زيلوج زد 80

في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، ولاحقًا في شركة إنتل ، عمل الفيزيائي والمهندس فيديريكو فاجين على تقنيات تصنيع الترانزستورات وأشباه الموصلات الأساسية . كما طور منهجية التصميم الأساسية المستخدمة في تصميم الذاكرة والمعالجات الدقيقة في إنتل، وقاد العمل على معالج إنتل 4004 ، ومعالج إنتل 8080، والعديد من الدوائر المتكاملة الأخرى. وكان ماساتوشي شيما المصمم الرئيسي للمنطق والترانزستورات في معالجي 4004 و8080 تحت إشراف فاجين، بينما تولى رالف أونجرمان مسؤولية تصميم الدوائر المتكاملة المخصصة . ^{[ 6 ]}

في أوائل عام 1974، لم تنظر شركة إنتل إلى المعالجات الدقيقة كمنتجات تُباع بشكل مستقل، بل كوسيلة لزيادة مبيعات منتجاتها الرئيسية، ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM ) وذاكرة القراءة فقط (ROM) . أدى إعادة هيكلة الشركة إلى وضع بعض الأقسام المستقلة سابقًا تحت إدارة ليس فاداس، مما قلل من أهمية المعالجات الدقيقة داخل الشركة. في ذلك العام، بلغت أزمة الركود الاقتصادي (1973-1975) ذروتها، وقامت إنتل بتسريح عدد من الموظفين. ^{[ 6 ]} أدى كل هذا إلى شعور فاجين بالضيق، فدعا أونجرمان لتناول مشروب وسأله إن كان مهتمًا بتأسيس شركتهما الخاصة. وافق أونجرمان على الفور، ولأنه لم يعد لديه الكثير من العمل في إنتل، غادر في أغسطس أو سبتمبر، وتبعه فاجين، الذي كان آخر يوم عمل له في إنتل هو عيد الهالوين عام 1974. ^{[ 7 ]} عندما سمع شيما بالأمر، طلب الانضمام إلى الشركة الجديدة أيضًا، ولكن لعدم امتلاكهم تصميمًا فعليًا للمنتج أو رأس مال، طلبوا منه الانتظار. ^{[ 8 ]}

بدأت الشركة حديثة التأسيس، والتي لم يُكشف عن اسمها بعد، بتصميم متحكم دقيق أحادي الشريحة يُسمى 2001. اجتمعت الشركة مع شركة Synertek لمناقشة إمكانية تصنيعه على خطوط إنتاجها، وعندما بدأ فاجين بفهم التكاليف المترتبة، اتضح أن منتجًا منخفض التكلفة كهذا لن يكون قادرًا على منافسة تصميم شركة تمتلك خطوط إنتاج خاصة بها، مثل إنتل. عندها بدأت الشركة بالتفكير في معالج دقيق أكثر تعقيدًا، عُرف في البداية باسم Super 80، وكانت ميزته الرئيسية هي استخدامه  ناقل +5 فولت ^{[ 8 ]} بدلًا من ناقلات -5 و+5 و12 فولت الأكثر شيوعًا  المستخدمة في تصميمات مثل 8080. كان التصميم الجديد مُصممًا ليكون متوافقًا مع 8080، مع إضافة عدد من ميزات Motorola 6800 ، بما في ذلك سجلات الفهرسة والمقاطعات المُحسّنة . ^{[ 9 ]}

أثناء تأسيسها، علمت النشرة الإخبارية المتخصصة في الصناعة "إلكترونيك نيوز" بالأمر ونشرت تقريرًا عن الشركة الناشئة. لفت هذا انتباه "إكسون إنتربرايزز"، ذراع الاستثمار في التكنولوجيا المتقدمة التابعة لشركة إكسون . في ذلك الوقت، وفي خضمّ الركود الاقتصادي، كان رأس المال الاستثماري المتاح شحيحًا، إذ لم يتجاوز إجمالي الإنفاق على هذا القطاع 10 ملايين دولار أمريكي في عام 1975 (ما يعادل 60  مليون دولار أمريكي في عام 2025 ). تواصل أحد ممثلي إكسون مع الشركة التي لم يُكشف عن اسمها بعد، ^{[ 8 ]} ورتب اجتماعًا أسفر في النهاية عن تقديم تمويل أولي بقيمة 500 ألف دولار أمريكي في يونيو 1975 (ما يعادل 3  ملايين دولار أمريكي في عام 2025 ). ^{[ 10 ]}

مع مناقشة التمويل ووضع التصميم المطلوب، انضم ماساتوشي شيما في فبراير 1975. ^{[ 9 ]} شرع شيما فورًا في إنتاج تصميم عالي المستوى، مضيفًا إليه العديد من المفاهيم الخاصة به. وعلى وجه الخصوص، استخدم خبرته في الحواسيب الصغيرة من شركة NEC لإضافة مفهوم مجموعتين من سجلات المعالج لتمكينها من الاستجابة السريعة للمقاطعات . ^{[ 7 ] [ د ]} بدأ أونجرمان بتطوير سلسلة من وحدات التحكم والرقائق الطرفية ذات الصلة التي من شأنها أن تُكمّل التصميم. ^{[ 11 ]}

خلال هذه الفترة، اكتسب شيما سمعةً أسطوريةً لقدرته على تحويل المفاهيم المنطقية إلى تصميم مادي فوري؛ فبينما كان يناقش ميزةً مقترحةً، كان غالبًا ما يقاطع ويحدد المساحة التي ستشغلها على الشريحة، ويرفض إضافتها إذا كانت كبيرةً جدًا. ^{[ 12 ]} اكتملت المرحلة الأولى من التصميم بحلول أبريل 1975. وكان شيما قد أنجز تخطيطًا منطقيًا بحلول بداية مايو. وصدرت نسخة ثانية من التصميم المنطقي في 7 أغسطس، وتفاصيل ناقل البيانات بحلول 16 سبتمبر. واكتملت عملية تصنيع الشريط في نوفمبر، واستغرق تحويل الشريط إلى قناع إنتاج شهرين إضافيين. ^{[ 13 ]}

كان فاجين قد بدأ بالفعل البحث عن شريك إنتاج. في ذلك الوقت، كانت كل من شركتي سينيرتك وموستك قد أنشأتا خطوط إنتاج تعمل بنظام الاستنزاف، والتي يمكن استخدامها لإنتاج التصميم. بعد أن تحدث فاجين مع سينيرتك سابقًا، تواصل معهم أولًا. ومع ذلك، طالب رئيس سينيرتك بمنح الشركة ترخيصًا ثانيًا يسمح لهم ببيع التصميم مباشرةً. اعتقد فاجين أن هذا يعني أنهم لن يتمكنوا من المنافسة أبدًا حتى لو أنشأوا خطوط إنتاج خاصة بهم، وبالتالي لم يتم إبرام الاتفاقية. ثم توجه إلى موستيك، التي وافقت على فترة حصرية ريثما تُجهز زيلوغ خطوط إنتاجها، وحصلت في النهاية على اتفاقية المصدر الثاني. ^{[ 14 ]}

بعد التفكير في عدة أسماء للشركة الجديدة، وعجزهما عن تذكرها حتى بعد يوم واحد، كان فاجين وأونجرمان يتبادلان الأفكار حول "المنطق المتكامل" عندما قال أونجرمان: "ما رأيك في زيلوغ؟" وافق فاجين على الفور، قائلاً إنه "الكلمة الفصل في المنطق المتكامل". وعندما التقيا في اليوم التالي، تذكرا الاسم فوراً، وهكذا استقرت الشركة على اسمها. ^{[ 15 ]}

أُعيدت العينات الأولى من شركة موستيك في 9 مارس 1976. ^{[ 11 ]} وبحلول نهاية الشهر، كانوا قد أنجزوا أيضًا نظام تطوير قائم على لغة التجميع . في ذلك الوقت، كانت بعض الدوائر المتكاملة الداعمة للمعالج Z80 والدوائر الطرفية قيد التطوير، وتم إطلاق بعضها خلال العام التالي. من بينها: Z80 CTC (العداد/المؤقت)، وZ80 DMA ^{[ 16 ]} (الوصول المباشر إلى الذاكرة)، وZ80 DART (جهاز إرسال/استقبال مزدوج غير متزامن)، وZ80 SIO (وحدة تحكم الاتصالات المتزامنة)، وZ80 PIO (وحدة الإدخال/الإخراج المتوازية).

