. ábrán látható jelzőbiteket balról jobbra sorra véve:

S (Sign flag): előjel-jelzőbit. Lehetővé teszi, hogy a műveletek eredményeképpen kapott számokat kettes komplemensűként értelmezzük, mivel az akkumulátor 7-es bitjének tartalmát veszi át. A rá vonatkozó feltételes ugrás és szubrutinhívó utasítások: JP P,nn JP M,nn CALL P,nn CALL M,nn ahol nn = 0 és 65535 közti pozitív egész (tárcím), P = Plus és M = Minus. A bináris bitkombinációk (bájtok) kettes komplemensű értelmezése a C. függelékben található. Szemléletes ábrázolásuk a 7. ábrán látható számórával lehetséges, amely közvetlenül is megmutatja elhelyezkedésüket a bináris számsorban 0 és 255 közt. Az S jelzőbit IN r,(C) után felveszi a beolvasott adat előjelét. 7. ábra: számóra

Az S-t befolyásoló utasítások:

Z (Zero Flag): zérus-jelzőbit. Értéke egy, ha az aktuális művelet eredménye nulla, egyébként nulla. Általában összehasonlító utasítások után használják: ha a változó értéke megegyezik az összehasonlított értékkel, Z=1, egyébként Z=0 lesz.
Hasznos a BIT utáni alkalmazás, amelynek eredményeképpen Z=1, ha a vizsgált bit értéke 0 és Z=0, ha a vizsgált bit értéke 1.
IN r,(C) utasítás után Z értéke 1, ha a beolvasott adat 0 és 0, ha nem.
IND, INI, OUTD és OUTI -nél Z=1, ha B-1=0 és 0, ha nem.
Ezenkívül a Z jelzőbitet befolyásoló utasítások:

H (Half carry flag): félátvitel- jelzőbit. A harmadik bitről a negyedikre történő átvitelt vizsgálja. Ha van átvitel, értéke 1, egyébként 0. Nincsenek olyan utasítások, amelyek H bit függvényében feltételesek. A H bit a BCD (Binary Coded Decimal = binárisan kódolt decimális) számokkal végzendő műveleteknél használatos. A BCD számok és bináris kombinációik szintén a C. függelékben találhatók. Adjunk össze két kis értékű BCD számot:

Programból ezt a következőképpen tehetjük meg: ha az egyik összeadandó az A, a másik a C regiszterben van, akkor:

10 ADD A,C
20 DAA

A DAA utasítás, ha az A regiszterben található szám felső négy bitjének értéke 0 és 9, míg az alsóé 10 és 15 közt van, s H bit nulla, akkor 6-ot ad hozzá az akkumulátor tartalmához, azaz ha
A = 0010 1100 DAA előtt, akkor
A = 0011 0010 (= D32) D4A után, mivel

s így megkapjuk az akkumulátorban a helyes BCD eredményt. (BCD számoknál a felsorolásunkban az utolsó C átvitel-jelzőbit akkor 1, ha a felső négy bitről átvitel - tehát pl. a kapott BCD szám értéke 147. Ekkor a 100-as helyértéken lévő egyet C állapota jelöli.) Nézzünk most két nagyobb számot:

Az összeadás természetesen minden esetben az adott számrendszer helyértékeinek megfelelően történik, így - az előbbi összeadásokban is - bináris számokkal kettes, decimálisokkal tízes számrendszerben adunk össze. A bináris kódokat a Z80 aritmetikai műveletei - ellentétben néhány másik processzorral - minden esetben 0-tól 255-ig terjedő egész számoknak értelmezik. Az előbbi kétutasításos program most is megfelel arra, hogy helyes BCD eredményt kapjunk, az akkumulátorban. Ha A alsó négy bitjének értéke 0 és 3 közé esik, az előző esettel ellentétben van félátvitel. DAA ekkor ismét hatot ad az 4 regiszter értékéhez. Nézzük meg, hogy most is helyes eredményt kapunk-e:

s ezzel megkaptuk a decimális összeadás helyes végeredményét.

P/V (Parity-oVerflow flag): paritást -(párosság-ellenőrzést) -, ill. túlcsordulást jelző bit. Már nevéből is látható, hogy funkcióját tekintve ez a legsokrétűbb.
Kezdjük a legegyszerűbb esettel: logikai műveletek után P/V = 1, ha az eredmény páros (even parity = páros paritás)és p/v = 0, ha páratlan (odd parity = páratlan paritás). Erre az esetre külön feltételjelölés van a Z80 assemblerben. Pl.:

Másik esetben túlcsordulást jelez kettes komplemensű számokkal való műveletvégzéskor. A bináris kódok lehetséges kettes komplemensű jelentéseit a C. függelék foglalja össze. Az S bit kapcsán már volt róluk szó: ez a bit az ilyen számok előjele szerint veszi fel értékét, s ez természetesen -_aritmetikai műveletekről lévén szó - az akkumulátor 7. (balról az első) bitjének tartalma. A BCD számokhoz hasonlóan azonban itt sem kerülhetjük el a műveletvégzés problémáját, mivel ebben az esetben is érvényes, hogy az aritmetikai műveletek az operandusokat 0-tól 255-ig terjedő egész számként kezelik 8-bites esetben. A P/V jelzőbit feladata ekkor az, hogy jelezze, hogy a művelet eredményeképpen hibás szám keletkezett, mert kiesett a Z80 kettes komplemensű számábrázolási köréből. Ha egy szubrutinban (legyen a neve "COMPL") kizárólag erre vizsgálunk feltételt, elég, ha a következőt írjuk:

Ebből az is következik, hogy P/V jelzőbit aritmetikai műveletek után négy esetben vesz fel 1 értéket:

• ha nagy pozitív számot adunk nagy pozitívhoz;
• ha nagy negatív számot adunk nagy pozitívhoz;
• ha nagy pozitív számot vonunk ki nagy negatív és
• ha nagy negatív számot vonunk ki. nagy pozitív számból.

