用RP2350监视Z80

# 从 RP2350 观察 Z80 总线 来源：https://emalliab.wordpress.com/2026/05/26/watching-a-z80-from-an-rp2350/ 我正拿树莓派 Pico RP2350 和 PIO 折腾着玩，想着什么时候能把它连到 Z80 上。作为起步，我一直在试验能否让 RP2350 以某种方式捕获 Z80 的地址和数据总线。我用的是自己设计的定制转接 PCB（https://diyelectromusic.com/2026/05/04/pga2350-breakout-pcb-build-guide/）上的 Pimoroni PGA2350（https://shop.pimoroni.com/products/pga2350）。 ### Z80 总线 关于 Z80 和 Z80 总线的详细资料已经很多了，这里不再赘述，但列出一些关键参考： - http://www.z80.info/ —— 一切 Z80 相关的大本营！ - RC2014 总线规范（https://smallcomputercentral.com/rc2014-bus/specification-rc2014-bus/）及说明（https://rc2014.co.uk/full-kits/rc2014-classic-ii/）。 - Electronic Circuits – interfacing with a Z80 microprocessor v3（数据和地址总线）http://sebastianmihai.com/z80-v3.html。 - Z80 用户手册（http://www.z80.info/zip/z80cpu_um.pdf）中的“时序”章节。 - 《Build Your Own Z80 Computer》—— Steve Ciarcia（https://en.wikipedia.org/wiki/Build_Your_Own_Z80_Computer）。 与本文相关的关键特性： - 16 位地址总线（A0-A15）。 - 8 位数据总线（D0-D7）。 - 若干输出控制线。 - 若干输入控制线（包括 RESET 和 CLOCK）。 最初的 Z80 是 NMOS 器件，运行在 2.5MHz（Z80），但很快出现了 4MHz（Z80A）和 6MHz（Z80B）版本。随后 CMOS 版本问世，时钟速度范围更广，典型的有 8MHz（Z84C0008）和 10MHz（Z84C0010），甚至高达 20MHz（Z84C0020）。这些芯片由多家制造商生产——Zilog、SGS、ST、NEC、Mostek 等（更多信息见 https://en.wikipedia.org/wiki/Zilog_Z80），但似乎并非所有厂商都采用我能查到的相同编号方案。该芯片于 2024 年停产，尽管一些海外市场向我保证，他们能以不到几英镑的价格提供全新的 20MHz Zilog Z84C0020 😉。 一个 Z80 CPU 测试器（https://emalliab.wordpress.com/2026/05/10/z80-cpu-tester-fail/）可以让你了解任何“野生” Z80 的型号和速度（我自己就愉快地测试过一批所谓的“20MHz”器件）。 ### Z80 时钟 我特别关心时钟速度，尤其是最低可能的时钟频率。有些（似乎是现代）版本的 Z80 是完全静态的——也就是说，它们会在时钟脉冲之间（包括完全停止时）保持状态。但我不清楚大多数是否如此。不过，既然有人成功制造出了手摇式 Z80 计算机（https://hackaday.com/2014/12/01/a-z80-computer-with-switches-and-blinkenlights/），我怀疑极慢的时钟也不成问题。 这里有注释（http://sebastianmihai.com/z80-v1.html）提到，在不被循环驱动时，最好将时钟保持在高电平。回到最初的 Z80A 数据手册，我们发现： [](https://emalliab.wordpress.com/wp-content/uploads/2026/05/image-21.png) 最大时钟周期在注释 [12] 中定义为： [](https://emalliab.wordpress.com/wp-content/uploads/2026/05/image-22.png) 所以基本上是把这些值加起来。低电平的最大脉宽有给定值 2000ns，上升和下降时间固定为 30ns，因此决定最长可接受周期的关键是高电平的最大脉宽。该值在注释 [E] 中给出： [](https://emalliab.wordpress.com/wp-content/uploads/2026/05/image-23.png) 这意味着，时钟低电平不应超过 2µs，而时钟高电平原则上可以是任意长度，保证功能正常的上限是 200µs。这样总时钟周期至少约为 203µs，对应的时钟频率略低于 5KHz。这就解释了之前关于将时钟保持在高电平的注释。 一个问题可能是某些信号需要几个时钟周期。特别是 RESET，它需要保持 3 个时钟周期才能确保正确复位，因此较长的时钟脉冲下，RESET 时间也自然得更长。 此时值得注意：Z80 有两种周期概念：机器（M）周期和时钟（T）周期（有时也称为状态）。机器周期是时钟周期的倍数（通常每个 M 周期包含 3 到 6 个 T 周期）。