思いついたアイデアをひとつ。

Tiny2313あたりを1個積んで、メモリバス(拡張ROM1の部分)をハンドルします。 いわゆるIPL ROM代わりで、CS2/MREQ/RD/D0-D7/A0-A5あたりを入出力させます。

本体に読み込まれるコードはmega88(I/Oバス)を経由してSDカードからブートプログラムを読み込むものです。 このコードを実行中は読み込みはTiny2313から、書き込みはSRAMに行くようにしておいて、いったん初期化が終わったらTiny2313を完全に切り離してSRAMのみアクセスするようにします。

これだとPLDを使わずとも、現在の実装の延長線上でもできそうな気がします。

問題は、データをバスに載せるのがタイミング的に間に合うかどうかですね。 Z80のデータシートを見ると、メモリリクエストが開始されてからデータを乗せるまでは3クロック程度のようです。 ROMエリアなので、おそらくWAITが入って4クロックくらいになるのかな? AVR/20MHzでは20クロック分くらいです。 別にUV-EPROMを使っても似たようなことは可能ですが、Tiny2313は書き換えが楽なのと、値段が安いのがアドバンテージかと思います。