A programból látható, hogy ha szubrutinként használják (azaz a 10-es sorszámú utasítástól pl. egy CALL-lal hívják meg), helyes eredmény esetén elugrik az OKNUMB rutinra, de előtte felszabadítja a vermet a CALL után letárolt PC értéktől, helytelen esetben pedig visszatér a szubrutinból, tehát a CALL után lehet elhelyezni ezt a rutint. Korrekciót nem végez, mint az előbbi esetben a DAA.
Nézzünk néhány példát:

Sajnos korrekció csak programtechnikai úton érhető el. Ehhez pedig javarészt feltételes ugrásutasításokra ás logikai függvényekre van szükségünk. Nézzük az alapeseteket összeadásnál:

1. Két kis pozitív szám összeadása:

P/V=0 és C=0.
A C jelzőbittel azt vizsgáljuk, hogy ha a bináris kódokat 0 és 255 közötti számoknak fogjuk fel, a művelet eredményeképpen lesz-e túlcsordulás, Látható, hogy ez alapvetően másfajta túlcsordulás, mint a kettes komplemensű számoké. Azért közöljük, mert korrekciós rutinokhoz ennek ellenére igen jól használható.

2. Két nagy pozitív szám összeadása:

P/V=1 és C=0.

3. Két kis negatív szám összeadása:

P/V=0 és C=1.

4. Két nagy negatív szám összeadása:

P/V=1 és C=1.

Van azonban a P/V bitnek néhány speciális alkalmazása is: CPD, CPDR, CPI, CPIR, LDD, LDDR, LDI és LDIR utasításoknál P/V=0, ha a számlálók értéke nulla. Mivel a számláló szerepét minden esetben a BC regiszter tölti be, P/V=0, ha (BC)-1=0.
Másik speciális alkalmazás az, amikor LD A,I és LD A,R utasításoknál P/V az ideiglenes megszakítás-jelzőbit tartalmát veszi fel. Ez pl. akkor használható, ha nem maszkolható megszakításrutin alatt szeretnénk megállapítani, hogy a processzor DI, vagy EI állapotban van-e, azaz egyébként elfogad-e maszkolható megszakításkérést. A ZX Spectrumban ez az alkalmazás a már említett ROM hiba miatt szóba sem jöhet.
A P/V bitet paritás (P) jelzőként használó utasítások:

A jelzőbitet túlcsordulás (V) jelzőként használó utasítások:

valamint speciális módon használják a már előbb említett utasítások.

N (substract flag): kivonás-jelzőbit.
A DAA utasítás csak akkor ad helyes eredményt, ha a processzor jelzi számára, hogy a megelőző művelet összeadás, vagy kivonás volt. Értéke összeadás után 0, kivonás után 1. (A H-hoz hasonlóan N-re vonatkozó feltételes utasítások sincsenek.)
Az N-t -ra állító utasítások:

Az N-t 1-re állító utasítások:

C (Carry flag): átvitel-jelzőbit. Alapállapotban az átvitelt jelzi az akkumulátor 7. bitjéről a nem létező nyolcadikra, így pozitív bináris egész számokkal végzett műveleteknél túlcsordulásjelzőjeként lehet használni. Ez az aritmetikai utasításokban való használhatóságot jelenti. A C azonban nem emiatt a szinte leggyakrabban használt jelzőbit. A léptető- (shift) és forgató- (rotate) utasítások lényege, hogy a regiszterekből közvetlenül történhet bitátvitel a C-be és viszont a 8. ábrán látható módon. Igen sok esetben van erre szükség a ZX Spectrum gépi kódú programozásakor, s a ROM is sokat használja a C bitet ilyen formában. (Leggyakoribb a C-re vonatkozó feltételes utasítás, mivel C-re és Z-re van feztételes relatív ugrás is.)

8. ábra: A léptető és forgató Z80 utasítások funkciói

C értéke közvetlenül állítható utasításokból, mert SCF (Set Carry Flag) hatására 1-be, bármely logikai utasítás hatására 0-ba áll., Ilyen egybájtos utasítás pl. AND A, vagy OR A. Mindkettő 0-ba állítja a C bitet, de az akkumulátor tartalma nem változik, mivel pontos jelentése: AND A,A; vagy OR A,A lenne. A CCF (Complement Carry Flag) utasítás 1-be állítja C-t, ha előzőleg 0 volt, ill. 0-ba, ha 1.
Összefoglalva, a C jelzőbitet állító utasítások:

Címzési módok
A címzési módok ismerete nem szükséges elengedhetetlenül a Z80 programozásához, így a Zx Spectrum programozásához sem, viszont hasznos (pl. adatbázis-kezelő stb.) programok tervezésekor.
A ZX Spectrum címzési módjai (9. ábra):