许多 Z80 指令参考会列出执行一条指令所需的周期数（M）和状态数（T）。 此外，外部外设（例如内存）可以使 Z80 CPU 等待。这通过断言 /WAIT 信号直到外设准备就绪来实现。这允许 CPU 与较慢内存之间的同步。 这一切带来的一个后果是，单时钟步进选项并不是特别有用，因为单步时钟需要多个步骤才能执行一条 Z80 指令。有意思的是，《Build Your Own Z80 Computer》一书中（图 4.5）有一个指令感知的单步电路，它可以监视 /M1 并使用 /WAIT 暂停 CPU，直到下一步。 ### RP2350 GPIO 我使用的是来自 https://github.com/earlephilhower/arduino-pico 的 Arduino Pico 核心，这使得构建和下载代码到 RP2350 变得容易，但我尽量坚持使用 Pico C/C++ SDK 函数，而不是 Arduino 环境覆盖层。 在 RP2040/RP2350 上初始化 GPIO 需要以下代码： ```c gpio_init(pin); gpio_set_dir(pin, dir); gpio_put(pin, value); value = gpio_get(pin); ``` 但这对于总线读取来说太慢了。不过，有一种选项可以同时操作多个 GPIO 引脚，例如： ```c gpio_init_mask(gpiobitmap); gpio_set_dir_in_masked(gpiobitmap); gpio_clr_mask(gpio_bitmap); gpio_set_mask(gpio_bitmap); uint32_t value = gpio_get_all(); ``` 但这些 API 是为 RP2040 设计的，因此只需要处理最多 32 个 GPIO 引脚。我使用的 RP2350B 有 48 个 GPIO，因此 SDK 引入了 GPIO 基址的概念，可以是 0（对应 0-31 号引脚）或 1（对应 32-63 号引脚）。不幸的是，这在 API 中的体现有些不一致。有些情况下有 \_n 版本的 API，它接受基址（0 或 1）作为参数。有些情况下（例如单个 GPIO 引脚），任何不超过最大支持的数值都是可以的。PIO 又有所不同，需要使用 pio\_set\_gpio\_base 预先设置基址。但对于 PIO，基址的处理方式不同：基址 0 对应 GPIO 0-31，基址 1 对应 GPIO 16-47。我猜这是为了在两种情况下都能完全并行使用 32 个 GPIO 引脚，但与非 PIO 函数不同，这令人困惑。 一些 API 函数没有对应的版本（至少我没找到），例如我找不到 gpio\_init\_mask 的“基址 1”版本。要初始化我需要的所有 GPIO，使用以下代码： ```c gpio_init_mask(GP_BASE0_MASK); gpio_set_dir_in_masked(GP_BASE0_MASK); for (int i=0; i<32; i++) { gpio_set_dir(i, GPIO_IN); } ``` 但这仅适用于前 32 个 GPIO。要处理 32 号以上的引脚，必须单独处理。 既然我已经有了 48 个引脚的接口，我可以将 Z80 地址总线（16 条线）和数据总线（8 条线）以及一些控制线（例如 /MREQ、/IORQ、/RD、/WR、/M1，或许还有 /WAIT 和 RESET）连接到我的 RP2350。我计划将这些信号映射到尽可能方便的 GPIO 组中，以允许同时进行总线读取。 我用了一块 RC2014 主板作为 Z80 系统。我的 RP2350 连接到 40 引脚总线扩展接口，如下所示： - A0-A15 地址 → RP2350 GPIO 0-15 - D0-D7 数据 → RP2350 GPIO 16-23 - /MREQ → RP2350 GPIO 24 - /IORQ → RP2350 GPIO 25 - /RD → RP2350 GPIO 26 - /WR → RP2350 GPIO 27 - /M1 → RP2350 GPIO 28 - CLOCK → RP2350 GPIO 29 - /WAIT → RP2350 GPIO 30 - RESET → RP2350 GPIO 31 - 一些 LED（通过 GPIO 32 及以上） 有关我的 RP2350 PCB 的更多详细信息，请参见上述链接，但基本思路是使用 GPIO 的 16/32 位并发读取和写入功能来捕获或设置总线信号。 ### PIO 总线监控 我不想仅仅为了观察总线而一直占用一个完整的 RP2350 核心。由于 RP2350 有 PIO（可编程 I/O）子系统，我可以使用它来监控总线，而主处理器可以处理其他任务。这是 PIO 的一个完美用例。 由于我有 48 个 GPIO，并且 PIO 有 32 位输入和输出端口，我可以将地址和数据总线映射到 PIO 输入端口，以便在单条 PIO 指令中捕获所有 24 位（16 位地址 + 8 位数据）。 设计一个完整的 PIO 状态机用于总线监控超出了本文范围，但基本思路是：使用 PIO 等待总线周期的开始（例如检测 /MREQ 或 /IORQ 下降沿），然后捕获地址和数据，并可选地等待 /RD 或 /WR 以获取读或写数据。然后可以将这些信息存储在 PIO 的 FIFO 中，供主处理器使用。 ### 测试驱动 为了验证基本概念，我编写了一个简单的测试程序，它不断读取 GPIO 值并查找某个特定模式。