أُطلق معالج Z80 رسميًا في يوليو 1976. ^{[ 17 ]} في ذلك الوقت، سادت مخاوف في صناعة أشباه الموصلات بشأن إعادة إنتاج تصاميم الرقائق دون ترخيص من قِبل الشركات المصنعة الأجنبية. ولمنع الهندسة العكسية، أضاف فريق زيلوغ ستة "مصائد"، وهي ترانزستورات عُدّلت بدقة لتتصرف بشكل مختلف عما يوحي به مظهرها. ووفقًا لشيما، أخبره مهندس في شركة NEC لاحقًا أن هذه المصائد أخرت جهودهم في الهندسة العكسية لمدة ستة أشهر. ^{[ 18 ]} وفي وقت لاحق، سوّت شركة NEC نزاعًا حول انتهاك براءات الاختراع مع زيلوغ، وحصلت على ترخيص لإنتاج نسخ معتمدة من معالج Z80 ورقائق أخرى. ^{[ 19 ]}

بعد الإطلاق الناجح لمعالج Z80، تواصل فاجين وأونجرمان مع شركة إكسون للحصول على تمويل لإنشاء مصنع لتصنيع أشباه الموصلات . وافقت إكسون، وقامت شركة زيلوغ ببناء خط إنتاجها الخاص، مما مكّنها من الاستحواذ على ما يُقدّر بنحو 60 إلى 70 بالمئة من إجمالي سوق مبيعات Z80. ^{[ 20 ]} في الوقت نفسه، حصلت شركة موستيك على ترخيص لإنتاج نسخة مرخصة من الشريحة، وهي MK3880، مما وفّر مصدرًا ثانيًا للعملاء، وهو ضمان افتقرت إليه شركة إنتل. في ذلك الوقت، كانت اتفاقيات المصدر الثاني تُعتبر ضرورية، لا سيما للشركات الناشئة مثل زيلوغ، التي كانت تواجه مخاطر أعلى للفشل التجاري وانقطاع الإمداد. ^{[ e ] [ 9 ]}

صمّم فاجين مجموعة التعليمات لتكون متوافقة ثنائيًا مع معالج 8080 ^{[ 21 ] [ 22 ]} ، بحيث تعمل معظم أكواد 8080، ولا سيما نظام التشغيل CP/M ومترجم PL/M من إنتل لمعالج 8080 (بالإضافة إلى الكود المُولّد منه)، دون تعديل على وحدة المعالجة المركزية Z80 الجديدة. صمّم ماساتوشي شيما معظم البنية الدقيقة ، بالإضافة إلى مستويات البوابات والترانزستورات لوحدة المعالجة المركزية Z80، بمساعدة عدد قليل من المهندسين ومصممي التخطيط . ^{[ 23 ] [ 24 ]} شارك الرئيس التنفيذي، فيديريكو فاجين، بشكل كبير في أعمال تخطيط الشريحة، إلى جانب اثنين من مصممي التخطيط المتخصصين. ووفقًا لفاجين، فقد كان يعمل 80 ساعة أسبوعيًا للوفاء بالجدول الزمني الضيق الذي حدده المستثمرون الماليون. ^{[ 4 ]} 

قدم المعالج Z80 تحسينات متعددة مقارنة بالمعالج 8080: ^{[ 22 ]}

• مجموعة تعليمات محسّنة تتضمن ما يلي:
  • نظام أكثر منطقية وفهمًا وسهولة في القراءة لرموز تعليمات التجميع
  • تعليمات نقل البيانات (التحميل، أو LD) الأكثر مرونة ذات 16 بت، والتي تتضمن بشكل أساسي مؤشر المكدس SP
  • أنماط عنونة أكثر مرونة للإدخال/الإخراج إلى منافذ الأجهزة الطرفية الخارجية
  • معالجة جميع السجلات والذاكرة باستخدام بت واحد، بما في ذلك اختبار البتات.
  • عمليات الإزاحة/التدوير على الذاكرة والسجلات الأخرى غير المُراكم
  • يدعم الطرح في العمليات الحسابية بنظام BCD
  • تعليمات التدوير لسلاسل أرقام BCD المعبأة في الذاكرة
  • الطرح ذو 16 بت والنفي ذو 8 بت
  • تكرار البرنامج
  • قفزات نسبية لعداد البرنامج (PC)
  • نسخ الكتلة ، وإدخال/إخراج الكتلة (I/O)، وتعليمات البحث عن البايت. ^{[ 25 ]}
• علامة تجاوز السعة مع دعم أفضل للحسابات ذات 8 و 16 بت الموقعة. ^{[ f ]}
• سجلات فهرسة IX و IY جديدة مع نمط عنونة أساسي + إزاحة
• نظام مقاطعة أفضل :
  • نظام مقاطعة متجهي أكثر تلقائية وعمومية ، الوضع  2 ، مخصص بشكل أساسي لخط عدادات/مؤقتات ووحدات تحكم DMA والاتصالات من شركة زيلوج، بالإضافة إلى نظام مقاطعة متجهي ثابت، الوضع  1 ، للأنظمة البسيطة ذات الحد الأدنى من الأجهزة (مع كون الوضع  0 هو الوضع المتوافق مع 8080). ^{[ 26 ]}
  • مقاطعة غير قابلة للإخفاء (NMI)، والتي يمكن استخدامها للاستجابة لحالات انقطاع الطاقة أو الأحداث الأخرى ذات الأولوية العالية (والتي تسمح لنظام Z80 بسيط بتنفيذ مخطط مقاطعة ثنائي المستوى بسهولة في الوضع  1 ).
• ملف سجلات مكرر بالكامل ، ^{[ 27 ]} يمكن تبديله بسرعة، لتسريع الاستجابة للمقاطعات مثل معالجات الأحداث غير المتزامنة السريعة أو موزع المهام المتعددة . على الرغم من أنها لم تكن مصممة كسجلات إضافية للتعليمات البرمجية العامة، إلا أنها استُخدمت بهذه الطريقة في بعض التطبيقات. ^{[ g ]}
• متطلبات أقل من الأجهزة لتوفير الطاقة وتوليد الساعة والربط بالذاكرة ووحدات الإدخال/الإخراج
• مصدر طاقة واحد بجهد 5 فولت (كان جهاز 8080 يحتاج إلى -5  فولت، +5  فولت، و+12  فولت).
• ساعة أحادية الطور 5 فولت (كان جهاز 8080 يحتاج إلى ساعة ثنائية الطور عالية السعة (من 9 إلى 12  فولت) غير متداخلة ).
• تحديث ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) المدمج ، والذي كان سيتطلب دوائر خارجية لولا ذلك. صُمم معالج 8080 قبل أن يصبح استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية شائعًا، ولم تكن ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) الشائعة بحاجة إلى تحديث. بحلول منتصف سبعينيات القرن الماضي ^{، حلت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية محل ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة} إلى حد كبير في معظم الوظائف، ولكن استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية مع معالج 8080 كان يتطلب دوائر خارجية إضافية. أدى تنفيذ ذلك داخليًا في معالج Z80 إلى تقليل تعقيد وتكلفة النظام الكامل.
• الحافلات غير المتعددة الإرسال (كانت إشارات الحالة في جهاز 8080 يتم إرسالها بشكل متعدد الإرسال على ناقل البيانات).
• إعادة ضبط خاصة تقوم بتصفير عداد البرنامج فقط، بحيث يمكن استخدام وحدة معالجة مركزية Z80 واحدة في نظام تطوير مثل محاكي الدائرة . ^{[ 28 ]}

حلّ معالج Z80 محلّ معالج 8080 ونسله، 8085 ، في سوق المعالجات ^{[ 29 ]} ، وأصبح أحد أكثر وحدات المعالجة المركزية 8 بت شيوعًا واستخدامًا. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وظلت بعض المؤسسات، مثل شركة بريتيش تيليكوم، مخلصة لمعالج 8085 في التطبيقات المدمجة، نظرًا لمعرفتها به وبواجهة الاتصال التسلسلي المدمجة فيه وبنية المقاطعات. وبالمثل، قامت شركة زينيث داتا سيستمز بدمج معالج 8085 مع معالج إنتل 8088 ذي 16 بت في أول حاسوب لها يعمل بنظام MS-DOS، وهو زينيث Z-100 ، على الرغم من خبرتها السابقة مع منتجاتها الرائدة القائمة على معالج Z80، مثل هيثكيت  H89 وزينيث  Z-89 . ومع ذلك، تم صنع أجهزة كمبيوتر أخرى تدمج معالج Z80 مع وحدات معالجة مركزية أخرى: جهاز Radio Shack TRS-80 Model  16 مع معالج Motorola 68000 ، وجهاز DEC Rainbow مع معالج 8088، وجهاز Commodore 128 مع معالج MOS Technology 8502 .

لاحقًا، أنتجت شركة زيلوج معالج Z80 منخفض الطاقة، مناسبًا لسوق أجهزة الكمبيوتر المحمولة المتنامي في أوائل ثمانينيات القرن العشرين. أنتجت إنتل معالج CMOS 8085 (80C85) المستخدم في أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تعمل بالبطاريات، مثل جهاز الكمبيوتر المحمول الذي صممته شركة كيوسيرا في أبريل 1983، والذي باعته أيضًا شركات تاندي (تحت اسم TRS-80 موديل 100 )، وأوليفيتي، وني إي سي. مع ذلك، في السنوات اللاحقة، هيمنت إصدارات CMOS من معالج Z80 (من زيلوج والشركات المصنعة اليابانية) على هذا السوق أيضًا، في منتجات مثل أمستراد NC100 ، وكامبريدج Z88، وجهاز تاندي WP-2.