9. ábra: Z80 címzési módok

1. A beleértett címzési mód (implied addressing mode) kategóriájába tartozik pl. a LD A,D utasítás. Sokakban merülhet fez a hogyan lehet ez, hiszen ennek a tárcímzéshez semmi köze, s még zárójeles operandus sem található benne. A válasz igen egyszerű: az LD utasításhoz hozzá rendeltük a Z80-as A és C regiszterének címét. Nézzük meg az utasítás kódját binárisan:
   122 = 01 111 010.
   A bináris szám szokatlan széttagolása nem véletlen. Az utasításkódból ugyanis csak 01 a tényleges utasítás, s jelenti a dekódoló áramkör számára, hogy LD műveletről van szó. Az 111 az A, a 010 a D regiszter címe a mikroprocesszoron belül akkor is, ha számunkra nem teljesíti a cím alatt eddig értett kódtípusok követelményeit. Ebből egyszersmind az is kivehető, hogy miért nevezzük ezt a címzési módot beleértettnek: az utasításkódba "beleértjük" az A és a D regiszter címét a Z80 számára. A függelékek jelentős része a Z80 utasítások magyarázatával foglakozik.
2. Közvetlen címzési mód (immediate addressing mode) esetén a műveleti kódot tartalmazó bájtot követő regiszterben található a hozzá tartozó literális (literal). Ez egy konstans, amelyet számítási vagy összehasonlítási értékként használnak, operandus, s a programfuttatás során nem változik. Ilyen pl. a
   CP 12
   utasítás.
3. Kiterjesztett közvetlen címzési mód (extended immediate addressing mode) esetén az utasításkódot nem egy-, hanem kétbájtos literális követi. Erre azért van szükség, mert a Z80 regisztereinek többsége 16 bites formában is használható. Ilyen pl. a
   LD HL, 60000
   utasítás.
4. Relatív címzési mód (relative addressing mode) esetén a műveleti kód után álló egybájtos operandus kettes komplemensű előjeles bináris egész szám (d). Ilyen pl. a
   DJNZ d
   utasítás.
5. Abszolút (kiterjesztett) címzési módban absolute - extended - addressing mode) az utasításkód után álló két operandus tárcímet (abszolút címet) határoz meg. Ez lehet a tárban adat formájában, pl.:
   LD DE,(57000).
6. Indexelt címzési mód (indexed addressing mode) során a címazonosítás legalább három lépésben történik. A Z80 először az indexregiszterre vonatkozó információt azonosítja (Z80-nál ez az IX vagy az IY regiszter), majd pl. egy regiszterre vonatkozó címet a
   LD B,(IX-63)
   utasítás esetében. Minden indexelt címzésű utasítás tartalmaz egy előjeles d operandust, amely kettes komplemensű bináris egész szám (azaz -128 =< d =< +127). Ezt az indexregiszter tartalmához az előjelet figyelembe véve hozzáadva kapjuk meg annak a bájtnak a helyét, amelyen az operáció történik.
7. Módosított címzés a nullás tárlapon (modified zero-page addressing mode). Nullás tárlapnak a 0 és 255 közötti címen lévő tárregisztereket nevezzük. Ebbe a kategóriába a Z80 egyetlen utasítástípusa tartozik, az RST (ReSTart), amely egyetlen bájtos szubrutinhívás. Ez csak úgy lehetséges, ha a műveleti kód tartalmazza a hívási címet, pl.
   207 = 11 001 111 = RST 8.
   Itt a középső 001 jelenti a központi egység számára, hogy a hívást a 8-as címre tegye, a többi az RST utasítás kijelölésére szolgál. Ez természetesen nem beleértett címzési mód, hiszen a kódban abszolút cím szerepel.
8. A bit címzési mód (bit addressing mode) a Z80-as egyik legfejlettebb és legkényelmesebb szolgáltatása. Ha már egy bájtot valamilyen formában megcímeztünk, lehetőség van arra, hogy egy bittel ezzel a címzési móddal ugyanezt tegyük. Mivel egy bájtban 8 bit található, egy bit 3-bites címmel címezhető meg. Ezt, csakúgy, mint a regisztereket, beépítik az utasításkódba. Pl. a
   BIT 5,B
   kódja 203, 104. A 203 belépési kód (kiemelt kód) az utána jövő viszont
   104 = 01 101 000
   ahol "000" a B regisztert, "101" pedig annak ötödik bitjét jelöli.
   Az abszolút címzést azért nevezik kiterjesztettnek, mert létezik egy rövid címzési mód (short addressing mode) is, amelyben az utasításkód után csak egyetlen operandus, egy nyolcbites abszolút cím áll.
   A beleértett címzés része egy nagyobb csoportnak, az ún. implicit vagy regisztercímzési módnak. Az implicit címzési mód "magában foglalja" az operandus címét. A beleértett mellett ilyen a Z80 egy másik címzési módja, a
9. Regiszter indirekt címzési mód. Nem mindig sorolják külön kategóriába implicit mivolta miatt. Ilyen pl. a
   LD A,(HL)
   utasítás. (Jelentése: töltsd a HL regiszterben levő számnak megfelelő című tárrekesz tartalmát az akkumulátorba.) Ekkor az akkumulátorba töltendő rekesz címét a HL regiszterben található (cím jelöli ki, viszont azt, hogy ez így történjen, természetesen az utasításkód szabja meg, Ez a
   126 = 01 111 110
   ahol az előbbi kombinációnak megfelelően csak a "01" jelenti a LD-ot, a "111" az A regisztert, a "110" pedig azt, hogy az A-ba kerülő szám ne egy másik regiszterből, hanem (HL)-ről jöjjön.

Sajnos közvetlenül nem található meg, viszont programból előállítható az elméleti és gyakorlati szempontból egyaránt érdekes indirekt címzési mód (indirect addressing mode). Ekkor, mint a 10. ábrán látható, maga az operandus a változó, ami címet jelent. Néhány esetben az előző címzési módok kombinációi is megtalálhatók az utasításkészletben. Pl. a LD (IY+114),32 utasítás is ilyen. Jelentése: tölts az IY regiszter tartalma plusz 114-es című tárrekeszbe harminckettőt! Belátható, hogy ez egyszerre közvetlen és indexelt címzésű utasítás. (Egyébként 4-bájtos: első kódja kitüntetett belépési kód, a második a tulajdonképpeni műveleti kód, a harmadik a kettes komplemensű eltolási cím érték, a negyedik pedig a kiviendő kód, az előbbi esetben 32.) 10. ábra: Az indirekt címzés

A Z80 utasításai
A Z80 utasításkészletét sokféle szempont alapján lehet csoportosítani. A két legfontosabb: a kód és az ábécé szerinti a B., ill. az A. fügelékben található. Funkció szerint a processzor utasításai a következő csoportokba sorolhatók:

• adatmozgató;
• adatcserélő;
• blokkmozgató és kereső;
• adatfeldolgozó utasítások, ezen belül:
  • aritmetikai,
  • logikai,
  • regisztermozgató (forgató és léptető),
  • bitkezelő utasítások,
  • ugrás, szubrutinhívó utasítás és ezek feltételes utasításai,
  • perifériakezelő,
  • rendszer-, valamint processzorvezérlő utasítások.

