Удалось разобраться почему Z80-MBC2 не заработала на 8 МГц с моей прошивкой.
Дело в том что микроконтроллер не мгновенно выставляет данные на портах, и не мгновенно считывает.
Код:
// В этом месте MCU предоставляет данные Z80
PORTA = data;
digitalWrite(WAIT_RES_, LOW); // Отключаем WAIT
while(!digitalRead(IORQ_)); // Здесь с задержкой определяется что
...