لعلّ أحد مفاتيح النجاح الأولي لمعالج Z80 هو خاصية التحديث المدمجة لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، على الأقل في أسواق مثل CP/M وغيرها من أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمنزلية. ( تستخدم معظم أنظمة Z80 المدمجة ذاكرة وصول عشوائي ثابتة (SRAM ) لا تحتاج إلى تحديث). وربما كان السبب أيضًا نظام المقاطعات البسيط ثنائي المستوى، أو على العكس، نظام المقاطعات المتسلسل متعدد المستويات الذي يُسهّل خدمة العديد من رقاقات الإدخال/الإخراج في Z80. سمحت هذه الميزات ببناء أنظمة بمكونات دعم أقل وتصميمات أبسط للوحات الدوائر.

مع ذلك، يزعم آخرون أن شعبيته تعود إلى السجلات المكررة التي سمحت بتبديل السياق بسرعة أو معالجة أكثر كفاءة لأمور مثل العمليات الحسابية ذات الفاصلة العائمة مقارنةً بوحدات المعالجة المركزية ذات 8 بت التي تحتوي على عدد أقل من السجلات. (يستطيع معالج Z80 الاحتفاظ بالعديد من هذه الأرقام داخليًا، باستخدام HL'HL وDE'DE وBC'BC كسجلات 32 بت، مما يجنب الحاجة إلى الوصول إليها من ذاكرة الوصول العشوائي الأبطأ أثناء الحساب.) ^{[ 32 ]}

في تصميم NMOS الأصلي ، ازداد الحد الأقصى لتردد الساعة تدريجيًا من 2.5 ميجاهرتز في البداية، مرورًا بـ 4 ميجاهرتز (Z80A) المعروفة ، وصولًا إلى 6 ميجاهرتز (Z80B) و8 ميجاهرتز (Z80H). ^{[ 33 ] [ 34 ]} أُنتج إصدار NMOS بتردد 10 ميجاهرتز بدءًا من أواخر ثمانينيات القرن الماضي. طُوّرت إصدارات CMOS بحدود قصوى للتردد تتراوح من 4 ميجاهرتز إلى 20 ميجاهرتز للإصدار المُباع حاليًا. سمحت إصدارات CMOS بوضع الاستعداد منخفض الطاقة مع الاحتفاظ بالحالة الداخلية، دون حد أدنى للتردد. ^{[ i ]} تُحدد حاليًا مشتقات HD64180 / Z180 ^{[ 35 ] [ 36 ]} و eZ80 المتوافقة تمامًا بتردد يصل إلى 33 ميجاهرتز و50 ميجاهرتز على التوالي.         

يُعدّ نموذج البرمجة ومجموعة المسجلات في معالج Z80 تقليديين إلى حد كبير، ويستندان في الأساس إلى بنية مسجلات معالج Datapoint 2200. صُمم معالج Z80 كامتداد لمعالج Intel 8080، الذي ابتكره نفس المهندسين، والذي كان بدوره امتدادًا لمعالج 8008. كان معالج 8008 في الأساس تطبيقًا لتقنية PMOS لوحدة المعالجة المركزية (CPU ^{) القائمة على تقنية} TTL في معالج Datapoint 2200 ^.

سمح تصميم 2200 بدمج مسجلي H وL (عالي ومنخفض) ذوي 8 بتات في مسجل عنوان HL ذي 16 بتًا. ^{[ k ]} في معالج 8080، أُضيف هذا الدمج إلى زوجي BC وDE أيضًا، بينما عُمِّم استخدام HL ليُصبح مُجمِّعًا ذا 16 بتًا، وليس مجرد مسجل عنوان. كما قدّم معالج 8080 بيانات فورية ذات 16 بتًا لعمليات تحميل BC وDE وHL وSP. علاوة على ذلك، أصبح من الممكن الآن نسخ البيانات مباشرةً بين HL والذاكرة باستخدام عنوان مباشر.

عزز معالج Z80 هذا المفهوم بجعل جميع أزواج المسجلات ذات 16 بت، بما في ذلك IX وIY، ذات أغراض عامة، بالإضافة إلى السماح بنسخ البيانات من وإلى الذاكرة مباشرةً لجميع هذه الأزواج. تُستخدم مسجلات IX وIY ذات 16 بت في معالج Z80 بشكل أساسي كمسجلات عناوين أساسية، حيث تُضيف تعليمة معينة إزاحة ثابتة إلى القيم السابقة، ولكنها قابلة للاستخدام أيضًا كمراكمات ذات 16 بت، من بين استخدامات أخرى. من القيود أن جميع عمليات الرجوع إلى المعاملات التي تتضمن IX أو IY تتطلب بايت بادئة إضافي للتعليمات، مما يُضيف أربع دورات ساعة على الأقل مقارنةً بتوقيت تعليمة تستخدم HL بدلاً من ذلك؛ وهذا يجعل استخدام IX أو IY أحيانًا أقل كفاءة من طريقة تستخدم مسجلات طراز 8080 فقط. كما قدم معالج Z80 علامة جديدة لتجاوز السعة المُوقّعة ، واستكمل العمليات الحسابية البسيطة نسبيًا ذات 16 بت في معالج 8080 بتعليمات مُخصصة للعمليات الحسابية المُوقّعة ذات 16 بت.

تُكرر سجلات AF وBC وDE وHL المتوافقة مع معالج 8080 كملف سجلات منفصل في معالج Z80، ^{[ 38 ]} حيث يمكن للمعالج التبديل بسرعة (في أربع حالات زمنية، وهو أقل وقت تنفيذ ممكن لأي تعليمة Z80) من بنك سجلات إلى آخر؛ ^{[ 39 ]} وهي ميزة مفيدة لتسريع الاستجابة للمقاطعات أحادية المستوى ذات الأولوية العالية. تُعد مجموعة السجلات المزدوجة مفيدة في الأنظمة المدمجة، حيث تُحسّن أداء معالجة المقاطعات، ولكنها وجدت استخدامًا واسع النطاق في الحواسيب الشخصية كمجموعة إضافية من السجلات العامة للبرامج المعقدة مثل العمليات الحسابية ذات الفاصلة العائمة أو ألعاب الكمبيوتر المنزلي.

يُشار غالبًا إلى ملف السجلات المكرر باسم "مجموعة السجلات البديلة" (ويُطلق عليه البعض اسم "ملف السجلات المُعَلَّم" نظرًا لاستخدام علامة الفاصلة العليا للدلالة عليه في شفرة المصدر الخاصة بلغة التجميع ووثائق Zilog). يُؤكد هذا على إمكانية الوصول إلى مجموعة واحدة فقط في أي وقت. مع ذلك، يتم فصل المُراكم A ذي 8 بتات، مع سجل العلم F الخاص به، عن أزواج السجلات "العامة" HL وDE وBC. يتم ذلك باستخدام تعليمتين منفصلتين لتبديل إمكانية الوصول إليها: EX AF,AF'تُبدِّل التعليمة الأولى زوج السجلات AF فقط مع AF'، بينما EXXتُبدِّل التعليمة الثانية أزواج السجلات العامة الثلاثة HL وDE وBC مع بدائلها HL' وDE' وBC'. بالتالي، يُمكن للمُراكم A التفاعل بشكل مستقل مع أي من سجلات 8 بتات العامة في ملف السجلات البديل (أو المُعَلَّم)، أو، إذا كان HL' يحتوي على مؤشر إلى الذاكرة، مع بايت مُعين هناك (يُمكن لـ DE' وBC' أيضًا نقل بيانات 8 بتات بين الذاكرة والمُراكم A).

قد يُسبب هذا الأمر ارتباكًا للمبرمجين، لأنه بعد تنفيذ EX AF,AF'تعليمات التبديل EXX، تنتقل محتويات السجلات البديلة (المُهيأة) إلى السجلات الرئيسية، والعكس صحيح. الطريقة الوحيدة لفهم هذه الحالة المُتبادلة وتتبعها هي تتبع مسار البرنامج، مع ملاحظة كل استخدام لتعليمات تبديل السجلات. من الواضح أنه إذا تم استخدام تعليمات القفز والاستدعاء ضمن هذه المقاطع البرمجية، فقد يصعب تحديد ملف السجلات المُستخدم في السياق ما لم يتم شرح ذلك بوضوح. لذا، يُنصح باستخدام تعليمات التبديل مباشرةً وفي مقاطع برمجية قصيرة ومنفصلة. تتضمن مجموعة تعليمات Zilog Z280 JAFتعليمات JARالقفز إلى عنوان الوجهة إذا كانت السجلات البديلة مُستخدمة في السياق (مما يُقر رسميًا بهذا التعقيد البرمجي).