A Z80 assembler lehetőséget nyújt, hogy ezeket funkcionális és mnemotechnikai alapon összegezzük. Ehhez a továbbiakban a következő jelöléseket alkalmazzuk:

A jelzőbitekkel kapcsolatos rövidítések:

(A jelzőbiteknél már említettük, hogy nincs olyan utasítás, amellyel H vagy N jelzőbitre feltételt lehetne állítani, viszont bizonyos utasítások ezeket is használják belső működésükhöz.)
Az időzítési táblázatokban a mikroszekundumban megadott legutolsó értékek közvetlenül használhatók ZX Spectrumhoz, mivel a Z80A-ra vonatkoznak, 3,5 MHz-es órajel-frekvenciával.
Az op tetszőleges operandust jelöl (feladata az állapotregisztert bemutató szakasz g és s operandus jeleihez hasonló). Pontosabb tájékoztatást az "op:" felirat utáni leírásból kaphatunk.
A jelzőbitekre vonatkozó rövidítések:

A jelzőbitek együttesét F-fel jelöljük.
Táblázatunkban megadjuk az utasítások funkcióját, a jelzőbitek változását, a végrehajtáshoz szükséges gépi ciklusok és periódusok számát, ill. a Spectrumon való végrehajtásidejét mikroszekundumban kifejezve. Az utasításnevek az utasítás funkciójának angol nyelvű rövidítései. Kifejtésüket az A. függelékben közöljük.)

Öt utasítás és ellentétes értelmű utasításaik kétféleképpen fordulnak elő a Z80 utasításkészletében. Ezek:

(Az utolsó négynél a művelet eredményeképpen más jelzőbit kombináció alakul ki, ill. LD utasításnál értelemszerűen nincs ilyen.) Ennek oka, hogy a Z80 felülről kompatibilis az INTEL 8080 mikroprocesszorral, s tartalmazza utasításkészletének minden elemét. A bal oldali - az I8080-ban is szereplő -utasítások egyediek és egy-, ill. 3-bájtosak, míg a jobb oldaliak részben vagy teljes egészében beleértett címzési módúak, s egyebek közt olyan utasításokat is tartalmaznak, amelyek kódjába beleértett regiszterazonosítók végül is a bal oldali oszloppal azonos funkciót eredményeznek. Programozás során célszerű az egyedi utasításokat alkalmazni, mivel ezeknek nem kell belépési kód, s így rövidebbek.
Láthattuk, hogy messze a legtöbb az LD utasítás. Itt néhány kombináció kétszer fordul elő, ez viszont lehetővé teszi, hogy bármit, amire szükségünk van, megtaláljunk ábécésorrendben. Z80 assemblerben a programozó rendszerint kétféle szempont szerint keresheti az adatmozgató utasításokat. Pl.:

LD op,A vagy
LD A,op

azaz kereshet egy operandust, ahová az A regiszter tartalma átvihető, vagy egy másikat, amely az A regiszterbe vihető át. Az ábácé szerinti áttekintésre már csak a LD utasítások nagy száma miatt is szükség van.

A Z80 megszakítás rendszere
A periféria áramkörök működtetése miatt sokszor lehet szükség a mikroprocesszor ideiglenes felfüggesztésére, azaz megszakítására. Ez a 11. ábrán is látható módon alapvetően 3-féleképpen lehetséges:

• Z80 megszakítások:
  • DMA
  • NMI
  • INT
    • IM 0
    • IM 1
    • IM 2

A legegyszerűbb és egyben legnagyobb prioritású megszakítási mód a DMA (Direct Memory Access = követlen tárhozzáférés okozta megszakítás). Működésének mechanizmusára már utaltunk a kivezetések tárgyalásakor. A BUSREQ. jelet a Z80 minden ciklus végén megvizsgálja. Ha aktív állapotban van, a következő órajel elején (alacsonyról a magas feszültségszintre ugráskor) a már említett harmadik állapotba viszi a síneket és a megfelelő vezérlőjeleket. A BUSAK kimenet aktív állapota jelzi a megszakítást kérő eszköz számára, hogy átveheti a Z80 rendszerének vezérlését. Ha vannak, a dinamikus tárak frissítését is ennek az eszköznek kell ellátnia. A közvetlen hozzáférés végét a BUSREQ jel megváltozása, azaz passzív állapotba kerülése jelzi.
A másik két megszakítási mód lényegesen eltér a DMA-tól, ugyanis ezek a Z80-ban található két egybites tárral, az IFF1 és az IFF2 (Interrupt Flip-Flop 1 és 2) jelű megszakításkapcsolóval függnek össze. Ha IFF1 értéke 0, a Z80 letiltja az utóbbi két megszakításkérés elfogadását (l. 12. ábra).