例如，我可以查找 /IORQ 和 /WR 信号，然后从数据总线读取数据并点亮一些 LED。这为我提供了 RC2014 总线的一个原始但功能的“逻辑分析仪”。 基本代码如下所示： ```c void setup() { // 初始化所有 GPIO gpio_init_mask(GP_BASE0_MASK); gpio_set_dir_in_masked(GP_BASE0_MASK); for (int i=0; i<32; i++) { gpio_set_dir(i, GPIO_IN); } // 初始化 LED GPIO（假设为 GPIO 32+） // 此处省略具体 LED 初始化代码 } void loop() { uint32_t gpio_all = gpio_get_all(); // 检查 /IORQ 和 /WR 为低，且地址低 8 位为 0x00 if ((gpio_all & 0xF0000000) == 0x00000000) { // 简化条件 uint8_t data = gpio_all >> 16; // 数据在 GPIO 16-23 // 将数据输出到 LED gpio_put_mask(0xFFFF0000, data << 16); // 假设 LED 在 GPIO 32-39 } } ``` 当然这只是一个非常简化的示例，但它展示了基本思路。 ### 更进一步：一个简单的 8 位 I/O 模块 既然能读取总线了，我决定构建一个简单的 I/O 模块，用于在 RC2014 上写入和读取数据。我编写了以下代码，它监视总线上的 I/O 写入，并将数据总线上的值显示在 LED 上。 ```c #define GP_BASE0_MASK 0xFFFFFFFF // 前 32 个 GPIO 全设为输入 #define GP_CTRL_MASK (1<<25) | (1<<27) // /IORQ 和 /WR #define GP_DATA_START 16 #define GP_LED_MASK (0xFF<<32) // 假设 LED 在 GPIO 32-39 void setup() { gpio_init_mask(GP_BASE0_MASK); gpio_set_dir_in_masked(GP_BASE0_MASK); // 单独初始化 LED 对应的 GPIO 32-39 为输出 for (int i=32; i<40; i++) { gpio_init(i); gpio_set_dir(i, GPIO_OUT); } } void loop() { uint32_t gpio32 = gpio_get_all(); // 查找 /IORQ 和 /WR 为低，地址低 8 位为 0x00 if ((gpio32 & 0x03000000) == 0x00000000) { // 简化检查 uint8_t data8 = (gpio32 >> 16) & 0xFF; // 将数据写入 LED gpio_clr_mask_n(1, GP_LED_MASK); // 清除 LED gpio_set_mask_n(1, (data8 << 32)); // 设置 LED } } ``` 这基本上就是使用一个 150MHz 的双核 ARM Cortex M0+ 来模拟 RC2014 数字 I/O 模块（https://rc2014.co.uk/modules/digital-io/）中的几个 TTL 逻辑芯片，从而从一个 8 位、10MHz 的处理器上闪烁一些 LED！这是 RC2014 上运行的 BASIC 代码： ```basic 10 FOR F=1 TO 6 20 OUT 0,2^F 30 GOSUB 100 40 NEXT F 50 FOR F=7 TO 0 STEP -1 60 OUT 0,2^F 70 GOSUB 100 80 NEXT F 90 GOTO 10 100 FOR Z=1 TO 200 110 NEXT Z 120 RETURN ``` 你可以在本文开头的视频中看到它的运行效果。 ### 结论 当然，这是一件相当疯狂的事情，但它展示了基本思路。目前，它只是以全 CPU 速度运行，消耗 RP2350 的一个核心来监视总线上的活动。现在有很多有趣的方向可以探索。我正在思考的一些方向包括： - 支持读写操作，即输入和输出 I/O 访问。 - 将 I/O 处理放到 RP2350 的一个核心上，同时另一个核心利用这些信息做其他事情。 - 制作一个内存映射设备，监视内存读写。 - 从 RP2350 控制 Z80 时钟，以实现一些有趣的时钟控制可能性——可变速度、指令感知步进等。 - 回到我在树莓派 Pico 上关于 PIO 的实验（https://emalliab.wordpress.com/2026/04/02/pio-on-the-raspberry-pi-pico/），看看能否更自主地实现。 - 模拟一些现有的 Z80 外设，类似于 Pico 在 RP6502 The Picocomputer（https://emalliab.wordpress.com/2026/01/02/rp6502-the-picocomputer/）中的使用方式。 虽然值得注意的是，这基本上就是 Z80-MBC（https://github.com/eprive/Z80-MBC3）正在做的事情……我怀疑这些想法大多会停留在思考阶段，但现在基本机制似乎已经可行，选择还是很多的。 Kevin