يستخدم معالج Z80 ما مجموعه 252 رمزًا من أصل 256 رمزًا متاحًا كرموز عمليات أحادية البايت ("تعليمات أساسية"، معظمها موروث من معالج 8080)؛ أما الرموز الأربعة المتبقية فتُستخدم على نطاق واسع كبادئات لرموز العمليات : ^{[ 49 ]} يُمكّن الرمزان CB وED تعليمات إضافية، بينما يختار الرمزان DD وFD على التوالي IX+d أو IY+d (في بعض الحالات بدون إزاحة d) بدلًا من HL. يمنح هذا النظام معالج Z80 عددًا كبيرًا من تباديل التعليمات والسجلات؛ حيث تُصنّف شركة Zilog هذه التباديل إلى 158 "نوعًا مختلفًا من التعليمات"، 78 منها مطابقة لتلك الموجودة في معالج Intel 8080 ^{[ 49 ]} (مما يسمح بتشغيل جميع برامج 8080 على معالج Z80). تقوم وثائق Zilog ^{[ 50 ]} بتصنيف التعليمات إلى الفئات التالية (معظمها من 8080، والبعض الآخر جديد تمامًا مثل تعليمات الكتلة والبت، والبعض الآخر تعليمات 8080 مع أوضاع عنونة أكثر تنوعًا، مثل عمليات التحميل 16 بت، والإدخال/الإخراج، والتدوير/الإزاحة، والقفزات النسبية):

• شحن وتبادل
• حظر النقل والبحث
• الحساب والمنطق
• قم بالتدوير والتحريك
• معالجة البتات (ضبط، إعادة ضبط، اختبار)
• اقفز، اتصل، ثم عد
• المدخلات/المخرجات
• التحكم الأساسي في وحدة المعالجة المركزية

لا توجد تعليمات ضرب صريحة في معالج Z80 الأصلي، ^{[ 51 ]} مع ذلك، يمكن ضرب المسجلين A وHL بقوى العدد اثنين باستخدام تعليمات ADD  A,A وADD  HL,HL (وكذلك IX وIY). كما يمكن لتعليمات الإزاحة الضرب أو القسمة على قوى العدد اثنين.

تؤثر أحجام وأنواع عمليات الجمع والإزاحة والتدوير المختلفة على الرايات بشكلٍ متفاوت، وذلك لأن معظم خصائص تغيير الرايات في معالج 8080 قد نُسخت. مع ذلك، يُطلق على بتة راية التكافؤ  P في معالج 8080 (البتة  2) اسم P/V (التكافؤ/الفيضان) في معالج Z80، حيث تُستخدم كمؤشر للفيضان في نظام المتمم الثنائي، وهي ميزة غير موجودة في معالج 8080. تُضبط تعليمات العمليات الحسابية في معالج Z80 هذه البتة للإشارة إلى الفيضان بدلاً من التكافؤ، بينما لا تزال تعليمات العمليات الثنائية تستخدمها كراية تكافؤ. (يُؤدي هذا إلى عدم توافق دقيق بين معالج Z80 والبرمجيات المكتوبة لمعالج 8080، حيث يُشير Z80 أحيانًا إلى تجاوز الإشارة في حين يُشير 8080 إلى التكافؤ، مما قد يتسبب في فشل منطق بعض برامج 8080 العملية على Z80. ^{[ م ]} ) تُستخدم علامة تجاوز الإشارة الجديدة هذه لجميع عمليات 16 بت الجديدة الخاصة بمعالج Z80 ( ADC، ) بالإضافة إلى عمليات 8 بت الحسابية، بينما لا تؤثر عليها SBCعمليات 16 بت الموروثة من 8080 ( ADD،، INC) . كما تُستخدم البتة 1 من سجل العلامات (بتة احتياطية في 8080) كعلامة N تُشير إلى ما إذا كانت آخر تعليمة حسابية مُنفذة هي طرح أم جمع. تتحقق نسخة Z80 من التعليمات (المُجمِّع لضبط الفاصلة العشرية في حسابات BCD) من علامة N وتتصرف وفقًا لذلك، لذا فإن عملية طرح (افتراضية) متبوعةً بها ستُعطي نتيجة مختلفة على معالج 8080 القديم عنها على معالج Z80. مع ذلك، من المرجح أن يكون هذا رمزًا خاطئًا على معالج 8080، لأنه مُعرَّف للجمع فقط على هذا المعالج.DEC  DAA DAADAA

يحتوي معالج Z80 على ست LDتعليمات جديدة تُتيح تحميل أزواج سجلات DE وBC وSP من الذاكرة، وتحميل الذاكرة من هذه الأزواج الثلاثة، على عكس معالج 8080. ^{[ 44 ]} وكما هو الحال في معالج 8080، لا تؤثر تعليمات التحميل على الرايات (باستثناء عمليات تحميل السجلين I وR المُخصصة). ومن نتائج التشفير المنتظم (المشترك مع معالج 8080) إمكانية تحميل كل سجل من السجلات الثمانية بتات من نفسه (على سبيل المثال LD A,A). وهذا يُعدّ فعليًا NOP...

تستطيع تعليمات نقل الكتل الجديدة نقل ما يصل إلى 64  كيلوبايت من الذاكرة إلى الذاكرة أو بين الذاكرة ومنافذ الإدخال/الإخراج الطرفية. تستخدم تعليمات الكتل LDIR( LDDRالتحميل ، الزيادة / الإنقاص ، التكرار ) المؤشر HL للإشارة إلى عنوان المصدر، والمؤشر DE للإشارة إلى عنوان الوجهة، والمؤشر BC كعداد للبايتات. تُنسخ البايتات من المصدر إلى الوجهة، وتُزاد المؤشرات أو تُنقص، ويُنقص عداد البايتات حتى يصل BC إلى الصفر. تنقل الإصدارات غير المتكررة LDIبايتًا LDDواحدًا وتُزيد المؤشرات وعداد البايتات، وإذا أصبح صفرًا، يُعاد ضبط علامة P/V . تعمل تعليمات نقل البيانات من الذاكرة إلى  الإدخال/الإخراج المقابلة بشكل مشابه ، باستثناء استخدام B، وليس BC، كعداد للبايتات. ^{[ 52 ] [ 53 ]} يستطيع معالج Z80 إدخال وإخراج أي سجل إلى منفذ إدخال/إخراج باستخدام السجل C لتحديد المنفذ. (لا يقوم المعالج 8080 إلا بتنفيذ عمليات الإدخال/الإخراج من خلال المُراكم A، باستخدام عنوان منفذ مباشر محدد في التعليمات؛ يلزم استخدام تقنية رمز ذاتي التعديل لاستخدام عنوان منفذ متغير للمعالج 8080.)INIRINDROTIROTDRINIINDOUTIOUTD  

تُجري المجموعة الأخيرة من تعليمات الكتلة CPعملية مقارنة بين البايت الموجود في (HL) والمُراكم  A. لا يُستخدم زوج المسجلات DE. تنتهي الإصدارات المتكررة CPIRفقط CPDRإذا أصبحت قيمة BC صفرًا أو تم العثور على تطابق. يبقى HL مُشيرًا إلى البايت الذي يلي ( CPIR) أو الذي يسبق ( CPDR) البايت المُطابق. إذا لم يتم العثور على تطابق، تتم إعادة ضبط علامة Z. توجد  إصدارات غير متكررة CPI.CPD

على عكس معالج 8080، يستطيع معالج Z80 الانتقال إلى عنوان نسبي ( JRبدلاً من JP) باستخدام تعليمة أقصر بإزاحة 8 بتات مُوقّعة. توجد صيغتان لهذه التعليمة: غير مشروطة ومشروطة. لا يمكن اختبار سوى شرطي الصفر والحمل. (جميع عمليات الانتقال والاستدعاء في معالج 8080، سواء كانت مشروطة أم لا، هي تعليمات من ثلاثة بايتات). إذا تم تنفيذ الانتقال، JRتكون التعليمات ذات البايتين أبطأ من تعليمات 8080 ذات الثلاثة بايتات JP؛ أما إذا لم يتم تنفيذه، JRفتكون التعليمات أسرع.

تُعدّ تعليمة ثنائية البايت مُخصصة لتكرار البرنامج جديدةً أيضًا في معالج Z80: DJNZ( decrement jump if n on- zero ) تأخذ إزاحةً مُوقّعةً من 8 بت كمعامل. يتم إنقاص قيمة المُسجّل B، وإذا كانت النتيجة غير صفرية، فإن تنفيذ البرنامج يقفز بالنسبة إلى عدّاد البرنامج (PC)؛ وتبقى الرايات دون تغيير. يتطلب تنفيذ حلقة مُكافئة على معالج 8080 تعليمات قفز مُنفصلة وشرطية (إلى عنوان مُطلق ثنائي البايت) (بإجمالي أربعة بايتات)، وتُغيّر هذه التعليمات مُسجّل الرايات. DECDEC

تُعدّ تعليمات سجل الفهرسة (IX/IY، ويُختصر غالبًا إلى XY) مفيدةً للوصول إلى البيانات المُنظّمة في هياكل غير متجانسة ثابتة (مثل السجلات ) أو عند إزاحات ثابتة بالنسبة إلى عنوان أساسي متغير (كما في إطارات المكدس المتكررة )، كما تُقلّل من حجم الشيفرة البرمجية عن طريق الاستغناء عن الحاجة إلى تعليمات قصيرة متعددة باستخدام سجلات غير مفهرسة. مع ذلك، ورغم أنها قد تُوفّر السرعة في بعض السياقات مقارنةً بتسلسلات "مكافئة" طويلة/معقدة من العمليات الأبسط، إلا أنها تستهلك وقتًا إضافيًا كبيرًا من وحدة المعالجة المركزية (على سبيل المثال، 19 دورة زمنية للوصول إلى موقع ذاكرة مفهرس واحد مقابل 11 دورة فقط للوصول إلى نفس الذاكرة باستخدام HL والإشارة إلى الموقع التالي). لذا، بالنسبة للوصول البسيط أو الخطي إلى البيانات، يميل استخدام IX وIY إلى أن يكون أبطأ ويستهلك مساحة أكبر من الذاكرة. مع ذلك، قد تكون مفيدة في الحالات التي تكون فيها السجلات "الرئيسية" مشغولة بالكامل، وذلك عن طريق الاستغناء عن الحاجة إلى حفظ/استعادة السجلات. يمكن أن تكون أنصاف البتات الثمانية غير الموثقة رسميًا (انظر أدناه) مفيدة بشكل خاص في هذا السياق، لأنها تُسبب تباطؤًا أقل من نظيراتها ذات الـ 16 بت. وبالمثل، فإن تعليمات جمع الـ 16 بت ليست سريعة بشكل خاص (11 دورة ساعة) في معالج Z80 الأصلي ( أبطأ بدورة ساعة واحدة من معالجي 8080/8085)؛ ومع ذلك، فهي أسرع بمرتين تقريبًا من إجراء نفس العمليات الحسابية باستخدام عمليات 8 بت، والأهم من ذلك، أنها تُقلل من استخدام المسجلات. لم يكن من غير المألوف أن يقوم المبرمجون بإدخال بايتات إزاحة مختلفة (والتي كانت تُحسب عادةً ديناميكيًا) في التعليمات المفهرسة؛ وهذا مثال على التعليمات البرمجية ذاتية التعديل ، والتي كانت ممارسة شائعة في جميع معالجات 8 بت المبكرة تقريبًا ذات وحدات التنفيذ غير المترابطة .INC  

تحتوي سجلات الفهرس على تعليمة موازية لـ JP (HL)`<input>`، وهي `<input>` JP (IX)و `<input> JP (IY)`. يُلاحظ هذا غالبًا في لغات البرمجة الموجهة نحو المكدس مثل فورث ، حيث يجب على هذه اللغات، في نهاية كل كلمة فورث (الروتينات الفرعية الذرية التي تُشكل اللغة)، القفز بشكل غير مشروط إلى روتينات مُفسر الخيوط الخاصة بها. عادةً ما تظهر تعليمة القفز هذه مئات المرات في التطبيق، واستخدام `<input>` JP (IX)بدلًا من JP THREAD`<input>` يوفر بايتًا وحالتين T لكل ظهور. هذا يجعل سجل الفهرس غير متاح لأي استخدام آخر، وإلا فإن الحاجة إلى إعادة تحميله باستمرار ستُفقده كفاءته.

كان تصميم Z180 المُبرمج بدقة، والذي طُوّر قبل عشر سنوات، يسمح في البداية بمساحة أكبر على الشريحة، مما أتاح تنفيذًا أكثر كفاءة (باستخدام وحدة حساب ومنطق أوسع ، من بين أمور أخرى)؛ وينطبق الأمر نفسه على Z800 و Z280 و Z380 . مع ذلك، لم تُصبح هذه التعليمات فعّالة من حيث عدد الدورات إلى أقصى حد ممكن تقنيًا إلا بعد إطلاق معالج eZ80 ذي البنية الأنبوبية الكاملة في عام 2001، أي بالنظر إلى ترميزات Z80 بالإضافة إلى القدرة على إجراء عملية قراءة أو كتابة 8 بت في كل دورة ساعة.

يُظهر كود التجميع التالي لمعالج Z80 روتينًا فرعيًا باسم `f` memcpyيقوم بنسخ كتلة من بايتات البيانات بحجم مُحدد من موقع إلى آخر. يتم نسخ كتلة البيانات بايتًا واحدًا في كل مرة، وتستخدم عملية نقل البيانات ومنطق التكرار عمليات 16 بت. يُوضح الكود مجموعة متنوعة من التعليمات، ولكن عمليًا، لن تتم برمجته بهذه الطريقة لأن معالج Z80 يحتوي على تعليمة واحدة يُمكنها استبدال هذا الروتين الفرعي بالكامل: `f` LDIR. سينقل الكود النموذجي بايتًا واحدًا كل 46 دورة زمنية (T-states). بينما سيؤدي استبدال LDIRالتعليمة `f` إلى نقل كل بايت في 21 دورة زمنية فقط. تجدر الإشارة إلى أن الكود المُجمّع متوافق ثنائيًا مع معالجات Intel 8080 و8085.

1000  1000 1000 F5 1001 7E 1002 12 1003 23 1004 13 1005 0B 1006 78 1007 ب1 1008 C2 01 10 100B F1 100 درجة مئوية C9 100D 

; memcpy -- ; نسخ كتلة من الذاكرة من موقع إلى آخر. ; هذا الروتين مكافئ لـ LDIR ; ; سجلات الإدخال ; HL - عنوان كتلة بيانات المصدر ; DE - عنوان كتلة بيانات الوجهة ; BC - عدد البايتات المراد نسخها ; ; سجلات الإرجاع ; HL - البايت الأول بعد كتلة بيانات المصدر ; DE - البايت الأول بعد كتلة بيانات الوجهة ; BC - صفر ; (لا يحفظ LDIR قيمة AF بالكامل. يتم إعادة ضبط H و P/V و N.)org 1000h ; الأصل عند 1000h memcpy public push af ; حفظ AF مثل LDIR loop ld a ,( hl ) ; نسخ بايت واحد من المصدر ld ( de ), a ; إلى وجهته inc hl ; زيادة مؤشر المصدر inc de ; زيادة مؤشر الوجهة dec bc ; عد البايتات المنسوخة ld a , b ; اختبار BC بحثًا عن صفر أو c ; إذا كان BC != 0، jp nz , loop ; تكرار الحلقة pop af ; استعادة AF ret ; العودة end

تُنفَّذ كل تعليمة على مراحل تُعرف عادةً بدورات الآلة (دورات M)، وتستغرق كل دورة منها ما بين ثلاث إلى ست دورات ساعة (حالات T). ^{[ 58 ]} تُقابل كل دورة M تقريبًا عملية وصول واحدة إلى الذاكرة أو عملية داخلية واحدة. تنتهي عدة تعليمات فعليًا خلال دورة M1 للتعليمة التالية ، وهو ما يُعرف بتداخل جلب/تنفيذ التعليمات .

تُرتّب دورات معالج Z80 بواسطة آلة حالة داخلية تُنشئ كل دورة M من 3 أو 4 أو 5 أو 6 حالات T، حسب السياق. هذا يُجنّبنا منطقًا غير متزامن مُعقّدًا، ويجعل إشارات التحكم تعمل بثبات ضمن نطاق واسع من ترددات الساعة. كما يعني هذا ضرورة استخدام بلورة بتردد أعلى (حوالي 2-3 أضعاف) مقارنةً بالترددات التي لا تتطلب هذا التقسيم لدورات المعالج. ولا يعني هذا بالضرورة متطلبات أكثر صرامة على أوقات الوصول إلى الذاكرة ، إذ تسمح الساعة عالية الدقة بتحكم أدق في توقيتات الذاكرة، وبالتالي يمكن للذاكرة أن تعمل بالتوازي مع وحدة المعالجة المركزية بشكل أكبر، مما يُتيح استخدامًا أكثر كفاءة لعرض نطاق الذاكرة المتاح.

أحد الأمثلة الرئيسية على ذلك هو أنه في عملية جلب رمز العملية ، يجمع معالج Z80 دورتين كاملتين من دورات الساعة في فترة وصول واحدة إلى الذاكرة (إشارة M1). في معالج Z80، تستمر هذه الإشارة لفترة أطول نسبيًا من وقت تنفيذ التعليمات المعتاد مقارنةً بتصميمات مثل 6800 أو 6502 أو ما شابهها، حيث تستغرق هذه الفترة عادةً ما بين 30 و40% من دورة الساعة. ونظرًا لأن انخفاض تكلفة رقائق الذاكرة (أي أوقات الوصول التي تتراوح بين 450 و250 نانوثانية في ثمانينيات القرن الماضي ) كان يُحدد عادةً أسرع وقت وصول ممكن، فقد كان هذا يعني أن هذه التصميمات كانت مقيدة بدورة ساعة أطول بكثير (أي سرعة ساعة داخلية أقل) من معالج Z80. 

كانت الذاكرة بطيئة عمومًا مقارنةً بدورات آلة الحالة الفرعية (دورات الساعة) المستخدمة في المعالجات الدقيقة الحديثة. ولذلك، غالبًا ما كانت أقصر دورة معالجة يمكن استخدامها بأمان في التصاميم المدمجة محدودة بأوقات الوصول إلى الذاكرة، وليس بتردد وحدة المعالجة المركزية الأقصى (خاصةً خلال عصر الحواسيب المنزلية). مع ذلك، تغيرت هذه العلاقة تدريجيًا خلال العقود الماضية، لا سيما فيما يتعلق بذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ( SRAM )؛ وبالتالي، أصبحت التصاميم أحادية الدورة الخالية من ذاكرة التخزين المؤقت، مثل eZ80، أكثر أهمية في الآونة الأخيرة.

يُرسل محتوى سجل التحديث R عبر النصف السفلي من ناقل العناوين مصحوبًا بإشارة تحكم التحديث أثناء قيام وحدة المعالجة المركزية بفك تشفير التعليمات المُستجلبة وتنفيذها. أثناء التحديث، يُرسل محتوى سجل المقاطعة I عبر النصف العلوي من ناقل العناوين. ^{[ 65 ]}

قدمت شركة زيلوج عددًا من المكونات الطرفية لمعالج Z80، والتي تدعم جميعها نظام معالجة المقاطعات ومساحة عناوين الإدخال/الإخراج الخاصة به. وتشمل هذه المكونات قناة العداد/المؤقت (CTC)، ^{[ 66 ]} وSIO (الإدخال/الإخراج التسلسلي)، وDMA (الوصول المباشر إلى الذاكرة)، وPIO (الإدخال/الإخراج المتوازي)، وDART (جهاز الإرسال/الاستقبال غير المتزامن المزدوج). ومع تطور خط الإنتاج، تم طرح إصدارات منخفضة الطاقة وعالية السرعة وإصدارات CMOS من هذه الرقاقات.

• 
  PIO Z84C2008
• 
  CTC Z84C3008
• 
  SIO Z84C4008

على غرار معالجات 8080 و8085 و8086، ولكن على عكس معالجات مثل موتورولا 6800 وموس تكنولوجي 6502، يمتلك معالج Z80 خط تحكم منفصل ومساحة عناوين خاصة بتعليمات الإدخال/الإخراج. وبينما استخدمت بعض الحواسيب المبنية على Z80، مثل أوزبورن 1، أجهزة إدخال/إخراج مُرتبطة بالذاكرة على غرار موتورولا ، كان يُستخدم عادةً نطاق الإدخال/الإخراج لعنونة إحدى رقاقات زيلوج الطرفية المتوافقة مع Z80. أثناء عملية قراءة أو كتابة الإدخال/الإخراج، يُدرج Z80 دورة انتظار واحدة تلقائيًا. ^{[ 67 ]} دعمت رقاقات زيلوج للإدخال/الإخراج مقاطعات الوضع 2 الجديدة في Z80، مما سهّل معالجة المقاطعات لعدد كبير من الأجهزة الطرفية.

وُصِفَ معالج Z80 رسميًا بأنه يدعم  عنونة الذاكرة 16 بت (64 كيلوبايت) وعنونة الإدخال/الإخراج 8 بت (256 منفذًا). في الواقع، تُفعِّل جميع تعليمات الإدخال/الإخراج ناقل العناوين بالكامل ذي الـ 16 بت. على سبيل المثال، تضع التعليمات OUT  (C),reg و IN  reg,(C) محتويات سجل BC بالكامل ذي الـ 16 بت على ناقل العناوين؛ ^{[ 57 ]} بينما تضع التعليمات OUT  (n),A و IN  A,(n) محتويات السجل A  على b8–b15 من ناقل العناوين، وعنوان المنفذ n على b0–b7 من ناقل العناوين. يمكن للمصمم اختيار فك تشفير ناقل العناوين بالكامل ذي الـ 16 بت في عمليات الإدخال/الإخراج للاستفادة من هذه الميزة، أو استخدام النصف العلوي من ناقل العناوين لاختيار ميزات فرعية لجهاز الإدخال/الإخراج. كما استُخدمت هذه الميزة لتقليل متطلبات أجهزة فك التشفير، كما هو الحال في Amstrad CPC / PCW و ZX81 .

قدمت شركة موستيك، التي أنتجت أول معالج Z80 لشركة زيلوج، هذا المعالج كمصدر ثانٍ تحت اسم MK3880. كما كانت شركة إس جي إس-تومسون (التي تُعرف الآن باسم إس تي ميكروإلكترونيكس ) مصدرًا ثانيًا أيضًا، من خلال معالجها Z8400. وطورت شركتا شارب وإن إي سي مصادر ثانية لمعالج NMOS Z80، وهما LH0080 وμPD780C على التوالي. استُخدم معالج LH0080 في العديد من أجهزة الكمبيوتر المنزلية والشخصية التي صنعتها شارب وغيرها من الشركات المصنعة اليابانية، بما في ذلك أجهزة كمبيوتر سوني MSX ، ​​وعدد من أجهزة الكمبيوتر من سلسلة شارب MZ . ^{[ 68 ]} طورت شارب معالجي LH0080A وLH0080B للعمل بترددات 4  ميجاهرتز و6  ميجاهرتز على التوالي. ^{[ 69 ]} كما طورت شارب معالج LH0083 ^{[ 70 ]} المتوافق مع تقنية DMA الخاصة بمعالج Z80.

أنتجت توشيبا نسخة CMOS، وهي TMPZ84C00، والتي يُعتقد (وإن لم يُؤكد ذلك) أنها نفس التصميم الذي استخدمته زيلوج في معالجها CMOS Z84C00. كما أنتجت غولدستار (الآن إل جي ) معالجات Z8400 وZ80، بالإضافة إلى سلسلة BU18400 من معالجات Z80 المُقلدة (بما في ذلك DMA وPIO وCTC وDART وSIO) بتقنيتي NMOS و CMOS من إنتاج روهم إلكترونيكس . أما معالجات LH5080 ^{[ 71 ]} و LH5081 ^{[ 72 ]} وLH5082 ^{[ 73 ]} ، وهي نسخ CMOS من Z80 وPIO وCTC على التوالي، فتُصنّعها شارب.

في ألمانيا الشرقية ، تم تصنيع نسخة مقلدة غير مرخصة من معالج Z80، تُعرف باسم U880 . وقد استُخدمت على نطاق واسع في أنظمة حاسوب شركتي روبوترون وفي إي بي ميكروإلكترونيك مولهاوزن (مثل سلسلة KC85 )، وكذلك في العديد من أنظمة الحاسوب المصنعة محليًا. وفي رومانيا ، وُجدت نسخة مقلدة أخرى غير مرخصة، تُسمى MMN80CPU ، من إنتاج شركة مايكروإلكترونيكا ، واستُخدمت في أجهزة حاسوب منزلية مثل TIM-S وHC وCOBRA.

كما تم إنتاج العديد من النسخ المقلدة من معالج Z80 في الاتحاد السوفيتي ، ومن أبرزها T34BM1 ، المعروف أيضًا باسم КР1858ВМ1 (الموازي للنسخة السوفيتية من معالج 8080، KR580VM80A ). استُخدمت العلامة الأولى في سلسلة ما قبل الإنتاج، بينما استُخدمت الثانية للإنتاج على نطاق أوسع. مع ذلك، ونظرًا لانهيار قطاع الإلكترونيات الدقيقة السوفيتي في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، فإن عدد معالجات T34BM1 يفوق عدد معالجات КР1858ВМ1.

• 
  موستيك Z80: MK3880
• 
  NEC μPD780C
• 
  شارب LH0080
• 
  توشيبا Z84C00
• 
  ألمانيا الشرقية RFT U880 D
• 
  نسخة طبق الأصل من دبابة T34BM1 السوفيتية Z80

متوافق مع Z80 الأصلي

• طوّرت هيتاشي معالج HD64180 ، وهو معالج Z80 مُبرمج بدقة عالية وديناميكي جزئيًا بتقنية CMOS، مزود بوحدات طرفية مدمجة ووحدة إدارة ذاكرة بسيطة، مما يوفر مساحة عناوين تبلغ 1 ميجابايت . لاحقًا، أعادت شركة زيلوج إنتاجه، بدايةً باسم Z64180، ثم في صورة معالج زيلوج Z180 المُعدّل قليلاً ^{[ 74 ]} والذي يتميز ببروتوكول ناقل وتوقيتات مُحسّنة لتتوافق مع رقاقات Z80 الطرفية. استمر تطوير Z180 تحت اسم زيلوج، وتعتمد أحدث إصداراته على نواة S180/L180 الثابتة بالكامل، والتي تتميز باستهلاك منخفض للطاقة وضوضاء كهرومغناطيسية منخفضة. 
• طوّرت شركة توشيبا سلسلتي Z84013 / Z84C13 ذات 84 طرفًا وZ84015 / Z84C15 ذات 100 طرفًا من "وحدات التحكم الطرفية الذكية"، وهما في الأساس عبارة عن نوى Z80 عادية من نوع NMOS وCMOS مزودة بوحدات طرفية Z80، ومؤقت مراقبة ، ووظيفة إعادة ضبط عند التشغيل ، ومولد حالة انتظار على نفس الشريحة. وقد تم تصنيع هذه المنتجات من قبل كل من شارب وتوشيبا. وتُعد شركة زيلوج اليوم المورد الثاني لهذه المنتجات. ^{[ 75 ]}
• يُستخدم معالج Zilog Z380 المتوافق مع Z80 ذو 32 بت، والذي تم طرحه عام 1994، في معدات الاتصالات. ^{[ 76 ]}
• تم طرح معالج eZ80 المتوافق مع Z80 من شركة Zilog ^{[ 77 ]،} والذي يتميز بتقنية خطوط الأنابيب الكاملة وطول كلمة 8/16/24 بت  ومساحة عناوين خطية 16 ميجابايت، في عام 2001. يتوفر هذا المعالج بإصدارات مزودة بذاكرة SRAM أو Flash مدمجة، بالإضافة إلى إصدارات مزودة بوحدات طرفية مدمجة. يحتوي أحد هذه الإصدارات على وحدة تحكم وصول للوسائط (MAC) مدمجة، ويتضمن البرنامج المتاح حزمة بروتوكولات TCP/IP . على عكس معالجي Z800 وZ280، يحتوي eZ80 على عدد قليل من التعليمات الإضافية (بشكل أساسي تحميل العنوان الفعال (LEA) ودفع العنوان الفعال (PEA) وتحميل عناوين متغيرة 16/24 بت)، ولكن يتم تنفيذ التعليمات بكفاءة تتراوح بين 2 و11 مرة لكل دورة ساعة مقارنةً بمعالج Z80 الأصلي، بمتوسط ​​يتراوح بين 3 و5 مرات. يدعم المعالج حاليًا ترددات ساعة تصل إلى 50  ميجاهرتز.
• طوّرت كاواساكي معالج KL5C8400 المتوافق مع النظام الثنائي، والذي يتميز بكفاءة دورة ساعة أعلى بنحو 1.2 إلى 1.3 مرة من معالج Z80 الأصلي، ويمكن تشغيله بتردد يصل إلى 33  ميجاهرتز. كما تُنتج كاواساكي عائلة معالجات KL5C80A1x، التي تحتوي على وحدات طرفية بالإضافة إلى ذاكرة وصول عشوائي صغيرة مدمجة؛ وهي تتميز بكفاءة دورة ساعة مماثلة تقريبًا لمعالج eZ80، ويمكن تشغيلها بتردد يصل إلى 10  ميجاهرتز (2006). ^{[ 78 ]}
• كان جهاز NEC μPD9002 وحدة معالجة مركزية هجينة متوافقة مع كل من عائلتي Z80 و x86 .
• تتضمن عائلة معالجات الصوت من شركة Actions Semiconductor الصينية (ATJ2085 وغيرها) وحدات تحكم دقيقة متوافقة مع Z80 بالإضافة إلى معالج إشارة رقمية مخصص 24 بت. ^{[ 79 ]} تُستخدم هذه الرقائق في عدد من منتجات مشغلات MP3 والوسائط المتعددة.
• تتوفر النوى البرمجية القابلة للتصنيع T80 (VHDL) و TV80 (Verilog) من OpenCores.org. ^{[ 80 ]}
• يُستخدم معالج NSC800 من شركة ناشيونال سيميكوندكتور ، الذي أُعلن عنه عام 1980 ^{[ 81 ] ، في العديد من أجهزة التشفير الإلكترونية من شركة تيلي سيكيوريتي تيمان (TST) [ 82 ]} وفي كاميرا كانون X-07 . يتوافق معالج NSC800 تمامًا مع مجموعة تعليمات Z80 ^{[ 83 ]} . يستخدم NSC800 ناقلًا متعدد الإرسال مثل معالج 8085، ولكنه يختلف في ترتيب دبابيسه عن Z80 ^{[ 84 ] .}

غير متوافق

• تعتمد سلسلة توشيبا TLCS 900 من وحدات التحكم الدقيقة عالية الإنتاجية، والتي يمكن برمجتها لمرة واحدة في الغالب ، على معالج Z80. وتشترك هذه السلسلة في نفس بنية سجلات BC وDE وHL وIX وIY الأساسية، وفي نفس التعليمات إلى حد كبير، ولكنها غير متوافقة ثنائياً، في حين أن سلسلة TLCS 90 السابقة متوافقة مع معالج Z80. ^{[ 85 ]}
• تعتمد وحدات التحكم الدقيقة من سلسلة NEC 78K على Z80. وهي تشترك في نفس بنية سجلات BC وDE وHL الأساسية، ولديها تعليمات متشابهة ولكن بأسماء مختلفة؛ وليست متوافقة ثنائياً.

متوافق جزئياً

• تعتمد معالجات/وحدات التحكم الدقيقة Rabbit 2000 /3000/4000 من شركة Rabbit Semiconductor ^{[ 86 ]} على بنية HD64180 / Z180 ، على الرغم من أنها ليست متوافقة تمامًا مع النظام الثنائي. ^{[ 87 ]}

لم يعد يُنتج

• كان معالج ASCII Corporation R800 معالجًا سريعًا 16 بت يستخدم في أجهزة الكمبيوتر MSX TurboR ؛ وكان متوافقًا برمجيًا، ولكن ليس ماديًا، مع Z80 (يختلف توقيت الإشارة وتوزيع الدبابيس ووظيفة الدبابيس عن Z80).
• كانت معالجات Z800 و Z280 من نوع NMOS من شركة زيلوج عبارة عن تطبيقات 16 بت لمعالج Z80 (قبل معالج HD64180/Z180) مع  مساحة عناوين MMU مُقسّمة إلى صفحات بحجم 16 ميجابايت؛ وقد أضافت هذه المعالجات أنماط عنونة وأنماط تعامد متعددة إلى مجموعة تعليمات Z80. كانت ميزات الحواسيب الصغيرة  - مثل أوضاع المستخدم والنظام، ودعم المعالجات المتعددة، ووحدة MMU مدمجة، وذاكرة تخزين مؤقتة للتعليمات والبيانات مدمجة، وما إلى ذلك  - تُعتبر في الغالب تعقيدًا أكثر من كونها وظائف ودعمًا لمصممي الأنظمة المدمجة (ذوي التوجه الإلكتروني عادةً)؛ كما جعل ذلك من الصعب التنبؤ بأوقات تنفيذ التعليمات.
• تستخدم بعض ألعاب الأركيد ، مثل بانغ / باستر بروس ، معالجًا مركزيًا مشفرًا من نوع "كابوكي" Z80 من إنتاج شركة VLSI Technology ، حيث يتم تخزين مفاتيح فك التشفير في ذاكرته الداخلية المدعومة ببطارية ، وذلك لتجنب القرصنة والألعاب المقرصنة غير القانونية. ^{[ 88 ]}

• 
  ASCII R800
• 
  هيتاشي HD64180
• 
  زيلوغ Z180
• 
  زيلوج زد 280
• 
  توشيبا TMPZ84C015

خلال أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، استُخدم معالج Z80 في عدد كبير من أجهزة الأعمال ذات التصميم البسيط، والتي كانت تعمل بنظام التشغيل CP/M ، وهو نظام سيطر على السوق آنذاك. ^{[ 89 ] [ 90 ]} ومن الأمثلة المعروفة لأجهزة الكمبيوتر المكتبية التي تعمل بنظام CP/M ومعالج Z80: جهاز Heathkit H89 ، وجهاز Osborne 1 المحمول ، وسلسلة Kaypro ، وجهاز Epson QX-10 . أما جهاز Otrona Attache، وهو جهاز متطور وباهظ الثمن، فكان أقل شهرة . ^{[ 91 ]} استخدمت بعض الأنظمة برامج أنظمة تشغيل متعددة المهام (مثل MP/M أو Micronix من Morrow ) لتقاسم المعالج الواحد بين عدة مستخدمين في وقت واحد .

طُرحت العديد من أجهزة الكمبيوتر المنزلية التي استخدمت معالج Z80 كمعالج رئيسي أو كخيار إضافي للوصول إلى البرامج المصممة خصيصًا له. ومن أبرزها سلسلة TRS-80 ، بما في ذلك الطراز الأصلي (الذي أُعيد تسميته لاحقًا بـ "الطراز الأول")، والطراز الثاني ، والطراز الثالث ، والطراز الرابع ، والتي زُوّدت جميعها بمعالج Z80 كمعالج رئيسي، بالإضافة إلى بعض طرازات TRS-80 الأخرى (وليس جميعها) التي استخدمت معالج Z80 كمعالج رئيسي أو ثانوي. ومن الأجهزة البارزة الأخرى جهاز DEC Rainbow 100 وجهاز Seequa Chameleon ، وكلاهما يضم معالج Intel 8088 ومعالج Z80، لدعم تطبيقات CP/M-80 ذات 8 بت التي تعمل على معالج Z80، أو نظام MS-DOS مُخصّص لم يكن متوافقًا تمامًا مع تطبيقات PC DOS التي تعمل على معالج 8088.

في عام 1981، طرحت شركة مولتيتك (التي أصبحت فيما بعد شركة أيسر ) جهاز مايكروبروفيسور 1 ، وهو نظام تدريب بسيط وغير مكلف لمعالج Z80. ولا يزال هذا الجهاز يُصنّع ويُباع حتى الآن من قبل شركة فلايت إلكترونيكس إنترناشونال المحدودة في ساوثهامبتون، إنجلترا .

في عام 1984، قدمت شركة توشيبا جهاز توشيبا MSX HX-10 في اليابان وأستراليا.

في عام 1985، قدمت شركة شارب جهاز Hotbit وقدمت شركة Gradiente جهاز Expert ، الذي أصبح جهاز الكمبيوتر المنزلي ذو 8 بت المهيمن في البرازيل حتى أواخر الثمانينيات.

ازداد استخدام معالج Z80 في الأجهزة الأخف وزنًا التي تعمل بالبطارية مع توفر إصدارات CMOS منه. كما ألهم تطوير معالجات أخرى تعتمد على CMOS، مثل LH5801 ^{[ 92 ]} من شركة شارب. أُصدر جهاز شارب PC-1500 ، وهو حاسوب جيب قابل للبرمجة بلغة BASIC ، عام 1981، تبعه جهاز شارب PC-1600 المُحسّن عام 1986، ثم جهاز شارب PC-E220 عام 1991. واعتمدت الطرازات اللاحقة من سلسلة شارب ويزارد لمنظمات الملفات الشخصية أيضًا على معالج Z80. ثم ظهرت أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تعمل بنظام التشغيل CP/M، تمامًا مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية، مع جهاز إبسون PX-8 جنيف عام 1984، وجهاز إبسون PX-4 وجهاز بوندويل-2 عام 1985 . بينما اتجه سوق أجهزة الكمبيوتر المحمولة في السنوات اللاحقة نحو معالجات إنتل 8086 الأكثر قوة ونظام التشغيل MS-DOS، استمر طرح أنظمة خفيفة الوزن تعتمد على معالج Z80 مع عمر بطارية أطول، مثل Cambridge Z88 في عام 1988 و Amstrad NC100 في عام 1992. كما شقّ معالج Z8S180 المشتق من Z80 طريقه إلى جهاز مساعد رقمي شخصي مبكر يعمل بالقلم ، وهو Amstrad PenPad PDA600 في عام 1993. أنتجت شركة VTech التي تتخذ من هونغ كونغ مقرًا لها سلسلة من أجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة تُسمى "Lasers" تعتمد على معالج Z80. ^{[ 93 ] [ 94 ]} وكان آخر جهازين منها هما Laser PC5 ^{[ 95 ]} وPC6. ^{[ 96 ]} أما جهاز Cidco MailStation Mivo 100، الذي صدر لأول مرة في عام 1999، فكان جهاز بريد إلكتروني محمولًا مستقلًا، مزودًا بوحدة تحكم دقيقة تعتمد على معالج Z80. ^{[ 97 ]} أنتجت شركة تكساس إنسترومنتس سلسلة من منظمات الجيب (انتهى إنتاجها عام 2000) باستخدام معالجات توشيبا المبنية على نواة Z80؛ وكان أولها TI PS-6200 ^{[ 98 ]} ، وبعد فترة إنتاج طويلة شملت حوالي اثني عشر نموذجًا، توجت بسلسلة PocketMate. ^{[ 99 ]}

لطالما كان معالج Zilog Z80 معالجًا دقيقًا شائعًا في الأنظمة المدمجة ووحدات التحكم الدقيقة ، ^{[ 40 ]} حيث لا يزال يُستخدم على نطاق واسع حتى اليوم. ^{[ 30 ] [ 100 ]} تشمل تطبيقات Z80 الإلكترونيات الاستهلاكية والمنتجات الصناعية والآلات الموسيقية الإلكترونية. على سبيل المثال، استُخدم Z80 في جهاز توليف الموسيقى الرائد Prophet-5 ، ^{[ 101 ]} وكذلك في أول جهاز توليف موسيقي مزود بتقنية MIDI ، وهو Prophet 600. ^{[ 102} ] كان Z80 أساسًا لجميع آلات E-mu Systems من عام 1976 إلى عام 1986. ^{[ 103 ]} استخدمت شركة Casio ^معالج Z80A في جهاز ألعاب الفيديو PV-1000 .

تحتوي العديد من ألعاب الفيديو التي صدرت في أوائل الثمانينيات، بما في ذلك لعبة باك مان ، على معالجات Z80.

استُخدم معالج Z80 في أجهزة سيجا ماستر سيستم وجيم جير . يحتوي جهاز سيجا جينيسيس على معالج Z80، مزود  بذاكرة وصول عشوائي (RAM) خاصة به سعتها 8 كيلوبايت، يعمل بالتوازي مع وحدة المعالجة المركزية الرئيسية MC68000، ويتمتع بوصول مباشر إلى رقائق الصوت ومنافذ الإدخال/الإخراج (وحدة التحكم) في النظام، بالإضافة إلى مسار بيانات مُبدَّل إلى ناقل الذاكرة الرئيسي لوحدة 68000 (مما يوفر الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي الرئيسية سعتها 64 كيلوبايت، وخرطوشة البرامج، وشريحة الفيديو بالكامل ^{) ؛ بالإضافة}  إلى توفير التوافق مع ألعاب ماستر سيستم، يُستخدم معالج Z80 غالبًا للتحكم في الصوت وتشغيله في برامج جينيسيس.

استُخدمت معالجات Z80 أيضًا في سلسلة آلات حاسبة الرسم البياني الشهيرة TI-8x من شركة Texas Instruments ، بدءًا من عام 1990 مع TI-81 ، التي تتميز بمعالج Z80 بتردد 2  ميجاهرتز. معظم الآلات الحاسبة المتطورة في السلسلة، بدءًا من TI-82 و TI-85 ، تعمل بمعالجات Z80 بتردد 6  ميجاهرتز أو أعلى. (تستخدم بعض الطرازات التي تحمل اسم TI-8x معالجات أخرى، مثل M68000، لكن الغالبية العظمى منها تعتمد على معالج Z80. في هذه الآلات، يُمكن تشغيل برامج المستخدم المُجمّعة أو المُترجمة بلغة الآلة Z80).

تستخدم آلات الحاسبة البيانية من طراز TI-83 و TI-84 Plus معالج Z80 بينما تستخدم سلسلة TI-84 Plus CE معالج eZ80 ؛ ولا تزال جميع سلاسل الآلات الحاسبة الثلاث تُباع من قبل شركة Texas Instruments حتى عام 2025.

في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، تميزت سلسلة من الهواتف الأرضية السوفيتية تُدعى "AON" بمعالج Z80؛ وقد وسّعت هذه الهواتف نطاق ميزات الهاتف الأرضي لتشمل خاصية معرفة هوية المتصل ، ونغمات رنين مختلفة بحسب المتصل، والاتصال السريع ، وما إلى ذلك. ^{[ 104 ]} إلا أنه في النصف الثاني من تسعينيات القرن العشرين، تحوّل مصنّعو هذه الهواتف إلى استخدام وحدات تحكم دقيقة متوافقة مع معالج 8051 لتقليل استهلاك الطاقة، ومنع ارتفاع درجة حرارة محولات الطاقة الجدارية الصغيرة.

استخدمت الروبوتات المتنقلة ذاتية التشغيل من طراز Micromouse، والمخصصة لحل المتاهات، معالج Z80، مثل روبوت Moonlight Special (1978)، الذي اعتمد على معالج Z80A بتردد 4 ميجاهرتز لتقليل المكونات الداخلية، وذلك بالاستفادة من متطلبات مصدر الطاقة الوحيد +5 فولت. واعتمد التصميم على تعليمات نقل الكتل الجديدة للمعالج لإدارة جداول عقد المتاهة، وعلى المقاطعات الموجهة للتعامل مع أخذ عينات المستشعرات في الوقت الفعلي والتحكم في محرك الخطوة ضمن دورة مقاطعة ضيقة تبلغ 4 كيلوهرتز (250 ميكروثانية).