Prioritását tekintve második az NMI (Non Maskable Interrupt = nem maszkolható megszakítás) üzemmód. Hardver működéséről már szóltunk a "Nemmaszkolható megszakításkérés / elfogadás" ciklusnál, így erre most részletesen nem térünk ki. Ha az NMI bemeneten megszakításkérés érkezik és a Z80 elfogadhatja, a PC regiszter értékét elmenti a verembe, és a 102 (=H66) címre ugrik. Itt kell lennie tehát annak a programrésznek, amely ilyen esetben biztosítja a rendszer m0ködését. A Z80 alapú rendszerekben sokszor ezt a megszakítási módot használják kritikus események, pl. feszültségingadozás elleni védelemre. A ZX Spectrumban ezt a védelmet másként oldották meg, így a gép ezt a bemenetet egyáltalán nem használja. A többi Z80 jellel együtt természetesen ez is megtalálható a rendszerkivezetések között , ám az amatőr készüléktervező az említett ROM hiba miatt nem használhatja üzemszerűen.
Prioritását tekintve második megszakítási üzemmódban az NMI jel hatására az IFF1 ugyanúgy 0 értéket vesz fel, ám előző állapota elmentődik a másik megszakítás-kapcsolóba, az IFF2-be. Kilépni ebből a megszakítási formából többféleképpen is lehet. A legegyszerűbb a programrész végére egy RETN utasítást írni, amelynek hatására IFF1-be átíródik IFF2 értéke, s visszaáll az NMI kérés előtti állapot. A PC-be a verem tetején lévő szám kerül, amely - ha előzőleg felszabadítottuk - az NMI kéréskor beirt korábbi programszámláló érték. A 12. ábrából azonban látható, hogy EI hatására IFF1-be és IFF2-be egyaránt 1 kerül. Ilyen utasítást természetesen a nem maszkolható megszakítást kiszolgáló programrészbe is tehetünk, s létrehozhatunk egyfajta "megszakítási láncot". A ZX Spectrum esetében ennek csak azon olvasóink számára van gyakorlati jelentősége, akik saját ROM-ot használnak, s így maguk írják a mikroprocesszor működését kiszolgáló rutinokat is. Ha ekkor adunk ki DI utasítást, az egyenértékű IFF2 0-ba állításával. LD A,I; LD A,R és RETN hatására IFF2 tartalma átíródik a P/V jelzőbitbe, így programból is vizsgálható.
A harmadik, a legkisebb prioritású, legbonyolultabb és egyben leggyakrabban használt az INT (maskabie INTerrupt = maszkolható megszakítás) üzemmód. Neve onnét ered, hogy míg az NMI-t minden esetben, az INT-et csak akkor fogadja el a mikroprocesszor, ha IFF1=1. Ez a 12. ábrán látható módon DI és EI utasítással szabályozható. Úgy is mondható, hogy IFF1 maszkolja a megszakításkérés elfogadásának lehetőségét. Ilyen megszakításkérés hatására PC tartalma ugyanúgy elmentődik a verembe, és ezt a megszakítást kiszolgáló programrész végén egy RETI utasítással ugyanúgy visszahozhatjuk, mint az előző esetben. (A RET-ek hatása is hasonló!) Az azonban, hogy hol legyen ez a rutin, már programból szabályozható: IM0-val a 0-ás, IM1-gyel az egyes és IM2-vel a kettes megszakítási módot állíthatjuk be.
A legegyszerűbb a nullás megszakítási mód, amely már az INTEL 8080-as mikroprocesszorban is megtalálható. bekapcsolás után vagy RESET hatására ezt veszi fel a Z80 A megszakításkérés után az adatsínen jövő jelkombinációt a Z80 utasításnak értelmezi. Az RST utasítás eredeti (i8080) funkciója az, hogy ez az egyetlen bájt szubrutinhívó utasítás is lehessen, de természetesen lehet más is. ZX Spectrumban ily módon azonban legfeljebb néhány RST-vel is elérhető fontosabb ROM rutint hívhatnánk, ha befolyásolhatnánk, hogy milyen jelkombináció érkezzen az ULA-ból az adatsínen, tehát IM0 használata esetünkben nem praktikus.
Annál fontosabb a ZX Spectrum számára viszont az egyes megszakítási üzemmód. A BASIC ugyanis ezt használja fel működéséhez. Inicializáláskor, amelyet a 4555-ös címen kezdődő rutin végez, ebbe az üzemmódba kerül a processzor. Ekkor - függetlenül az adatsín tartalmától - a PC-be 56 kerül, s az utasítások végrehajtása innen folytatódik. A BASIC ennek segítségével kezeli a billentyűzetet, s állít be bizonyos rendszerváltozókat (pl. az óra változót). Ha kiadunk saját programunkban egy DI utasítást és
RANDOMIZE USR kezdőcímből
RET-tel térünk vissza, tapasztalhatjuk, hogy noha a program megmaradt, a gép mégsem fogad el semmilyen utasítást sem a billentyűzetről. úgy is mondják, hogy ennek a megszakítási módnak a vektorozása automatikus.
Hogy miért, erre ad választ a második megszakítási mód szerkezete, amelyet vektoros megszakításnak is hívnak. Ez a Z80 leghatékonyabb, a programozó és a rendszertervező számára a legnagyobb szabadságot megengedő megszakítási módja, s igen jól használható ZX Spectrumban saját gépi kódú program készítésekor is. (Erre számos példát találhatunk a szoftver fejezetben. A példák egyben az alkalmazhatóság korlátait is megmutatják. A későbbiekben bemutatunk egy további korlátot is, amely sajnos igen nehézzé teszi alkalmazását 16 Kbájtos gépekben.) Ebben az üzemmódban az I regiszter és a megszakításkérő eszköz együttesen előállít egy címet a címsínen. Legyen ennek az értéke pl. aaaaa! Ezután a PC-be kerül az (aaaaa) és az (aaaaa+1) című bájtok tartalma oly módon, hogy

