Z80-open-silicon逆向工程：原版Z80晶体管级布局解析
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/z8/z80-open-silicon 从芯片停产到开源重生
2024年4月，Zilog宣布经典Z80微处理器（Microprocessor，微处理器）停产，这款曾驱动ZX Spectrum、MSX等一代经典计算机的8位CPU（Central Processing Unit，中央处理器）面临断供危机。作为回应，Z80-open-silicon项目启动，旨在通过逆向工程（Reverse Engineering，逆向工程）与开源设计，打造硅验证级、引脚兼容的Z80替代品。本文将深入剖析原版Z80的晶体管级布局奥秘，揭示开源复刻背后的技术挑战。
原版Z80的硬件遗产
芯片物理结构解析
Zilog Z80采用nMOS工艺制造，芯片面积约6.5mm×6.5mm，包含约8500个晶体管（Transistor，晶体管）。通过硅晶圆照片（Silicon Wafer Image，硅晶圆照片）分析，其布局呈现典型的1970年代微处理器特征：
- 模块化分区：算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）、寄存器组（Register Bank）、控制单元（Control Unit）呈三列式分布
- 手动布线：无自动化布局布线工具时代的人工布线痕迹，可见明显的"布线通道"
- 冗余设计：为提高良率（Yield，良率）保留的备用晶体管阵列
关键功能模块定位
通过对比Z80功能框图与晶圆照片，可识别核心模块物理位置：
+-------------------+
| 控制单元 |
| (Control Unit) |
+--------+-------------------+--------+
| |
| 寄存器组 ALU |
| (Registers) (算术逻辑单元) |
| |
+------------------------------------+
| |
| 地址/数据总线接口 |
| (Address/Data Bus Interface) |
| |
+------------------------------------+
ALU位于芯片中央区域，采用4位切片（Slice）结构，通过级联实现8位运算。寄存器组则分布在左侧，包含主寄存器（AF、BC、DE、HL）与备用寄存器（AF'、BC'、DE'、HL'）的物理存储单元。
晶体管级逆向工程方法
图像采集与处理流程
逆向分析的第一步是获取高质量芯片图像：
- 芯片去封装：使用化学腐蚀去除陶瓷封装，暴露硅核心
- 逐层研磨：通过聚焦离子束（FIB，Focused Ion Beam）逐层剥离金属层
- 高分辨率成像：每剥离一层拍摄SEM（Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜）照片
- 图像对齐：使用计算机视觉算法对齐多层图像
项目参考了Silicon Pr0n网站的Z80晶圆数据集，特别是Z84C00 CMOS版本的高分辨率图像。
晶体管识别与建模
通过以下特征识别nMOS晶体管：
- 源极/漏极：重掺杂区形成的"有源区"（Active Area）
- 栅极：多晶硅（Polysilicon）细线横跨有源区
- 金属互连：铝层形成的导线网络
识别后的晶体管通过SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真程序）模型化，用于电路行为验证。项目已完成ALU核心模块的晶体管级建模，代码位于src/tv80/tv80_alu.v。
开源复刻的技术挑战
工艺迁移难题
原版Z80采用3μm工艺，而开源项目基于130nm SKY130工艺：
- 尺寸缩放：晶体管尺寸缩小23倍带来的寄生参数（Parasitic Parameter，寄生参数）变化
- 电压适配：5V到1.8V工作电压的转换，需重新设计电平转换电路
- 时序调整：原设计70ns指令周期在新工艺下可压缩至1ns以内
功能等效性验证
为确保与原版Z80兼容，项目构建了三级验证体系：
- ** RTL级仿真**：基于TV80 Verilog核的行为验证，通过ZEXALL指令测试套件
- 门级网表比对：提取原版Z80门级网表与开源实现对比关键路径
- 硅上测试：Tiny Tapeout 7流片版本已完成基础功能验证
当前验证状态：
- 标准指令集100%通过测试
- 2项ZEXALL测试因未实现的 undocumented flags（未文档化标志位）失败
- 最高稳定工作频率达50MHz（原版Z80为4MHz）
逆向工程成果应用
开源IP核优化
基于逆向分析结果，项目对TV80内核进行针对性优化：
- 时序优化：调整控制信号路径，减少关键路径延迟
- 面积缩减：去除原版中用于测试的冗余电路，面积减少15%
- 功耗控制：为静态CMOS实现添加时钟门控（Clock Gating）
优化后的布局文件位于gds/tinytapeout_07_skywater130A，可直接用于芯片制造。
教育与文档化
逆向工程过程产生的技术文档已整合至项目：
- Z80晶体管级原理图：基于晶圆图像重建的详细电路
- TV80实现对比报告：开源实现与原版Z80的差异分析
- 测试指南：RC2014计算机上的兼容性测试流程
结语：从逆向到创新
Z80-open-silicon项目不仅是一次技术抢救行动，更是开源硬件运动的重要实践。通过晶体管级逆向工程，我们不仅复刻了经典芯片，更建立了从硬件到软件的完整开源生态。下一步，项目将基于逆向成果开发增强版Z80，添加SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间）等现代接口，让这款经典CPU在物联网时代焕发新生。
项目代码已开源，欢迎参与验证与优化：src/tv80。下期将解析Z80指令流水线（Pipeline，流水线）的物理实现细节。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