PC=(aaaaa) + 256*(aaaaa+1)

s az utasítások végrehajtása innen folytatódik, azaz itt helyezhető el a megszakítást kiszolgáló programrész.
Ezt leginkább akkor alkalmazzák, ha több megszakítást kérő eszköz van. Ekkor, ha az egyik 2-vel nagyobb kódot helyez a címsínre, mint a másik, s ez kettővel kevesebbet, mint a harmadik stb., akkor létrejön egy megszakítási (vektor-) táblázat. A vektor szót ebben az esetben ne azonosítsuk közismert matematikai fogalommal! A megszakítást kérő eszközről egy tárrekesz-kijelölő (=vektor) érték érkezik a címsínen, amely, noha fizikailag ugyanolyan 8-bites kód, mint pl. az IM0 esetében, az I regiszterrel együtt válik csak érvényes címkombinációva.
A maszkolható megszakításkérés / elfogadás ciklust kiszolgáló rutinból való visszatérés általában RETI-vel. történik, de lehet RET-tel is, hiszen ebben az esetben nincs szükség olyan műveletekre az IFF1-gyel és az IFF2-vel, mint a RETN esetében. Ha a megszakításrutin végrehajtási ideje hosszabb, mint amennyi idő a következő INT jel beérkezéséig rendelkezésre áll, ki kell adni a rutin elején egy DI utasítást.

1.2.2. A Spectrum ULA

Az ULA angol nyelvű rövidítés, jelentése: Uncommitted Logic Array, szó szerinti fordításban "kötetlen logikai elrendezés". Ez az elnevezés az ilyen áramkörök felhasználási módjára, s, nem a technológiai kialakítására utal. Gyakorlatban ugyanis az UL.A egy félkész integrált áramköri lapka, amelyen az áramköri elemeket már elkészítették, s azok összekötése a felhasználó feladata. Ebből következi k, hogy felhasználási területük teljes egészében a berendezésorientált áramköröké, mivel a katalógusokban szereplő tipikus, ún. katalógus áramkörök gyártására a legtöbb esetben gazdaságtalanok. Erre utal az ULA rövidítés magyar nyelvű változata, a BOÁK (Berendezés Orientált ÁramKör) is.
BOÁK gyártása elvileg azóta lehetséges, amióta egy lapkán több tranzisztor is készíthető. Gyakorlatilag természetesen sokkal több tényező indokolta létrejöttüket. A félvezetőeszközök fejlődése technológiailag egyre bonyolultabb, változatosabb, és funkcióiban is sokrétűbb áramkörök kialakítását tette lehetővé, s ez visszahatott a felhasználói tervezésre is, amely egyre inkább a katalógus áramkörökre épült, s épül még nagyrészt ma is. Sok esetben azonban a tervező igénye olyan speciális, hogy katalógus áramkörök felhasználása mind a tervezést, mind a gyártást igen körülményessé teszi. Minél speciálisabb egy berendezés, annál kevésbé alkalmazkodik felépítéséhez a katalógus áramkör. Ilyen esetekben a tervező válaszút elé kerül: vagy több katalógus áramkört alkalmaz, vagy csökkenti készüléke funkcióinak számát, ill. ront a műszaki paramétereken. Ebből a problémából jelent kiutat jelentős részben a BOÁK alkalmazása. A félvezető eszköz gyártója félkész lapkákat bocsát a felhasználó rendelkezésére, aki ehhez beszerzi azt a technológiát, amellyel kialakítja rajta a legutolsó fémréteget vagy rétegeket. Ezek természetesen nem egy adott áramkörhöz , legfeljebb csak egy áramkörtípushoz vannak méretezve. Ez különösen kedvez a digitális alkalmazásnak.
Az eddig említett gazdasági szempontok megszabják az BOÁK gazdaságos felhasználásának alsó és felső határát. 1000 db, alatt általában - eltekintve néhány speciális alkalmazástól - csak a katalógus áramkörökből való építkezés jön szóba. Milliós tételben viszont már messze megér az áramkört kész formában, katalógus áramkörként gyártani. Fontos szempont lehet, hogy a technológia gyakorlatilag megóvja a BOÁK-kal készített berendezéseket attól, hogy valaki lemásolja őket és eladja, mivel - épp úgy, mint elkészítésük - ez is speciális technológiát igényel.
A Sinclair cég ZX80-asa volt az első BOÁK-kal gyártott személyi számítógép.
A ZX Spectrumban BOÁK (amelyet angol gyártmányról lévén szó, a ZX gyártmányismertetőkkel való egyezés érdekében a továbbiakban ULA-nak nevezünk) állítja elő a videoáramkör számára a kék-sárga, a piros-sárga különbségi, valamint szinkron-fényerő jelet, kezeli a billentyűzetet, meghajt egy kisteljesítményű hangszórót, ki- és bemenetet biztosit kazettás adattároló számára, a mikroprocesszoros rendszer felé biztosítja a megszakítást 50 Hz-es frekvencián, ellátja a Z80A vezérlési, valamint a rendszervezérlési és bizonyos multiplexálási funkciók egy részét. Mielőtt azonban rátérnénk a funkciók részletes ismertetésére, tekintsük át a Spectrum ULA felépítését!

A Spectrum ULA szerkezete
A Spectrum ULA bipoláris tranzisztorokból és félvezető alapú ellenállásokból áll. Szerkezeti felépítése a 13. ábrán látható.

13. ábra: A Spectrum ULA mátrixcellái

A belső kis négyzetek az un. Mátrixcellák. Mindegyiken belül a tranzisztorok, a vezetékek, ill. átvezetési lehetőségek majdnem vagy teljesen azonosak. A mátrix elnevezés az ábrán látható elrendezésből ered, míg a cella abból, hogy ilyen tranzisztorokból, ellenállásokból és ilyen vezetékekből álló egységekkel dolgozik a tervező. Közöttük, ill. az áramköri elemek közt található kis üres területeken vannak a vezetékek, ill. hozható létre az un. saját vezetőréteg. A szélén nagyobb négyzetek, az ún. perifériacellák kaptak helyet. Funkciójukat nevükben hordozzák: ezek feladata, hogy belőlük olyan illesztőáramkört lehessen készíteni, amely alkalmas a belső áramkör nagyobb - ULA-n kívüli - áramkörbe való biztonságos bekapcsolására, pl. az ULA-nak a ZX Spectrum áramkörébe való bekötésére.
A Spectrum ULA-t a világ egyik legnagyobb BOÁK gyártója, az amerikai Ferranti cég készíti. A Ferranti ULA-k katalógusszámozása - szemben pl. a Texas Instruments 74-es sorozatával - nem közismert. Ha valaki kinyitja a Magyarországon legnagyobb számban fellelhető második kiadású (Issue 2) Spectrumot, az ULA tetején egyebek közt pl. az "ULA5C112E" kódkombinációt láthatja. Az ULA jelzés ebben az esetben az áramkör típusát jelenti (type prefix), hogy megkülönböztethető legyen más gyártmányú áramkörtől. Az "5" a Ferranti ULA-k sorozatjelzete (ULA series identification), amelynek jelentése a 14, ábrán látható. Ennek alapján ULA-k az 5000-es sorozat tagja, a benne található cellák száma minimum 440, maximum 484, s ha az összeset kapuáramkörökhöz használnánk fel, átlagosan és maximálisan 1000 kapu lenne készíthető.

14. ábra: a Ferranti ULA-k sorozatjelzete

A "C" betűjelzet az alapvető műszaki jellemzőket foglalja össze (1. 15. ábra) . Eszerint DIGILIN (DIGItal-LINear) ULA-ról van szó, amely igen nagy sebességű áramköri elemeket tartalmazó félvezető lapkán készült, s maximálisan 20 MHz frekvenciával működtethető. Spectrumbeli frekvenciája 14 MHz.

15. ábra: A Ferranti ULA-k alapvető műszaki jellemzőinek katalógusjelzései

Jobbra a következő az áramkör sorszáma a tervezés sorrendjében (Circuit Design Number). ULA-nké ebben az esetben 112, de ez korántsem azonos valamennyi Spectrumban. A legkorábbi, első kiadású (Issue 1) gépekben még 102-es sorszámúakat is találhatunk, ami magától érthetődően a tervezés egy korábbi fázisának eredménye. Az "E" jelentése a 16. ábrán látható, s az ULA-t tartalmazó tokra jellemző. Az 5000-es sorozatú ULA-kat 24, 28 és 40 kivezetésű tokozással gyártják, a ZX-é 40 kivezetésű.

16. ábra: A Ferranti ULA-k tokozásának katalógusjelölése

Az 5C000 sorozatú ULA-k logikai típusának jelölése CML (Current Mode Logic). Ez a mátrix- és perifériacellákban egyaránt megtalálható multiemitteres tranzisztorra utal, amelyek áramgenerátorként működnek inverz-aktív üzemmódban. A cellák tápfeszültsége 5 V, üzemi hőmérséklete 25 C. A teljes disszipáció gyakorlatilag a cellák disszipációinak összege. Működtetésük a felhasználástól függően kétféleképpen lehetséges: egy tápfeszültség bekötésekor a két tápvezeték közösített. Két tápfeszültség alkalmazása kisebb hődisszipációt eredményez sebességveszteség nélkül. Annak ellenére, hogy a beköthető perifériacellák száma kb. 50, s ezek mindegyike kivezethető, a Ferranti ULA-it legfeljebb 40 kivezetésű tokban hozza forgalomba. Ennek oka a tervezés és a kialakítás geometriájában van.
Az ULA kivezetéseinek természetesen önálló funkcióik vannak a rendszer szempontjából, s erről kapták nevüket is. A kivezetések bekötésükre utaló elnevezéseikkel együtt a 13.b. ábrán láthatók. Az egyes kivezetések funkciói:

13.b. ábra: A Spectrum ULA kivezetései

Az ULA portkezelése kimenetként
A kimenetként való programozás annyit jelent, hogy az ULA-ra mint portra adatot viszünk ki. Kiválasztani az ULA-t az A0 bit nullába állításával lehet, így címe a 254-es. A kivitel az

OUT (254),n

assembler utasítással történik, ahol a 254 azért van zárójelben, mert, noha 8-bites, de portcím, az n pedig egy kiviendő 8-bites konstans.
Ennek a konstansnak az alsó három bitje a háttérszint állítja be. Ez több szoftverproblémát is felvet, így ennek három bitnek a programozására, a 2. fejezetben egy teljes szakaszt szentelünk.
Az 5. hit a hangszóró vezérlését látja el. Hangeffektusokat a bit tartalmának megfelelő frekvenciával történő változtatásával kapunk. A ROM-ban közvetlenül a hangszórót vezérlő szubrutin:

A program bemenetként DE egy időre, HL pedig egy frekvenciára jellemző mennyiséget visz magával. Ebből DE megértése a legkönnyebb: minél rövidebb, annál rövidebb ideig tart a hang kibocsátása. Azt, hogy milyen hang menjen ki, egy függvény segítségével ~ számíthatjuk. Ha f a hang frekvenciája, akkor

HL = (((1/2*f)*3,5*10^6)/4)-30,125

Próbáljuk most ki a következő kis BASIC programot:

10 OUT 254,16: GO TO 10

Ha elindítjuk, hallhatjuk, hogy az indítás után a hangszóró egyet kattan, majd csendben marad. Ha viszont a

10 OUT 254,16: OUT 254,0: GO TO 10

programot próbáljuk ki, folyamatos berregő hangot kapunk. Ennek a portnak a programozása tehát nem hasonlít más portok vagy pl. a hanggenerátoros gépek programozásához. Kísérletezzünk most saját assembler programmal:

A program tízes számrendszerbeli számok formájában:

Bevinni tízes számrendszerbeli számok formájában a

10 CLEAR 59999: LET a=60000
20 INPUT b: PRINT a;TAB 15;b: POKE a,b: LET a=a+1: GO TO 10

kis BASIC programmal lehet. (A tízes számrendszerbeli formákhoz az egyértelműség kedvéért minden esetben közlünk bevivő programot vagy kiegészítéseket!) A program indítása

RANDOMIZE USR 60000

utasítással lehetséges. Ekkor összefüggő, aránylag elég mély hangot hallunk. Ha a 60. és 100. sorban a BC regiszterbe 700 helyett 100-at írunk, lényegesen magasabb hang lesz az eredmény, ha 50-et, még magasabb, ha 25-öt, még magasabb és így tovább. A BC itt azt adja meg, hogy a program mennyi ideig tartózkodjon a késleltetőrutinon. Minél rövidebb ez az idő, annál többször következik be váltás, vagyis annál magasabb lesz a hang frekvenciája. Ha pl. BC-be mindkét sorban 1500-at töltünk, a hang már kivehetően "darabos", azaz halljuk a váltásokat.
A portra kivitt 8-bites konstansban balról a második biten adatok kazettás magnóra való kivitelét írhatjuk elő. Ez az a rész, amelyet talán leginkább meghatároz a ROM-ban található program, hiszen bármely más (pl. gyorsbeolvasó stb.) beleütközik abba a problémába, hogy a programok legtöbbje az itt meghatározott formában van felvéve. Nézzük tehát a programfelvevő programrészt a BASIC tárban:

A 17. ábrán a rutin folyamatábrája, a 18, és 19. ábrán pedig az időzítési viszonyok láthatók.
Alapvetően két különböző jelforma kerül kivitelre:

• a piros-világoskék "széles csíkú" bevezető jel (header) és
• - a sötétkék-sárga adatbitek.

18. ábra: A "fej" (piros-világoskék azonosítójel) időzítése

19. ábra: A (sárga-sötétkék) adatbitjelek időzítése

Természetesen az adatkivitel bitenként történik, hiszen a vonal is, az adattároló jelbefogadása (a vezeték) is soros. Bemeneti adatként az IX regiszter á kiviendő blokk kezdőcímét, DE a hosszát tartalmazza. Az A regiszterbe kell írni az ún. adattípust. Ha ez "fej" (header block = BASIC azonosító), akkor A=0, ha adatblokk (pl. egy BASIC vagy egy assembler program bájtjai, esetleg a képernyő-bájtok - screen - tartalma), akkor A=255. Ha BASIC-ből lépünk be, mert pl. saját programunkat szeretnénk lemásolni, nyugodtan tehetjük a regiszterek feltöltése után CALL 1218-cal. A következő kis program rövid, fej nélküli felvételt eredményez:

(Ez a kis program a képernyőtár tartalmát küldi ki a magnetofonra, fej nélkül.) Ha azonban egy gépi kódú program része, akkor sosem fog a megfelelő címre visszatérni, ugyanis a legelején 1343-at ment el a verembe, ami a továbbiakban visszatérési cím. (Ez az a kombinált veremhasználati forma, amelyről korábban röviden szó volt, s amelyet előszeretettel használ a Sectrum BASIC).
A megoldás az, hogy ezután lépünk be a rutinba, vagyis a 70. sorba CALL 1222 kerül CALL 1218 helyett.

Az ULA portkezelése bemenetként
Bemeneti portként az ULA kétféle feladatot lát el:

• kezeli a billentyűzetet és
• adatbeolvasást végez a kazettás magnetofonról.

A 20. ábrán a billentyűzet elrendezése, a 21. ábrán a portkiosztása látható.

20. ábra: a ZX Spectrum billentyűzete

21. ábra: A ZX Spectrum billentyűzetének portkiosztása

A vásárláskor a számítógéphez adott gépkönyv 23. fejezete foglalkozik a billentyűzet portkezelésével BASIC-ből, mintegy az INKEY$ függvény kiegészítéseként. Assemblerben természetesen ez is egy kicsit másként történik. A bevitel az IN n,(254) alakú utasítással történik. (Ez már szerepelt az előző szakasz programjaiban is.) A következő kis program visszatér BASIC-be, ha megnyomjuk a CAPS SHIFT billentyűt:

Tízes számrendszerbeli számok formájában:

Ha a 100. sorban kicseréljük a 254-et pl. 252-re, akkor már mind a CAPS SHIFT-re, mind az A-ra visszatér BASIC-be a program, hiszen olyan kombinációt hoztunk létre, hogy bármelyik billentyűről beolvassa és ellenőrzi a szükséges egy bitet. Ezt felhasználva megvalósítható egy érdekes és hasznos funkció: a Spectrum BASIC-ből sajnos hiányzó GET utasítás funkciója. A következő program bármely billentyűre megvalósítja ezt:

Tízes számrendszerbeli számok formájában:

A maszkozás értéke a
31 = B 0001 1111
összefüggésből származik. A két program a tár bármely területén elhelyezhető, így - különösen ez utóbbi - hatékonyan alkalmazható BASIC programok, p1. DATA-val beírt kisegítő gépi kódú rutinjaként a GET helyett. Természetesen a BASIC ROM-nak is van egy billentyűzetleolvasó rutinja, amely a megszakítás rutinban helyezkedik el. A 2. fejezetben a rajzolóprogram fel is használja működéséhez. Kimenetként az E regiszterben megtalálható a lenyomott billentyű kódja, ill. 255, ha egyetlen billentyűt sem nyomtak meg. Ezt a felhasználásnál számításba kell venni, s szükség esetén visszaadni a rutinra a vezérlést. A ROM billentyűzetkezelő rutinja:

Az egyes billentyűk kódjai az E regiszterben:

A magnóról való betöltés rutinjára ugyanaz vonatkozik, mint az előző fejezetben a felvételre: