the use of microprocessors for electronic engine control

7/27/2019 The Use of Microprocessors for Electronic Engine Control

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7 5IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. I E - 3 0 , NO. 2 , MAY 1983Th e U s e o f M i c r o p r o c e s s o r s f o r E l e c t r o n i c E n g i n e C o n t r o l

THOMAS J . F L I S , MEMBER, I E E E

A b s t r a c t - B y t h e 1 9 8 4 m o d e l y e a r , v i r t u a l l y a l l s p a r k - i g n i t i o n p a s -s e n g e r c a r s s o l d i n t h e U n i t e d S t a t e s w i l l c o n t a i n m i c r o p r o c e s s o r -b a s e d e l e c t r o n i c s t o m e e t p r e s c r i b e d e m i s s i o n s a n d f u e l e c o n o m y l e v -e l s . E f f e c t i v e i m p l e m e n t a t i o n o f e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g i e s t o m e e t t h e s eo b j e c t i v e s t h r o u g h t h e u s e o f e l e c t r o n i c s , p a r t i c u l a r l y m i c r o p r o c e s s o r -b a s e d e l e c t r o n i c s . d e p e n d s o n a b r o a d k n o w l e d g e o f many d i v e r s ee n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e s - f r o m b a s i c c o n c e p t s o f e m i s s i o n s c o n t r o l ,t h r o u g h m i c r o p r o c e s s o r a n d s e m i c o n d u c t o r memory a r c h i t e c t u r e a n do p e r a t i o n .T h i s p a p e r p r o v i d e s a u t o m o t i v e a n d e l e c t r o n i c s s y s t e m s e n g i n e e r sw i t h a s i m p l i f i e d o v e r v i e w o f a ) t h e n a t u r e o f e n g i n e e m i s s i o n s c o n t r o l ,b ) t h e f u n d a m e n t a l s o f m i c r o p r o c e s s o r s a n d s e m i c o n d u c t o r m e m o r i e s ,a n d c ) t h e u s e o f m i c r o p r o c e s s o r s f o r e n g i n e c o n t r o l a p p l i c a t i o n s a tF o r d M o t o r C o m p a n y . T h e f o c u s o f t h i s p r e s e n t a t i o n i s o n m i c r o p r o c -e s s o r f e a t u r e s t h a t a r e c r i t i c a l f o r e n g i n e c o n t r o l a p p l i c a t i o n , w i t he m p h a s i s o n F o r d M o t o r C o m p a n y ' s ne w f o u r t h g e n e r a t i o n e l e c t r o n i ce n g i n e c o n t r o l m i c r o c o m p u t e r , E E C - I V , a s a n i l l u s t r a t i v e e x a m p l e .

I INTRODUCTIONAUTOMOTIVE e m i s s i o n c o n t r o l l e g i s l a t i o n b e g a n i n C a l i -A f o r n i a w h e n a l l 1 9 6 1 - m o d e l c a r s r e q u i r e d c o n t r o l o v e rc r a n k c a s e e m i s s i o n s , a n d b e c a m e s t a n d a r d f o r t h e r e s t o f t h eU n i t e d S t a t e s f o r 1 9 6 3 - m o d e l c a r s . C a r m a k e r s v o l u n t a r i l ye q u i p p e d t h e i r c a r s w i t h a b l o w b y d e v i c e w h i c h v i r t u a l l ye l i m i n a t e d c r a n k c a s e e m i s s i o n s . E s s e n t i a l l y , b l o w b y g a s e s i nt h e c r a n k c a s e a r e r e c i r c u l a t e d b a c k i n t o t h e e n g i n e ' s i n d u c -t i o n s y s t e m u s i n g a c l o s e d p o s i t i v e c r a n k c a s e v e n t i l a t i o n ( P C V )s y s t e m .I n 1 9 6 3 , C o n g r e s s p a s s e d t h e C l e a r A i r A c t , g i v i n g m o n e y

t o t h e s t a t e s f o r d e v e l o p m e n t o f a i r p o l l u t i o n p r o g r a m s . T h el a w w a s a m e n d e d i n 1 9 6 5 t o g i v e t h e F e d e r a l G o v e r n m e n ta u t h o r i t y t o s e t e m i s s i o n s t a n d a r d s f o r n e w c a r s . T h e s e s t a n d -a r d s w e r e f i r s t a p p l i e d n a t i o n w i d e t o 1 9 6 8 m o d e l s a n d m a j o rc h a n g e s f o l l o w e d i n 1 9 7 0 w h e n t h e E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nA g e n c y ( E P A ) w a s e s t a b l i s h e d ( D e c e m b e r 2 , 1 9 7 0 ) t o c o n s o l i -d a t e t h e f e d e r a l g o v e r n m e n t ' s e n v i r o n m e n t a l r e g u l a t o r ya c t i v i t i e s u n d e r a s i n g l e a g e n c y . A t t h i s t i m e , e m i s s i o n s t a n d -a r d s w e r e e s t a b l i s h e d f o r 1 9 7 3 - 1 9 7 4 c a r s , a n d p r o j e c t e d f o r1 9 7 5 a n d l a t e r m o d e l s . T h e EPA f i r s t s e t s t a n d a r d s w h i c h r e -q u i r e d t h a t h y d r o c a r b o n ( H C ) a n d c a r b o n m o n o x i d e ( C O )e m i s s i o n s f o r 1 9 7 5 p a s s e n g e r c a r s b e r e d u c e d 9 0 p e r c e n t f r o m1 9 7 0 l e v e l s , w i t h a 9 0 - p e r c e n t r e d u c t i o n i n o x i d e s o f n i t r o g e n( N O , ) b y 1 9 7 6 . T h e s e s t a n d a r d s w e r e l a t e r a m e n d e d t o t h el e v e l s s h o w n i n T a b l e I [ 1 ] . I n a d d i t i o n , t h e EPA h a s e s t a b -l i s h e d s t a n d a r d s i n o t h e r a u t o m o t i v e a r e a s , s u c h a s f u e l c o n -s u m p t i o n a n d f u e l a d d i t i v e s . T h e C o r p o r a t e A v e r a g e F u e lE c o n o m y ( C A F E ) s t a n d a r d s b e g a n i n 1 9 7 8 f o r e a c h c a rm a n u f a c t u r e r w i t h a n 1 8 - m i / g a l s a l e s - w e i g h t e d c o m b i n e dM a n u s c r i p t r e c e i v e d J u n e 4 , 1 9 8 2 ; r e v i s e d D e c e m b e r 1 8 , 1 9 8 2 .T h e a u t h o r i s w i t h t h e E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c s D i v i s i o n o f t h eF o r d M o t o r C o m p a n y , D e a r b o r n , M I .

TABLE IEXHAUST EMISSION REQUIREMENTS FOR PASSENGERCARS BY MODEL YEARE X H A U S T E M I S S I O N S ( g p m )M O D E L C A L I F O R N I A F E D E R A L C A N A D AY E A R H C CO N O x H C CO N O x H C CO N O x

1 9 7 0 2 . 2 2 3 . 0 N O N E 2 . 2 2 3 . 0 N O N E 1 9 7 5 - 7 6 0 . 9 9 . 0 2 . 0 1 . 5 1 5 . 0 3 . 1 2 . 0 2 5 . 0 3 . 11 9 7 7 - 7 9 0 . 4 1 9 . 0 1 . 5 1 . 5 1 5 . 0 2 . 0 2 . 0 2 5 . 0 3 . 1

1 9 8 0 0 . 4 1 9 . 0 1 . 0 0 . 4 1 7 . 0 2 . 0 2 . 0 2 5 . 0 3 . 11 9 8 1 - 8 4 0 . 4 1 7 . 0 0 . 7 0 . 4 1 3 . 4 1 . 0 2 . 0 2 5 . 0 3 . 1

_ _ _ _

c i t y / h i g h w a y a v e r a g e . C A F E s t a n d a r d s g r a d u a l l y i n c r e a s et h r o u g h 1 9 8 5 , w h e n t h e i n d u s t r y m u s t meet a 2 7 . 5 - m i / g a lr e q u i r e m e n t . C a l i f o r n i a h a s i t s ow n r e g u l a t o r y a g e n c y , c a l l e dt h e C a l i f o r n i a A i r R e s o u r c e s B o a r d ( C A R B ) , w h o s e a u t h o r i t yr o u g h l y p a r a l l e l s t h a t o f t h e F e d e r a l E P A , b u t i t s a u t h o r i t ye x t e n d s o n l y t o t h o s e v e h i c l e s s o l d i n o r b r o u g h t i n t o C a l i -f o r n i a .A v a r i e t y o f s y s t e m s a n d d e v i c e s a r e u s e d t o c o n t r o l e x -h a u s t e m i s s i o n s : u n b u r n e d H C , C O , a n d N O , . Tw o o f t h e s ee m i s s i o n s , HC a n d C O , r e s u l t f r o m i m p e r f e c t c o m b u s t i o n ,w h i l e N O X i s a n a t u r a l p r o d u c t o f t h e c o m b u s t i o n c h e m i c a lr e a c t i o n . HC r e s u l t s f r o m u n b u r n e d f u e l a n d CO e m i s s i o n sd e p e n d o n t h e a m o u n t o f a i r a v a i l a b l e f o r c o m b u s t i o n a n dr e l a t e t o t h e e n g i n e a i r - f u e l r a t i o ( A / F ) . S i m u l t a n e o u s c o n t r o lo f a l l t h r e e , w h i l e a c h i e v i n g a c c e p t a b l e f u e l e c o n o m y a n dd r i v e a b i l i t y , i s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y c o m p l e x b e c a u s e o f mores t r i n g e n t g o v e r n m e n t , c o n s u m e r , a n d m a r k e t p r e s s u r e s , a n dr e q u i r e s t h e u s e o f m i c r o p r o c e s s o r s t o p r o v i d e a more o p t i -m um e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g y t h a n i s p o s s i b l e w i t h m e c h a n i c a ls y s t e m s .

I I . AUTOMOTIVE E M I S S I O N SB a s i c a l l y , a u t o m o t i v e e m i s s i o n s c o n t r o l s c a n b e g r o u p e di n t o t h r e e m a j o r c a t e g o r i e s : c r a n k c a s e e m i s s i o n c o n t r o l s( d i s c u s s e d p r e v i o u s l y ) , e v a p o r a t i v e e m i s s i o n c o n t r o l s , a n de x h a u s t e m i s s i o n c o n t r o l s . E v a p o r a t i v e e m i s s i o n c o n t r o ls y s t e m s c o n t r o l t h e e v a p o r a t i o n o f HC v a p o r s f r o m t h e f u e ls y s t e m ( f u e l t a n k , p u m p , a n d c a r b u r e t o r ) . T o d a y , m o s tm a n u f a c t u r e r s u s e a c h a r c o a l c a n i s t e r t o s t o r e f u e l v a p o r sa n d a c a n i s t e r p u r g e v a l u e i s o p e n e d p e r i o d i c a l l y t o v e n t t h ev a p o r s b a c k i n t o t h e i n d u c t i o n s y s t e m .I n g e n e r a l , m e t h o d s w h i c h r e d u c e N O x a r e n o t o p t i m u mf o r c o n t r o l o f HC a n d C O , s i n c e c h e m i c a l r e d u c t i o n i s r e q u i r e dt o e l i m i n a t e N O X a n d o x i d a t i o n i s n e e d e d t o e l i m i n a t e HC a n dC O . A u s e f u l c o n c e p t t h a t h e l p s i n u n d e r s t a n d i n g t h e f u n d a -m e n t a l i d e a b e h i n d a l l e n g i n e c o n t r o l s y s t e m s r e l a t e s t o t h e

0 2 7 8 - 0 0 4 6 / 8 3 / 0 5 0 0 - 0 0 7 5 0 1 . 0 0 1 9 8 3 I E E E

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76 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL E L E C T R O N u C S , VOL. I E - 3 0 , N O . 2 , MAY 1983

EXHAUSTE M I S S I O N S

R I C H STOICHIOMETRY LEANA I R F U E L R A T I O

F i g . 1 . E x h a u s t g a s c o m p o s i t i o n v a r i e s w i t h a i r - f u e l r a t i o .

1,0

CATALYTICCONVERTERE F F I C I E N C Y t

I C H STOICHIOMETRY LEANF i g . 2 . C a t a l y t i c c o n v e r t e r e f f i c i e n c y v a r i e s with a i r - f u e l r a t i o .

ThE GOSENSORVOLTAGE

I

I lR I C H S T O I C H 1 6 M E T R Y LEANF i g . 3 . E x h a u s t - g a s oxygen-sensor o u t p u t v o l t a g e s w i t c h e s a t s t o i c h i -o m e t r yv a r i a t i o n o f e x h a u s t gas c o m p o s i t i o n a s a f u n c t i o n o f a i r - f u e lr a t i o a s s h o w n i n F i g . 1 [ 2 ] .T h e r a t i o o f a i r t o f u e l f o r w h i c h p e r f e c t c o m b u s t i o n t a k e sp l a c e i s c a l l e d s t o i c h i o m e t r y a n d i s t y p i c a l l y 1 4 . 7 t o 1 , or 1 4 . 7l b ( b y w e i g h t ) o f a i r f o r e a c h p o u n d o f f u e l . T h i s r a t i o i si m p o r t a n t f o r t wo r e a s o n s : f i r s t , t h e r e ar e n a t u r a l l i m i t s t oh ow r i c h ( m o r e f u e l , l o w e r A / F r a t i o ) or how l e a n ( m o r e a i r ,g r e a t e r A / F r a t i o ) t h e A / F m i x t u r e ca n b e , a n d s t i l l r e m a i n

c o m b u s t i b l e f o r f i r i n g ; a n d s e c o n d , f o r m a n y c a t a l y t i c c o n -v e r t e r s t h e A / F r a t i o m u s t b e m a i n t a i n e d a t s t o i c h i o m e t r yf o r o p t i m u m e l i m i n a t i o n o f a l l t h r e e e x h a u s t e m i s s i o n g a s e s .T h e w i n d o w f o r w h i c h c a t a l y t i c c o n v e r t e r e f f i c i e n c y f o r a l lt h r e e e m i s s i o n s i s o p t i m i z e d i s v e r y n a r r o w - a b o u t + 0 . 0 5 A / Fo f s t o i c h i o m e t r y ( F i g . 2 ) .A k e y c o m p o n e n t i n m a i n t a i n i n g p r e c i s e c o n t r o l o f A / Fr a t i o a t s t o i c h i o m e t r y i s t h e e x h a u s t g a s o x y g e n ( E G O ) s e n s o rw i t h a t r a n s f e r f u n c t i o n a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 3 . T h e s e n s o rp r o d u c e s a n e a r s t e p c h a n g e i n v o l t a g e a t s t o i c h i o m e t r i c A / F .I t i s a g a l v a n i c d e v i c e w i t h a s o l i d e l e c t r o l y t e ( u s u a l l y z i r c o -n i u m d i o x i d e ) a n d p o r o u s e l e c t r o d e s ( p l a t i n u m ) , o n e e x p o s e dt o e x h a u s t g a s e s a n d t h e o t h e r t o a m b i e n t a i r . T h e e l e c t r o l y t ea l l o w s p a s s a g e o f o x y g e n i o n s f r o m o n e e l e c t r o d e t o t h e o t h e r ,f o r m i n g a b a t t e r y , p r o d u c i n g l e s s t h a n 2 0 0 mV f o r a l e a nm i x t u r e a n d g r e a t e r t h a n 6 0 0 mV f o r a r i c h A / F r a t i o . E n g i n ec o n t r o l s y s t e m s w h i c h d e p e n d o n f e e d b a c k f r o m t h e EGOs e n s o r w i l l b e d i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y .I I I . B A S I C EXHAUST E M I S S I O N S CONTROLT E C H N I Q U E S

A v a r i e t y o f b a s i c t e c h n i q u e s h a v e b e e n u s e d , s t a n d - a l o n eo r i n c o m b i n a t i o n , d u r i n g t h i s l a s t d e c a d e t o c o n t r o l e x h a u s te m i s s i o n s . E a c h s y s t e m i s d e s c r i b e d s u c c i n c t l y t o p r e s e n tt h e c o n c e p t , n o t t o e x p l o r e t h e i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s .1 ) A i r I n j e c t i o n : T h e s e s y s t e m s u s e a n a i r pump t o s u p p l yf r e s h a i r i n t o t h e e x h a u s t m a n i f o l d o r c y l i n d e r h e a d . T h ea i r m i x e s w i t h t h e h o t e x h a u s t l e a v i n g t h e e n g i n e a n d i m p r o v e st h e o x i d a t i o n r e a c t i o n n e c e s s a r y t o r e d u c e HC a n d CO e m i s -s i o n s .2 ) S p a r k T i m i n g C o n t r o l s : V a r i o u s s y s t e m s a r e u s e d t o d e -l a y o r r e t a r d i g n i t i o n s p a r k t i m i n g t o c o n t r o l HC a n d N O Qe m i s s i o n s . S i n c e t h e g r e a t e s t a m o u n t o f e x h a u s t e m i s s i o n s a r ep r o d u c e d a t i d l e a n d d u r i n g l o w - s p e e d o p e r a t i o n , a l l m e c h a n i -c a l s p a r k c o n t r o l s y s t e m s a r e b a s i c a l l y d e s i g n e d t o r e d u c et h e s e e m i s s i o n s b y d e l a y i n g v a c u u m a d v a n c e a t i d l e a n d w h e nt h e c a r i s i n l o w g e a r . T h i s m e a n s t h a t a s p a r k c o n t r o l s y s t e ms h o u l d w o r k o n l y w h e n t h e e n g i n e i s a t n o r m a l o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e a n d t h e c a r i s o p e r a t i n g a t l o w s p e e d s o r i n l o wg e a r . A t n o r m a l o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e a n d w h e n t h e c a ri s a t c r u i s i n g s p e e d o r i n h i g h g e a r , v a c u u m a d v a n c e w o r k s a si t s h o u l d w i t h o u t s p a r k c o n t r o l . H o w e v e r , c e n t r i f u g a l a n dv a c u u m a d v a n c e m e c h a n i c a l s y s t e m s c a n n o t r e a c t f a s t e n o u g ht o c h a n g e s i n e n g i n e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s , n o r c a n t h e y p r o -v i d e t h e e x t r e m e t i m i n g a c c u r a c y r e q u i r e d t o m e e t t o d a y ' se m i s s i o n a n d f u e l e c o n o m y s t a n d a r d s . T h e r e f o r e , a l l m a n u -f a c t u r e r s h a v e d e v e l o p e d e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d i g n i t i o ns y s t e m s t o g a i n t h e n e c e s s a r y r e s p o n s e t i m e a n d a c c u r a c y .T h e f o r e r u n n e r s o f t o d a y ' s e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m sw e r e , i n f a c t , e l e c t r o n i c s p a r k t i m i n g c o m p u t e r s , i . e . , C h r y s l e r ' sE l e c t r o n i c L e a n B u r n ( E L B ) , G M ' s M i c r o p r o c e s s e d S e n s i n ga n d A u t o m a t i c R e g u l a t i o n ( M I S A R ) , a n d F o r d ' s E l e c t r o n i cE n g i n e C o n t r o l I ( E E C - I ) , w e r e e s s e n t i a l l y e l e c t r o n i c s p a r kc o n t r o l l e r s y t e m s .3 ) E x h a u s t G a s R e c i r c u l a t i o n : An e f f e c t i v e w a y o f c o n -t r o l l i n g N O , e m i s s i o n s i s t o r e c i r c u l a t e a s m a l l a m o u n t o fe x h a u s t g a s b a c k t o t h e i n t a k e m a n i f o l d t o d i l u t e t h e i n c o m i n ga i r - f u e l m i x t u r e . N i t r o g e n a n d o x y g e n d o n o t c o m b i n e u n l e s s

I



3/13

F L I S : MICROPROCESSORS FOR ELECTRONIC ENGINE CONTROL1 o o - +80t

CATALYSTCONVERSIONEFFICIENCY( % )

CO | / HC6 0

4 0 +

2 0 1 -

0 0 2 0 0 30 0 40 0 50 0TEMPERATURE( I C )F i g . 4 . C o n v e n t i o n a l o x i d i z i n g c a t a l y s t e f f i c i e n c y d e p e n d s on i t s oper-a t i n g t e m p e r a t u r e .

c o m b u s t i o n c h a m b e r t e m p e r a t u r e s e x c e e d 1 3 7 0 0 C . Tw om e t h o d s a r e u s e d t o c o n t r o l p e a k c o m b u s t i o n c h a m b e r t e m -p e r a t u r e s t o p r e v e n t N O X f o r m a t i o n . O n e i s t o s l i g h t l y r e t a r ds p a r k t i m i n g a s d i s c u s s e d p r e v i o u s l y . T h e s e c o n d , a n d m o r ee f f i c i e n t m e t h o d , i s t o i n j e c t a s m a l l amount o f an i n e r t g a si n t o t h e a i r - f u e l m i x t u r e t o l o w e r t h e c o m b u s t i o n c h a m b e rt e m p e r a t u r e . B e c a u s e e x h a u s t g a s e s a r e r e l a t i v e l y i n e r t , t h e yar e u s e d f o r t h i s purpose. A s m a l l q u a n t i t y ( 6 t o 1 0 p e r c e n t )o f t h e e x h a u s t gas i s r e c i r c u l a t e d f r o m t h e e n g i n e ' s e x h a u s tp o r t s t o t h e i n t a k e m a n i f o l d . S i n c e t h e e x h a u s t g a s c o n t a i n sn o oxygen, t h e r e s u l t i n g a i r - f u e l p l u s e x h a u s t g a s m i x t u r ed o e s n o t c r e a t e a s much h e a t a s a n u n d i l u t e d a i r - f u e l m i x -t u r e w o u l d p r o d u c e . E x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n ( E G R ) i s n o tn e e d e d or d e s i r e d a t i d l e or a t h i g h - s p e e d w i d e - o p e n t h r o t t l eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s . I t i s necessary o n l y d u r i n g c r u i s i n ga n d a c c e l e r a t i o n a t s p e e d s b e t w e e n a b o u t 3 0 a n d 7 0 m i / h ,w h e n N O X f o r m a t i o n i s g r e a t e s t . R e c i r c u l a t i o n i s a l s o e l i m i -n a t e d w h e n e n g i n e t e m p e r a t u r e i s l o w , a n d N O X f o r m a t i o ni s a l s o l o w , t o p r o d u c e f a s t w a r m -u p a n d b e t t e r d r i v e a b i l i t y .4 ) C a t a l y t i c c o n v e r t e r s : T h e f i r s t c a t a l y t i c c o n v e r t e r s ,c a l l e d c o n v e n t i o n a l o x i d a t i o n c a t a l y s t s ( C O C ) , w e r e i n s t a l l e di n t h e e x h a u s t s y s t e m s o f 1 9 7 5 a n d 1 9 7 6 c a r s t o h e l p t h ec h e m i c a l o x i d a t i o n , or b u r n i n g , o f HC a n d CO i n t h e e x h a u s t .S i n c e HC a n d CO o x i d i z e a t a l o w e r t e m p e r a t u r e w i t h a C O C ,l e s s s p a r k r e t a r d i s r e q u i r e d t o s a t i s f y HC a n d CO s t a n d a r d s ,t h e r e b y d e c r e a s i n g t h e f u e l e c o n o m y s a c r i f i c e . L a t e r , c a t a l y t i cc o n v e r t e r s , w h i c h b e g a n t o appear o n 1 9 7 7 a n d 1 9 7 8 c a r s ,w e r e c a l l e d t h r e e - w a y c a t a l y s t s ( T W C ) a n d h e l p e d t o promotet h e c h e m i c a l r e d u c t i o n o f N O X e m i s s i o n s . M a n y o f t o d a y ' sc a t a l y s t a s s e m b l i e s ar e c o m p o s e d o f t wo s e c t i o n s . T h e f r o n ts e c t i o n i s a t h r e e - w a y c a t a l y s t t o o x i d i z e HC a n d CO w h i l es i m u l t a n e o u s l y r e d u c i n g N O X . T h i s s e c t i o n r e q u i r e s p r e c i s ec o n t r o l o f t h e a i r - f u e l r a t i o f o r p r o p e r o p e r a t i o n , a s d i s c u s s e dp r e v i o u s l y . T h e r e a r s e c t i o n c o n t a i n s a c o n v e n t i o n a l o x i d a t i o nc a t a l y s t t o f u r t h e r o x i d i z e HC a n d C O . T h e c o n v e r s i o n e f f i -c i e n c y o f a c o n v e n t i o n a l o x i d i z i n g c a t a l y s t i s a f u n c t i o n o ft e m p e r a t u r e a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 4 [ 3 ] . T h e c a t a l y s t i s i n -e f f e c t i v e u n t i l i t s t e m p e r a t u r e r i s e s a b o v e a b o u t 2 5 0 t o 3 0 0 0 C ,a n d t h i s p h e n o n e m a c o m p l i c a t e s c o l d - s t a r t e m i s s i o n s c o n t r o l .T h e t e r m l i g h t - o f f ' t e m p e r a t u r e i s o f t e n u s e d i n d e s c r i b i n g

t h e t e m p e r a t u r e a b o v e w h i c h t h e c o n v e r t e r b e c o m e s e f f e c t i v e .L i g h t - o f f t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s w i t h m i l e a g e a c c u m u l a t i o na n d i s a n i m p o r t a n t w e a r - o u t f a c t o r i n 5 0 0 0 0 m i e m i s s i o n sc e r t i f i c a t i o n t e s t i n g . D u r i n g c o l d - s t a r t o p e r a t i o n , p r i o r t ol i g h t - o f f , t h e HC a n d CO e m i s s i o n s c a n b e e x p e c t e d t o p a s su n r e a c t e d t h r o u g h t h e c o n v e r t e r . S i n c e a r i c h A / F r a t i o i sr e q u i r e d f o r d r i v e a b i l i t y d u r i n g c o l d - s t a r t , t h e e x c e s s f u e lp a s s i n g t h r o u g h t h e c o l d e n g i n e p r o d u c e s d i s p r o p o r t i o n -a t e l y h i g h HC a n d CO e m i s s i o n s . C o n s e q u e n t l y , s e c o n d a r ya i r i s s u p p l i e d b y a n e n g i n e d r i v e n pump t o t h e e x h a u s tp o r t s d u r i n g s t a r t - u p ( c a l l e d u p s t r e a m a i r i n j e c t i o n ) , w h e r et h e e x h a u s t g a s t e m p e r a t u r e i s h i g h e s t , a n d h e n c e , w h e r et h e g r e a t e s t p o t e n t i a l f o r g a s o x i d a t i o n e x i s t s . O n c e a COCc o n v e r t e r l i g h t s o f f , p o r t - i n j e c t e d a i r may b e c o n t i n u e d o rb y p a s s e d ( d u m p e d ) t o t h e a t m o s p h e r e . T h r e e - w a y c a t a l y s t sh a v e a n a l o g o u s l i g h t - o f f c h a r a c t e r i s t i c s a n d i n a c l o s e d - l o o ps y s t e m u s i n g a n EGO s e n s o r , t h e s e n s o r a l s o h a s a w a r m - u pc h a r a c t e r i s t i c . H e n c e , d u r i n g c o l d - s t a r t , a c l o s e d - l o o p TWCs y s t e m i s f o r c e d t o o p e r a t e o p e n - l o o p u n t i l t h e EGO s e n s o rwarms u p . T h e t i m e r e q u i r e d f o r EGO s e n s o r w a r m - u p d e -p e n d s u p o n t h e l o c a t i o n o f t h e EGO s e n s o r i n a g i v e n e n g i n e .

I V . FEDERAL E M I S S I O N S C E R T I F I C A T I O N PROCESST h e a v a i l a b i l i t y o f new p a s s e n g e r c a r s e a c h y e a r d e p e n d so n w h e t h e r c a r m a k e r s s u c c e s s f u l l y c o m p l e t e a c o m p l e x a n dl e n g t h y e m i s s i o n c e r t i f i c a t i o n p r o c e s s f o r e a c h m o d e l / d r i v e -t r a i n c o m b i n a t i o n . A u t o m a k e r s a r e r e s p o n s i b l e f o r c o n d u c t i n ga 5 0 0 0 0 m i d u r a b i l i t y t e s t f o r e a c h e n g i n e f a m i l y w i t h e m i s -s i o n t e s t s b e i n g p e r f o r m e d , p e r r i g i d l y p r e s c r i b e d p r o c e d u r e s ,a t r e g u l a r i n t e r v a l s . O n l y s c h e d u l e d m a i n t e n a n c e o r EPA a p -p r o v e d s p e c i a l m a i n t e n a n c e c a n b e p e r f o r m e d d u r i n g t h et e s t i n g . A s t r a i g h t l i n e f i t t o t h e e m i s s i o n s d a t a f o r e a c hg a s i s o b t a i n e d t o d e t e r m i n e t h e d e t e r i o r a t i o n f a c t o r ( D F ) -t h e r a t i o o f g r a m s p e r m i l e ( g / m i ) a t 5 0 0 0 0 m i t o t h a t a t4 0 0 0 m i . A d d i t i o n a l d a t a c a r s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e g i v e ne n g i n e f a m i l y a r e t h e n r u n f o r 4 0 0 0 m i t o o b t a i n f u e l e c o nomy d a t a , a n d t h e i r 4 0 0 0 - m i e m i s s i o n s a r e m u l t i p l i e d b y t h er e s p e c t i v e D F ' s t o o b t a i n p r o j e c t e d e m i s s i o n s l e v e l s a t 5 0 0 0 0m i . I f t h e m u l t i p l i e d p r o j e c t i o n e x c e e d s t h e s t a n d a r d , t h e n t h a tp a r t i c u l a r e n g i n e f a m i l y c a n n o t b e s o l d t o t h e p u b l i c .P r o t o t y p e a n d d e v e l o p m e n t e m i s s i o n s c o n t r o l c o m p o n e n t sm u s t o f t e n b e d e s i g n e d a n d a v a i l a b l e f o r v e h i c l e p r o v e - o u tt h r e e t o f i v e y e a r s p r i o r t o m a r k e t i n t r o d u c t i o n t o e n s u r es u f f i c i e n t t i m e t o c o m p l e t e a l l i n t e r n a l d e s i g n a n d p r o d u c t i o np r o v e - o u t a n d F e d e r a l e m i s s i o n t e s t i n g s c h e d u l e s .

V . ELECTRONIC ENGINE CONTROLSE l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m s c a n r a n g e i n c o m p l e x i t yf r o m s i m p l e c o n t r o l o f s p a r k t i m i n g a n d EGR f l o w , t o f u l l yi n t e r a c t i v e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f a i r - f u e l r a t i o , s e c o n d a r ya i r , EGR f l o w , s p a r k t i m i n g , i d l e s p e e d , s p a r k k n o c k , a n de v a p o r a t i v e f u e l [ 4 1 . D e p e n d i n g o n t h e s p e c i f i c c o n t r o ls t r a t e g i e s e m p l o y e d , e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m c o m -p l e x i t y i s a l s o i n f l u e n c e d b y t h e p a r t i c u l a r s e n s o r / a c t u a t o r m i xa n d a c c u r a c y r e q u i r e m e n t s , i n c r e a s i n g p r o c e s s i n g s p e e d a n dc o m p u t a t i o n a l p o w e r r e q u i r e m e n t s , a n d b y t h e i n c r e a s i n gr a n g e o f p o w e r t r a i n d i s p l a c e m e n t s a n d f u e l d e l i v e r y s y s t e m s .F o r e x a m p l e , f u e l d e l i v e r y s y s t e m s c a n b e d i v i d e d i n t o t w o

7 7



4/13

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, V O L . I E - 3 0 , N O . 2 , MAY 1 9 8 3A I R FUEL

I~ ~ ~ ~ ~ ~ C O M P A R A T O R

= R E F E f t E ~ ~ ~ N C E |

K F I X E D DUTY CYCLECOMPENSATION FOR L O A D , R P M ,& COOLANT T E M P .

ELECTRONIC CONTROLLERF i g . 5 . B l o c k d i a g r a m f o r a t y p i c a l c l o s e d - l o o p f e e d b a c k - c a r b u r e t o re l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m .

c a t e g o r i e s - c a r b u r e t o r a n d f u e l i n j e c t i o n - c o n s i s t i n g o f f o u rb a s i c c o n f i g u r a t i o n s : c o n v e n t i o n a l c a r b u r e t o r , f e e d b a c kc a r b u r e t o r , s i n g l e - p o i n t o r t h r o t t l e b o d y f u e l i n j e c t i o n ( a l s oc a l l e d c e n t r a l f u e l i n j e c t i o n - C F I ) , a n d m u l t i p o i n t o r i n d i v i d u a lp o r t f u e l i n j e c t i o n ( a l s o c a l l e d e l e c t r o n i c f u e l i n j e c t i o n - E F I ) .A f e e d b a c k c a r b u r e t o r f u n c t i o n s s i m i l a r l y t o a c o n v e n t i o n a lc a r b u r e t o r , b u t i t h a s a n a c t u a t o r t h a t c o n t r o l s f u e l f l o w , a n dt h e r e b y a i r - f u e l r a t i o , i n r e s p o n s e t o command s i g n a l s f r o m am i c r o p r o c e s s o r . S i n g l e - p o i n t f u e l - i n j e c t i o n s y s t e m s u s e a s i n g l ei n j e c t o r i n e a c h b o r e o f a t h r o t t l e b o d y , a n d m u l t i p o i n t f u e l -d e l i v e r y s y s t e m s u s e a s e p a r a t e i n t a k e m a n i f o l d m o u n t e d i n -j e c t o r f o r e a c h c y l i n d e r .I n i t i a l l y , e l e c t r o n i c c o n t r o l s w e r e u s e d p r i m a r i l y f o r s p a r kt i m i n g , EGR c o n t r o l , a n d s e c o n d a r y a i r m a n a g e m e n t , b e c a u s eHC a n d CO e m i s s i o n s s t a n d a r d s c o u l d u s u a l l y b e m e t w i t hc o n v e n t i o n a l o x i d a t i o n c a t a l y s t s , a n d N O x e m i s s i o n s w e r ec o n t r o l l e d b y EGR t e c h n i q u e s . H o w e v e r , s t a r t i n g i n 1 9 7 8 ,w i t h t h e a d v e n t o f a t i g h t e n e d N O x e m i s s i o n s t a n d a r d ( f r o m2 g / m i t o 1 g / m i ) f o r 1 9 8 1 , a n d p r o j e c t e d f u t u r e g r a d i e n ta l t i t u d e c o m p e n s a t i o n r e q u i r e m e n t s , a u t o m a k e r s b e g a n t oa c c e l e r a t e t h e i r u s e o f e l e c t r o n i c s , t h r e e - w a y c a t a l y s t s , a n de l e c t r o n i c f u e l i n j e c t i o n . A t y p i c a l c l o s e d - l o o p f e e d b a c k -c a r b u r e t o r e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m i s d i a g r a m m e d i n F i g . 5 .T h e e s s e n t i a l c o m p o n e n t s o f a f e e d b a c k - c a r b u r e t o r ( F B C )c l o s e d - l o o p e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m t a r e a n e x h a u s t - g a so x y g e n s e n s o r , a f e e d b a c k ( c o n t r o l l e d A / F r a t i o ) c a r b u r e t o rw i t h v a c u u m m o d u l a t o r , a n e l e c t r o n i c c o n t r o l l e r , a n d a t h r e e -w a y c a t a l y t i c c o n v e r t e r . D u r i n g c l o s e d - l o o p o p e r a t i o n , t h ee l e c t r o n i c c o n t r o l u n i t m o n i t o r s t h e v o l t a g e o u t p u t o f t h eEGO s e n s o r a n d g e n e r a t e s a c o n t r o l s i g n a l t o t h e FBC v a c u u mm o d u l a t o r . T h i s s i g n a l i s o f c o n s t a n t c u r r e n t , w h i c h i s c o n -s t a n t l y c y c l i n g b e t w e e n o n a n d o f f ( d i t h e r i n g ) a t a f i x e d f r e -q u e n c y a n d v a r i a b l e d u t y c y c l e . T h e d u t y c y c l e ( o n - t i m e t oo f f - t i m e r a t i o ) i s a f u n c t i o n o f t h e EGO s e n s o r v o l t a g e .

A s t h e s e n s o r v o l t a g e i n c r e a s e s b e y o n d a r e f e r e n c e t h r e s h -o l d s e t p o i n t , t h e p r o p o r t i o n a l g a i n i m m e d i a t e l y c h a n g e s t h ed u t y c y c l e i n t h e d i r e c t i o n w h i c h w i l l m i n i m i z e t h e e r r o r .S i n c e t h e EGO s e n s o r o b s e r v e s A / F m i x t u r e c h a n g e s o n l y a f t e ra t i m e d e l a y ( d u e t o t h e i n d u c t i o n , c o m b u s t i o n , e x h a u s t p r o c -e s s ) , w h i c h c a n b e o v e r 0 . 5 s a t i d l e [ 5 ] , t h e p r o p o r t i o n a lt e r m a t t e m p t s t o c o m p e n s a t e f o r t h i s t i m e d e l a y b y t a k i n ga q u i c k s t e p p e d c h a n g e e a c h t i m e t h e EGO s e n s o r v o l t a g ec r o s s e s t h e s e t p o i n t . T h e d u t y c y c l e i s f u r t h e r c h a n g e d a t ac o n s t a n t r a t e ( i n t e g r a l g a i n ) t o m a i n t a i n a s t o i c h i o m e t r i ca i r - f u e l r a t i o o n t h e a v e r a g e , a n d t o m i n i m i z e t r a n s i e n t e r r o rd i s t u r b a n c e s . I n o p e n - l o o p o p e r a t i o n , t h e FBC v a c u u m m o d u -l a t o r i s d r i v e n b y a p r e d e t e r m i n e d d u t y c y c l e w h i c h v a r i e sd e p e n d i n g o n e n g i n e o p e r a t i n g c o n d i t i o n . Tw o a d d i t i o n a ls e n s o r s a r e n o r m a l l y u s e d t o h e l p m a i n t a i n r e g u l a t i o n d u r i n gc o l d - s t a r t a n d h e a v y - l o a d d r i v i n g c o n d i t i o n s , e n g i n e c o o l a n tt e m p e r a t u r e ( E C T ) a n d m an i f o l d a b s o l u t e p r e s s o r ( M A P ) .T h e e n g i n e c o o l a n t t e m p e r a t u r e s e n s o r , a t h e r m i s t o r , i su t i l i z e d t o a t t e n u a t e EGR f l o w d u r i n g l o w a n d a b n o r m a l l yh i g h e n g i n e t e m p e r a t u r e s t o i m p r o v e c o l d / h o t p e r f o r m a n c ea n d d r i v e a b i l i t y . I t i s t h e p r i m a r y i n p u t f o r o p e n - l o o p o p e r a -t i o n d u r i n g e n g i n e w a r m - u p . E n g i n e l o a d i s r e f l e c t e d i nc h a n g e s o f m a n i f o l d a b s o l u t e p r e s s u r e . When m a n i f o l d p r e s -s u r e i s c o m b i n e d w i t h a b a r o m e t r i c p r e s s u r e s e n s o r , a l t i t u d ec o m p e n s a t i o n a n d a m b i e n t d e n s i t y c h a n g e s a r e u s e d t o u p d a t es p a r k t i m i n g , EGR f l o w , a n d A / F r a t i o .A t y p i c a l c o n t r o l s t r a t e g y i s n o r m a l l y d i v i d e d i n t o t w o s e g -m e n t s , a n e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g y a n d a d i a g n o s t i c s e l f - t e s tp r o g r a m . F i g . 6 s h o w s t h e e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g y d i v i d e d i n t ot h r e e o p e r a t i n g m o d e s : c r a n k , u n d e r s p e e d , a n d r u n . T h e r u ns t r a t e g y i s o f p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e s i n c e i t c o n t a i n s t h e c o n -t r o l l o g i c f o r m o s t o f t h e e n g i n e o p e r a t i n g r e g i o n s . B a s e d o nt h r o t t l e p o s i t i o n , t h r e e r u n m o d e s a r e d e f i n e d : c l o s e d t h r o t t l e ,p a r t t h r o t t l e , a n d w i d e - o p e n t h r o t t l e . T h e s e t h r e e r u n m o d e s ,

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F L I S : MICROPROCESSORS FOR ELECTRONIC ENGINE CONTROL

CRANK

F I L T E R ST I M E R SC A L I B R A T I O N S

UNDER-SPEED

CLOSED THROTTLEWPART THROTTLEWIDE OPEN THROTTLE

F i g . 6 . O p e r a t i n g m o d e s f o r a t y p i c a l e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g y .TABLE I IOPERATING STATES FOR A FEEDBACK-CARBURETORENGINE CONTROL STRATEGY

T h r o i t l , F u e lP o p i t ) p p C o n t r o l S t a t e E n g U n eDOW L o o p of Al F . * [ O p 4 , 0 t 1 g E n g i n e T h o r . c t o r0 . M . o d s Mod. S y y . 1 0 , o R a w o C o n i l o b L o . d A l , ( T y p i l a )F e s t izto A c t - v a - , o R ' c h S t a r t S t a r tI d l e Mode tot r a n s l t s o n a l ~ ~ ~ ~ ~ Lht{ 8 r f l e d ~ ~ ~ ~ ~ L o a dP a r t C o s . e d E U da l a n c e d cLuUse M . d e r B t I n i P ed on...w.-T h r o U t l U L T U p (WsU.Pd- I n t o C a t a l y t i c C o n - e t e UMode Up )

c l o s e d - O p . . r r n T - . d n . l R , , c h Wi e L O t h t 8 y p a s . . d .T h r o t i f e L Q O p A d l . . t . o r ( U m - t - p r r p e d ) A t m o s p h e r eM o d e . S sy ' em L e e n orA U U U d U U P g D e p e n d p UP o e c e l . g s t , o n Model. n j e c t e d U p s t U e , mto E n g . n e on P U d P P d . . t ( P r o l o n g e d ) to Io E t . h . u s M - p , ) UL o a d ) E n g i . n L , g h l ( D e p * o d P n g onC s a b r r t on 3 In d v d u a l E n J g t n e

W , d e O p e n . T - l a ns o n . 1 R , c h Acc.l.w.on m o d e r a t e B y p a s s e d toO p e n L o o p ( A d i u . t . t h r u A t m l o s p h - rT h n f o t l e Mode S y s t e r C r o w dA c c . , d , , S I toto E . q n e H e U v yLU od ) = _ _ . _ . _ .. U _P U

i n c o m b i n a t i o n w i t h open- or c l o s e d - l o o p c o n t r o l , r e s u l t i n s i xf u e l s t a t e s :1 ) s t a r t - u p o p e n - l o o p s t a t e ;2 ) c l o s e d t h r o t t l e c l o s e d - l o o p s t a t e ;3 ) p a r t t h r o t t l e c l o s e d - l o o p s t a t e ;4 ) w i d e - o p e n t h r o t t l e o p e n - l o o p s t a t e ;5 ) c r o w d o p e n - l o o p s t a t e ; a n d6 ) h i g h - a i r f l o w o p e n - l o o p s t a t e .E a c h s t a t e w o u l d b e a c o m p l e t e s t r a t e g y m o d u l e , a n dc o n t r o l o f t h e s t a t e - t o - s t a t e t r a n s i t i o n s b e c o m e s a f u n d a -m e n t a l p a r t o f d e v e l o p i n g an o p t i m u m f u e l s t r a t e g y . T o e n t e r

a s t a t e , p r e c i s e c o n d i t i o n s must b e s a t i s f i e d ; once i n a g i v e ns t a t e , p r e c i s e c o n d i t i o n s must b e me t t o e x i t t h e s t a t e a n de n t e r a d i f f e r e n t s t a t e . T a b l e II l i s t s t h e t h r o t t l e p o s i t i o n f u e l -c o n t r o l s t a t e s f o r t h e f e e d b a c k - c a r b u r e t o r e l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m w i t h a t h r e e - w a y c a t a l y s t . A d d i t i o n a l f a c t o r s w h i c ha r e i m p o r t a n t i n t h e o v e r a l l c o n t r o l s t r a t e g y a r e : a d a p t i v e

EGO s t r a t e g y , t r a n s i e n t f u e l c o m p e n s a t i o n , a d a p t i v e f u e ls t r a t e g y , i g n i t i o n s t r a t e g y , EGR v a l v e c o n t r o l , a n d d i s t r i b u t o rr o t o r r e g i s t r y .A s i l l u s t r a t e d b y t h e f e e d b a c k - c a r b u r e t o r e l e c t r o n i c c o n -t r o l s y s t e m e x a m p l e , e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m s a r ei n t e n d e d t o p r o v i d e a m o r e o p t i n u m e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g yt h a n i s p o s s i b l e w i t h a s t r i c t l y m e c h a n i c a l s y s t e m . T h i s i sa c c o m p l i s h e d b y u s i n g a m i c r o p r o c e s s o r w h i c h i n t e r p r e t sd a t a f r o m a n u m b e r o f e n g i n e p a r a m e t e r s e n s o r s , a n d b a s e do n a c o n t r o l s t r a t e g y s t o r e d i n s e m i c o n d u c t o r m e m o r y ,g e n e r a t e s a p p r o p r i a t e o u t p u t c o n t r o l s i g n a l s t o a n u m b e r o fa c t u a t o r s .

V I . MICROPROCESSOR AND SEMICONDUCTORMEMORY FUNDAMENTALSM i c r o p r o c e s s o r s c o n t a i n t h e m a j o r c o m p u t a t i o n a l a n dc o n t r o l s e c t i o n s o f a d i g i t a l c o m p u t e r , c a l l e d t h e c e n t r a lp r o c e s s i n g u n i t ( C P U ) o n a s i n g l e i n t e g r a t e d c i r c u i t ( I C ) . As i m p l e CP U c o n t a i n s c o n t r o l c i r c u i t s f o r f e t c h i n g a n d e x e c u t -i n g i n s t r u c t i o n s , a n a r i t h m e t i c l o g i c u n i t f o r p e r f o r m i n go p e r a t i o n s o n d a t a , a n d r e g i s t e r s f o r s t o r i n g t e m p o r a r y r e s u l t s ,

d a t a , a n d p r o c e s s o r s t a t u s . T h e b l o c k d i a g r a m i n F i g . 7 i s as i m p l e d e s c r i p t i o n o f a m i c r o c o m p u t e r s y s t e m t h a t i d e n t i f i e si t s f o u r b a s i c f u n c t i o n a l p a r t s : m i c r o p r o c e s s o r , m e m o r y , i n p u t ,a n d o u t p u t . T h e m i c r o p r o c e s s o r ( a l s o c a l l e d t h e CPU o n ac h i p ) i s t h e b r a i n s o f t h e s y s t e m . T h e memory s t o r e s t h ep r o g r a m t o b e e x e c u t e d a n d may a l s o s t o r e d a t a . S i n c e a l lc o m p u t e r s n e e d t o e x c h a n g e i n f o r m a t i o n w i t h t h e o u t s i d ew o r l d , i n p u t a n d o u t p u t b l o c k s a r e n e e d e d . When a l l f o u ro f t h e s e f u n c t i o n s a r e i m p l e m e n t e d a n d c o n t a i n e d o n a s i n g l ei n t e g r a t e d c i r u c i t , we h a v e a m i c r o c o m p u t e r ; w h e n o n l y t h eCP U i s c o n t a i n ed o n a s i n g l e c h i p , w e h a v e a m i c r o p r o c e s s o r .A c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m c a n b e c o n s t r u c t e d u s i n g a s i n g l em i c r o c o m p u t e r c h i p ( c a l l e d a m i c r o c o m p u t e r - b a s e d s y s t e m ) ,

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IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL E L E C T R O N I C S , V O L . I E - 3 0 , N O . 2 , MAY 1 9 8 3

F i g . 7 . M i c r o c o m p u t e r b l o c k d i a g r a m .o r i t c a n b e c o n f i g u r e d u s i n g a m i c r o p r o c e s s o r I C , s u p p o r tm e m o r y , a n d i n p u t - o u t p u t I C ' s ( c a l l e d a m i c r o p r o c e s s o r -b a s e d s y s t e m ) . T h e k e y f e a t u r e t o r e c o g n i z e i n F i g . 7 i s t h ea d d r e s s , d a t a , a n d c o n t r o l b u s s t r u c t u r e t h a t c o n n e c t s t h ef o u r f u n c t i o n a l b l o c k s i n p a r a l l e l . A b u s i s s i m p l y a b u n d l eo f i n t e r c o n n e c t i n g w i r e s f o r t r a n s f e r r i n g i n f o r m a t i o n . B u s s e sa r e n o r m a l l y i d e n t i f i e d b y t h e c a t e g o r y o f i n f o r m a t i o n t h e yt r a n s f e r , i . e . , a d d r e s s , d a t a , a n d c o n t r o l . T h e t o t a l n u m b e r o fw i r e s i n c l u d e d i n a g i v e n b u s v a r i e s d e p e n d i n g o n t h e s y s t e m .T h e m i c r o p r o c e s s o r u s e s t h e a d d r e s s b u s t o l o c a t e d a t as t o r e d i n memory o r t o i d e n t i f y s p e c i f i c i n p u t s a n d o u t p u t s .O n e c a n l i t e r a l l y t h i n k o f a d d r e s s e s a s p o s t o f f i c e b o x n u m -b e r s t h a t i d e n t i f y l o c a t i o n s i n w h i c h d a t a i s s t o r e d . N o t i c et h a t a l l a d d r e s s e s o r i g i n a t e f r o m t h e m i c r o p r o c e s s o r a n d g e tb r o a d c a s t t o t h e r e m a i n i n g f u n c t i o n a l b l o c k s , i . e . , t h e a d d r e s sb u s i s u n i d i r e c t i o n a l . O n c e a l o c a t i o n i s s p e c i f i e d v i a a na d d r e s s o n t h e a d d r e s s b u s , d a t a i s t r a n s f e r r e d o n t h e d a t a b u s .I n f o r m a t i o n c a n t r a v e l o n t h e d a t a b u s i n e i t h e r d i r e c t i o n -f r o m t h e m i c r o p r o c e s s o r t o o t h e r e l e m e n t s ( c a l l e d a W R I T Eo p e r a t i o n ) , o r f r o m o t h e r e l e m e n t s i n t o t h e m i c r o p r o c e s s o r( c a l l e d a READ o p e r a t i o n ) . T h e d a t a b u s i s , t h e r e f o r e , b i d i r e c -t i o n a l .A t h i r d b u s , c a l l e d t h e c o n t r o l b u s , c o n s i s t s o f s i g n a l su s e d b y t h e m i c r o p r o c e s s o r t o d i r e c t o r c o n t r o l t h e o p e r a t i o na n d s e q u e n c i n g o f o p e r a t i o n s b e t w e e n i t s e l f a n d o n e o f t h eo t h e r f u n c t i o n a l e l e m e n t s .M i c r o p r o c e s s o r s h a n d l e i n f o r m a t i o n i n b i n a r y d i g i t f o r m .A s i n g l e d i g i t o f b i n a r y i n f o r m a t i o n ( 0 o r 1 ) i s c a l l e d a b i t , b u tm o s t m i c r o p r o c e s s o r s h a n d l e d a t a a s g r o u p s o f b i t s c a l l e d aw o r d . D e p e n d i n g o n t h e i n d i v i d u a l m i c r o p r o c e s s o r a w o r dc o u l d b e 4 b i t s , 8 b i t s , 1 6 b i t s , o r 3 2 b i t s i n l e n g t h . An 8 - b i tw o r d i s c a l l e d a b y t e a n d a 1 6 - b i t w o r d i s c a l l e d a d o u b l e -b y t e .T h e f i r s t m i c r o p r o c e s s o r , t h e 4 0 0 4 a 4 - b i t m a c h i n e ) , w a si n t r o d u c e d i n 1 9 7 1 b y I n t e l C o r p o r a t i o n . T e n y e a r s l a t e r( N o v e m b e r 1 9 8 1 ) , E l e c t r o n i c D e s i g n N e w s m a g a z i n e l i s t e d 4 6c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e m i c r o p r o c e s s o r s o f v a r i o u s w o r d l e n g t h sf r o m 4 t o 3 2 b i t s . T h i s l i s t d i d n o t i n c l u d e t h e l a r g e n u m b e r o fc u s t o m d e v i c e s u s e d f o r d e d i c a t e d c o n s u m e r , i n d u s t r i a l , o rm i l i t a r y a p p l i c a t i o n s . T h e s e m a c h i n e s v a r y c o n s i d e r a b l y i nc a p a b i l i t y n o t o n l y i n w o r d l e n g t h b u t i n i n t e r n a l a r c h i t e c t u r e ,a s w e l l a s i n t h e t o t a l n u m b e r o f i n p u t / o u t p u t p o r t s t h e yc o n t a i n .S o m e k n o w l e d g e o f t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e a n d o p e r a t i o n o fa t y p i c a l m i c r o p r o c e s s o r i s u s e f u l i n u n d e r s t a n d i n g a s y s t e m ' so p e r a t i o n . F i g . 8 s h o w s t h e s i m p l i f i e d b l o c k d i a g r a m o f a n

F i g . 8 . B l o c k d i a g r a m o f a s i m p l i f i e d 8 - b i t m i c r o p r o c e s s o r .

. ( 1 / 0 )

F i g . 9 . C o m p u t e r memory v i e w e d a s a c o l l e c t i o n o f s t o r a g e l o c a -t i o n s .

I n t e l 8 0 8 5 ( 8 - b i t ) m i c r o p r o c e s s o r [ 6 ] . T h e a c c u m u l a t o r i st h e f o c u s o f many i n t e r n a l d a t a o p e r a t i o n s a n d c o n n e c t s t h ed a t a b u s t o o n e i n p u t o f t h e A r i t h m e t i c a n d L o g i c U n i t ( A L U ) .A t e m p o r a r y r e g i s t e r c o n n e c t s t o t h e s e c o n d ALU i n p u t .I n e s s e n c e , t h e ALU o p e r a t e s o n o n e o p e r an d ( a c c u m u l a t o ri n p u t ) o r t w o o p e r a n d s ( a c c u m u l a t o r a n d t e m p o r a r y r e g i s t e ri n p u t s ) a n d d e p o s i t s t h e r e s u l t s o f t h e s e o p e r a t i o n s i n t o t h ea c c u m u l a t o r , o r p l a c e s t h e m o n t h e d a t a b u s f o r u s e o r s t o r a g ee l s e w h e r e .B e f o r e c o n t i n u i n g w i t h t h e d i s c u s s i o n o n t h e i n t e r n a ls t r u c t u r e a n d o p e r a t i o n o f a m i c r o p r o c e s s o r , a r e v i e w o fc o m p u t e r memory c o n c e p t s i s r e q u i r e d . C o n c e p t u a l l y , mem-o r y c a n b e v i e w e d a s a c o l l e c t i o n o f s t o r a g e l o c a t i o n s c a l l e dr e g i s t e r s , w h i c h a r e e a c h i n d i v i d u a l l y s e l e c t a b l e b y u s i n g a n -o t h e r r e g i s t e r . When a c c e s s i n g d a t a s t o r e d i n a p a r t i c u l a rr e g i s t e r , a n m - b i t b i n a r y n u m b e r , c a l l e d t h e a d d r e s s , i s p l a c e di n a n a d d r e s s r e g i s t e r ( F i g . 9 ) . T h i s a d d r e s s r e g i s t e r h a s a nm - b i t c a p a c i t y a n d c a n s e l e c t 2M i n d i v i d u a l r e g i s t e r s . O n c ea s t o r a g e r e g i s t e r i s s e l e c t e d , n - b i t s o f d a t a c a n b e s t o r e d( w r i t e ) o r r e t r i e v e d ( r e a d ) . I n g e n e r a l , s t o r a g e c o n s i s t s o f a na r r a y o f r e g i s t e r s w i t h a p a i r o f a d d r e s s a n d d a t a i n t e r f a c er e g i s t e r s . T h e i n p u t a n d o u t p u t p o r t s may b e c o n s i d e r e d a s a ne x t e n s i o n o f t h i s s t o r a g e c o n c e p t , w i t h t h e p r i m a r y d i f -f e r e n c e b e i n g t h e a c c e s s i b i l i t y o f t h e s e l e c t e d r e g i s t e r s t o t h e

8 0MICROCOMPUTER

r- - - 71 ADDRESS BU S - I I

OUTPUTS. u 1DATA

CONTROL BUS



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F L I S : MICROPROCESSORS FOR ELECTRONIC ENGINE CONTROLo u t s i d e w o r l d . D a t a s t o r e d i n memory u s u a l l y c o n s i s t s o f t h r e et y p e s o f i n f o r m a t i o n : i n s t r u c t i o n s ( o r o p e r a t i o n c o d e s ) f o r t h em i c r o p r o c e s s o r , n u m e r i c a l b i n a r y d a t a ( o r o p e r a n d s ) f o rm a n i p u l a t i o n b y t h e m i c r o p r o c e s s o r , a n d o t h e r u s e r d e f i n e dd a t a e . g . , a l p h a b e t i c c h a r a c t e r s o r s y m b o l s ) . T h e d i s t i n c t i o nb e t w e e n d a t a a n d i n f o r m a t i o n i s i m p o r t a n t : M i c r o p r o c e s s o r sp r o c e s s d a t a ; w h e n m e a n i n g i s a t t a c h e d t o d a t a i t b e c o m e si n f o r m a t i o n ; h u m a n s p r o c e s s i n f o r m a t i o n [ 7 ] .R e t u r n i n g t o F i g . 8 , t h e c o n t r o l a n d t i m i n g l o g i c , i n s t r u c -t i o n d e c o d e r , p r o g r a m c o u n t e r , a n d i n s t r u c t i o n r e g i s t e r a r eu s e d t o o b t a i n ( f e t c h ) c o m m a n d s ( i n s t r u c t i o n s ) a n d d a t af r o m s t o r a g e ( m e m o r y ) a n d t o p e r f o r m t h e p r e s c r i b e d o p e r a -t i o n ( s ) ( e x e c u t e ) o n t h e p r e s c r i b e d o p e r a n d ( s ) ( d a t a ) . I ng e n e r a l , t h e m i c r o p r o c e s s o r , o n c e i n i t i a t e d t o a s t a r t i n g a d -d r e s s , w i l l r e a d s e q u e n t i a l l o c a t i o n s t h r o u g h m e m o r y a n d p e r -f o r m t h e p r e s c r i b e d o p e r a t i o n s . F o u r b a s i c o p e r a t i o n s a r ep e r f o r m e d : 1 ) r e a d d a t a f r o m m e m o r y o r a n i n p u t p o r t , 2 )w r i t e d a t a t o memory o r a n o u t p u t p o r t , 3 ) p e r f o r m a n i n -t e r n a l o p e r a t i o n , a n d 4 ) t r a n s f e r p r o g r a m c o n t r o l .

V I I . SEMICONDUCTOR MEMORY TYPESM e m o r y o r g a n i z a t i o n r e l a t e s t o i n t e r n a l memory c a p a c i t ya n d s t r u c t u r e . F i g . 1 0 s h o w s e i g h t memory s t o r a g e l o c a t i o n s ,w h e r e i n e a c h l o c a t i o n c a n s t o r e o n e b y t e ( 8 b i t s ) o f d a t a .I n t e r m s o f t o t a l s t o r a g e c a p a c i t y t h i s s t r u c t u r e c a n s t o r e 6 4b i t s ( 8 l o c a t i o n s X 8 b i t s p e r l o c a t i o n ) . I n t e r m s o f memoryo r g a n i z a t i o n , i t w o u l d b e d e s c r i b e d a s a n 8 X 8 s t r u c t u r ew h e r e t h e f i r s t n u m n b e r i d e n t i f i e s t h e t o t a l n u m b e r o f l o c a -t i o n s , a n d t h e s e c o n d n u m b e r r e p r e s e n t s t h e n u m b e r o f b i t ss t o r e d i n e a c h l o c a t i o n . O t h e r memory o r g a n i z a t i o n s , e a c hh a v i n g a t o t a l s t o r a g e c a p a c i t y o f 6 4 b i t s w o u l d b e : 6 4 X 1 ,3 2 X 2 , o r 1 6 X 4 . M e m o r y o r g a n i z a t i o n r e f e r s t o i n d i v i d u a ls e m i c o n d u c t o r memory I C ' s , o r t o memory s y s t e m s . M o s tmemory I C ' s a n d s y s t e m s a r e b y t e - w i d e ( t h a t i s , e a c h l o c a t i o ns t o r e s o n e b y t e ) r e g a r d l e s s o f t h e m i c r o p r o c e s s o r ' s w o r dl e n g t h . I t i s n o t uncommon t o s e e 1 6 - a n d 3 2 - b i t m i c r o p r o c c -e s s o r s u s i n g b y t e - w i d e m e m o r y s y s t e m s . A s t h e n u m b e r o fm e m o r y l o c a t i o n s i n c r e a s e s , u s u a l l y b y p o w e r s o f t w o , a s h o r t -h a n d n o t a t i o n i s u s e d . T h e l e t t e r K i s u s e d a s a s u f f i x f o rl a r g e r n u m b e r s a n d i t r e p r e s e n t s 2 1 0 o r 1 0 2 4 , e . g . , 8K = 8 1 9 2a i n d 16K- 1 6 3 8 4 .S e m i c o n d u c t o r m e m o r i e s c a n b e c l a s s i f i e d m a n y d i f f e r e n tw a y s ( F i g . 1 1 ) . S o m n e e x a m p l e s a r e : s e r i a l a c c e s s v e r s u s r a n d o ma c c e s s , v o l a t i l e v e r s u s n o n v o l a t i l e , a n d p r o g r a m memoryv e r s u s d a t a m e m u o r y . T h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n s e r i a l a n d r a n -d o m i i r e l a t e s t o a c c e s s t i m e , t h e t i m e r e q u i r e d t o r e c e i v e v a l i dd a t a f r o m a m e m o r y d e v i c e a f t e r i t h a s b e e n a c c e s s e d a n d ar e a d s i g n a l i s g i v e n . F o r s e r i a l - a c c e s s m e m o r i e s , t h e a c c e s st i m e i s v a r i a b l e a n d i s a f u n c t i o n o f t h e l o c a t i o n o f t h e d a t ai n m e m o r y . F o r r a n d o m - a c c e s s m e m o r i e s , t h e a c c e s s t i m e i se s s e n t i a l l y a c o n s t a n t ( a n o m i n a l t o l e r a n c e ) a n d i s i n d e p e n d -e n t o f t h e l o c a t i o n o f t h e d a t a i n m e m o r y . E x a m p l e s o f s e r i a l -a c c e s s m e m o r i e s a r e : s h i f t r e g i s t e r s , c h a r g e - c o u p l e d d e v i c e s ,a n d m a g n e t i c - b u b b l e m e m o r i e s . M i c r o p r o c e s s o r s y s t e m sn o r m a l l y u t i l i z e r a n d o m - a c c e s s m e m o r i e s f o r d a t a s t o r a g e .T h e r a n d o m - a c c e s s memory ( R A M ) i s a l s o c a l l e d r e a dw r i t e memory (RWM) b e c a u s e d a t a c a n b e w r i t t e n i n t o o rr e a d f r o m a n y l o c a t i o n i n m e m o r y . W i t h RAM, t h e i n t e r n a l

s t o r a g e s t r u c t u r e c a n b e s t a t i c o r d y n a m i c . T h e t e r m s t a t i c

REGISTER MEMORY m - BI TNUMBER ADDRESS ADDRESS0 0 00 01 1 0 0 12 2 0 1 03 3 O i l4 4 1 05 5 1 0 16 6 1 1 07 7 1 1 1

MEMORYCONTENTS( D A T A )

F i g . 1 0 . Memory o r g a n i z a t i o n : 2m l o c a t i o n s b y n - b i t s p e r l o c a t i o n .S E R I A LACCESSMEMORY

t S I NRANDOMACCESSMEMORY( R A M )__

S T A T I C DNAC

Ns 'CMOSW I T H B A T T E R Y -,B A C K - U PI \ s S

N O N - V O L A T I L E

F i g . 1 1 . S e m i c o n d u c t o r memory c l a s s i f i c a t i o n s .m e a n s t h a t o n c e d a t a i s s t o r e d i t i s l a t c h e d a s a v o l t a g e l e v e l ,a n d t h e d a t a w i l l b e r e t a i n e d a s l o n g a s p o w e r i s a p p l i e d t ot h e memory a r r a y . A n o t h e r s t r u c t u r e , c a l l e d d y n a m i c , i sg e n e r a l l y f a s t e r a n d u s e s l e s s p o w e r t h a n s t a t i c memory c i r -c u i t s , b u t d a t a i s s t o r e d a s a c h a r g e o n a c a p a c i t o r . T h e c h a r g ec a n l e a k o f f v e r y q u i c k l y a n d m u s t b e p e r i o d i c a l l y r e f r e s h e do r r e c h a r g e d t o m a i n t a i n d a t a . T h i s r e q u i r e m e n t n o r m a l l y a d d so p e r a t i n g a n d d e s i g n c o m p l e x i t y t o t h e d e v i c e a n d / o r memorys y s t e m , a n d i s a t r a d e o f f a g a i n s t h i g h e r s p e e d a n d l o w e r p o w e rc o n s u m p t i o n . T h e m a j o r a d v a n t a g e o f d y n a m i c RAM d e v i c e so v e r s t a t i c R A M ' s i s d e n s i t y ( o r o n - c h i p b i t c a p a c i t y ) ; t o d a y ,2 5 6 K - b i t d y n a m i c R A M ' s a r e b e i n g s a m p l e d b y t h e s e m i -c o n d u c t o r i n d u s t r y , w h i l e s t a t i c RAM d e n s i t y i s a t t h e 6 4K - b i t l e v e l . A l l R A M ' s , s t a t i c o r d y n a m i c , a r e v o l a t i l e , i . e . ,t h e y l o s e d a t a w h e n p o w e r i s r e m o v e d f r o m t h e d e v i c e . Mem-o r y d e v i c e s t h a t r e t a i n t h e i r s t o r e d d a t a w h e n p o w e r i s r e -m o v e d a r e n o n v o l a t i l e . N o n v o l a t i l i t y i s a n o b v i o u s s ys t e ma d v a n t a g e f o r memory d e v i c e s . ( F i g . 1 1 i l l u s t r a t e s , u s i n gc r o s s h a t c h i n g , w h i c h memory d e v i c e s a r e n o n v o l a t i l e . ) R A M ' sa r e u s e d i n a m i cr o p r o c e s so r s ys t e m t o s t o r e v a r i a b l e d a t aw h i c h i s c o n s t a n t l y b e i n g m o d i f i ed a n d w h i c h , g e n e r a l l y , c a nb e r e g e n e r a t e d d u r i n g e a c h p r o g r a m e x e c u t i o n a s r e q u i r e d .C o n s e q u e n t l y , a RAM i s o f t e n c a l l e d d a t a s t o r a g e b y a n e l e c -t r o n i c s y s t e m e n g i n e e r .

A n o t h e r b a s i c c a t e g o r y o f s e m i c o n d u c t o r memory i s c a l l e d

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IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL E L E C T R O N I C S , V O L . I E - 3 0 , N O . 2 , MAY 1 9 8 3r e a d o n l y m e m o r y ( R O M ) . R O M ' s a r e p e r m a n e n t l y o r s e m i -p e r m a n e n t l y p r o g r a m m e d , d u r i n g m a n u f a c t u r e b y t h e m e m o r ys u p p l i e r o r a f t e r d e l i v e r y b y t h e u s e r , t o c o n t a i n p r e d e t e r -m i n e d d a t a w h i c h , d u r i n g s y s t e m o p e r a t i o n , c a n b e r e a do n l y . R e a d o n l y m e m o r i e s , b y d e f i n i t i o n , a r e c a t e g o r i c a l l yr a n d o m - a c c e s s d e v i c e s , b u t t h e a c r o n y m RAM i s r e s e r v e de x c l u s i v e l y t o r e f e r t o t h e r e a d - w r i t e m e m o r y d e v i c e . B y t h e i rn a t u r e , a l l R O M ' s a r e n o n v o l a t i l e . R e a d o n l y m e m o r y i s a n a -l o g o u s t o a r e f e r e n c e b o o k . T h e i n f o r m a t i o n i t c o n t a i n s i sa c c e s s i b l e , b u t f o r a l l p r a c t i c a l p u r p o s e s , u n a l t e r a b l e . ROMi s u s e d f o r p r o g r a m s t o r a g e a n d i s o f t e n c a l l e d p r o g r a m mem-o r y .R O M ' s a r e a v a i l a b l e i n s e v e r a l f o r n s : 1 ) m a s k - p r o g r a m m e dr e a d o n l y m e m o r y (ROM o r M R O M ) ; 2 ) p r o g r a m m a b l e r e a do n l y m e m o r y ( P R O M ) ; 3 ) e r a s a b l e p r o g r a m m a b l e r e a d o n l ym e m o r y ( E P R O M ) ; a n d 4 ) e l e c t r i c a l l y a l t e r a b l e r e a d o n l ym e m o r y ( E A R O M ) .W i t h a ROM ( o r M R O M ) , d a t a i s p r o g r a m m e d o n l y o n c e ,b y t h e m e m o r y s u p p l i e r , w h e n t h e ROM i s m a n u f a c t u r e d .T h e r e i s n o r m a l l y a o n e - t i m e t o o l i n g e x p e n s e t o g e n e r a t e t h em a s k u s e d t o p r o g r a m t h e ROM. R O M ' s a r e u s e d i n r e l a t i v e l yh i g h - v o l u m e p r o d u c t s b e c a u s e t h e y a r e t h e l e a s t e x p e n s i v e a n dh a v e t h e h i g h e s t b i t c a p a c i t y ( d e n s i t y ) . H o w e v e r , t h e r e i s at u r n a r o u n d t i m e o f t y p i c a l l y 6 t o 1 6 w e e k s , d e p e n d i n g o nv o l u m e a n d s u p p l i e r , f r o m t r a n s f e r o f a ROM c o d e t o t h es u p p l i e r a n d r e c e i p t o f t h e f i r s t ROM s h i p m e n t . I n R O M ' s ,m a n y c o m p a n i e s o f f e r 6 4 K - b i t v e r s i o n s , w i t h 1 2 8 K - b i t a n d2 5 6 K - b i t c h i p s e x p e c t e d s o o n .A PROM i s s i m i l a r t o a ROM s i n c e i t c a n o n l y b e p r o -g r a m m e d o n c e ; t h e c u s t o m e r p r o g r a m s t h e PROM u s i n g al a b i n s t r u m e n t c a l l e d a PROM p r o g r a m m e r . T y p i c a l l y , aPROM d e v i c e i s m a n u f a c t u r e d w i t h a l l d a t a b i t s s e t t o 1 s ;t h e u s e r t h e n p r o g r a m s s e l e c t e d d a t a b i t s t o 0 s b y l i t e r a l l yu s i n g e x c e s s i v e e l e c t r i c a l c u r r e n t t o b l o w t i n y f u s e e l e m e n t sw i t h i n t h e PROM. PROM d e n s i t i e s h a v e r e a c h e d t h e 6 4 K - b i tl e v e l .An EPROM i s s i m i l a r t o a PROM t h a t c a n b e r e u s e d .M o s t E P R O M ' s a r e e r a s e d b y r e m o v i n g t h e m f r o m t h e c i r -c u i t a n d e x p o s i n g t h e m t o a n u l t r a v i o l e t l i g h t s o u r c e . E P R O M ' sa r e p r o g r a m m e d u s i n g a PROM p r o g r a m m e r a n d a r e u s e d f o rp r o t o t y p e s y s t e m s o r s m a l l - v o l u m e p r o d u c t i o n r u n s . Tw os u p p l i e r s c u r r e n t l y o f f e r 1 2 8 K - b i t E P R O M ' s , a n d I n t e l i se x p e c t e d t o h a v e a 2 5 6 K - b i t v e r s i o n i n e a r l y 1 9 8 3 [ 8 ] .An EAROM i s s i m i l a r t o a n EPROM t h a t c a n b e e r a s e d a n dr e p r o g r a m m e d i n c i r c u i t b y e l e c t r i c a l m e a n s . E A R O M ' s p e r m i ts m a l l s e c t i o n s o f t h e m e m o r y t o b e e r a s e d a n d r e p r o g r a m m e d .H o w e v e r , t h e y h a v e t h e s m a l l e s t b i t c a p a c i t y a n d a r e t h e m o s te x p e n s i v e o f t h e f o u r t y p e s d i s c u s s e d .

V I I I . INSTRUCTION S E T / A D D R E S S I N G MODESF o r t h e p u r p o s e o f u n d e r s t a n d i n g t h e f o l l o w i n g m a t e r i a l ,a s s u m e a t y p i c a l 8 - b i t m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m w i t h a 1 6 - b i ta d d r e s s b u s a n d s i n g l e - a c c u m u l a t o r a r c h i t e c t u r e , a s p r e v i o u s l yd i s c u s s e d i n F i g . 8 . A m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m m u s t b e p r o g r a m -med b y t h e u s e r t o p e r f o r m t h e d e s i r e d f u n c t i o n s a n d o p e r a -t i o n s u s i n g a p r e d e f i n e d i n s t r u c t i o n s e t a n d a d d r e s s i n g m o d e sf o r t h e p a r t i c u l a r m a c h i n e . E v e r y m i c r o p r o c e s s o r i s d e s i g n e dt o r e c o g n i z e a s p e c i f i c g r o u p o f b i n a r y c o d e s c a l l e d t h e i n s t r u c -

I N P U T PORTS L MEMORY OUTPUT PORTSF i g . 1 2 . M i c r o c o m p u t e r v i e w e d a s a c o l l e c t i o n o f r e g i s t e r s a n d s t o r a g el o c a t i o n s .t i o n s e t . T y p i c a l l y , f o r a n 8 - b i t s y s t e m , a n i n s t r u c t i o n c a n b eo n e , t w o , o r t h r e e b y t e s l o n g . E a c h i n s t r u c t i o n , r e g a r d l e s s o fl e n g t h , b e g i n s w i t h a n 8 - b i t o p e r a t i o n c o d e ( o p c o d e ) t h a tu n i q u e l y s p e c i f i e s t h e o p e r a t i o n t o b e p e r f o r m e d . D u r i n ge x e c u t i o n t h e o p c o d e i s d e c o d e d b y t h e i n s t r u c t i o n r e g i s t e r( I R ) ( F i g . 1 2 ) , a n d p r o v i d e s i n f o r m a t i o n u s e d b y t h e c o n t r o la n d l o g i c t i m i n g s e c t i o n t o g e n e r a t e t h e n e c e s s a r y s e q u e n c e o fi n t e r n a l o p e r a t i o n s w h i c h i m p l e m e n t t h e i n s t r u c t i o n . F o l l o w -i n g t h e o p c o d e a r e z e r o , o n e , o r t w o a d d i t i o n a l b y t e s , t h ei n s t r u c t i o n o p e r a n d ( s ) t h a t a r e e i t h e r c o n s t a n t s o r a d d r e s s e s .I t i s common t o d i v i d e t h e i n s t r u c t i o n s e t i n t o g r o u p s o ff u n c t i o n a l l y s i m i l a r i n s t r u c t i o n s . F o u r c o m m o n l y u s e d g r o u p sa r e : 1 ) m e m o r y r e f e r e n c e i n s t r u c t i o n s ;2 ) a r i t h m e t i c a n d l o g i c i n s t r u c t i o n s ;3 ) p r o g r a m c o n t r o l i n s t r u c t i o n s ; a n d4 ) s t a c k a n d m a c h i n e c o n t r o l / s t a t u s i n s t r u c t i o n s .I n s t r u c t i o n s i n t h e f i r s t g r o u p i n v o l v e t h e a c c u m u l a t o r a n dm e m o r y ; t h e l o a d a n d s t o r e d a t a i n s t r u c t i o n s a r e t h e m o s tcommon e x a m p l e s . T h e s e c o n d g r o u p c o n s i s t s o f t h e v a r i o u sa r i t h m e t i c a n d l o g i c a l i n s t r u c t i o n s . T h e t h i r d g r o u p i s u s e d t om a i n t a i n t h e i n t e r n a l s t a c k a n d c o n t r o l f l a g s . I n s t r u c t i o n s i nt h e l a s t g r o u p c a n c o n d i t i o n a l l y o r u n c o n d i t i o n a l l y a l t e r t h ep r o g r a m e x e c u t i o n s e q u e n c e b y c h a n g i n g t h e v a l u e i n t h e p r o -g r a m c o u n t e r .S i n c e a m i c r o p r o c e s s o r , w h e n i t i s n o t a c t u a l l y p r o c e s s i n gd a t a , s p e n d s m o s t o f i t s t i m e l o c a t i n g d a t a s t o r e d i n m e m o r y ,i n s t r u c t i o n s a r e a l s o c a t e g o r i z e d b y t h e m e t h o d t h e y u s e t o 6 a d d r e s s o r l o c a t e t h e i r o p e r a n d s . F i v e common a d d r e s s i n gm o d e s a n d t h e i r d e s c r i p t i o n s f o l l o w .1 ) I n h e r e n t A d d r e s s i n g : A 1 - b y t e i n s t r u c t i o n w h e r e i n t h el o c a t i o n o f t h e o p e r a n d i s i n h e r e n t i n t h e o p c o d e i t s e l f e . g . ,c l e a r a c c u m u l a t o r , i n c r e m e n t s t a c k p o i n t e r ) .2 ) I m m e d i a t e A d d r e s s i n g : T h e o p e r a n d i m m e d i a t e l y f o l -l o w s t h e o p c o d e . I f a n 8 - b i t o p e r a n d i s r e q u i r e d , i t i s c o n -t a i n e d i n t h e b y t e f o l l o w i n g t h e o p c o d e ; i f a 1 6 - b i t o p e r a n d

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F L I S : MICROPROCESSORS FOR ELECTRONIC ENGINE CONTROLi s r e q u i r - e d , i t i s c o n t a i n e d i n t h e n e x t two b y t e s f o l l o w i n g t h eo p c o d e .3 ) A b s o l u t e A d d r e s s i n g : A t h r e e - b y t e i n s t r u c t i o n w h e r e i nt h e two b y t e s f o l l o w i n g t h e o p c o d e c o n t a i n an a b s o l u t e 1 6 -b i t a d d r e s s . T h e a d d r e s s l e n g t h i m p l i e s t h e maximum amounto f memory t h a t can b e a c c e s s e d . ( A 1 6 - b i t a d d r e s s can a c c e s s2 1 6 o r 64K m e m o r y l o c a t i o n s . )4 ) I n d i r e c t A d d r e s s i n i g : T h e a d d r e s s o f t h e o p e r a n d i s c o n -t a i n e d i n a 1 6 - b i t i n t e r n a l r e g i s t e r , i . e . , an i n d e x r e g i s t e r .5 ) R e l a t i v e A d d r e s s i n g : An 8 - b i t v a l u e , c o n t a i n e d i n t h eb y t e f o l l o w i n g t h e o p c o d e , i s a d d e d t o t h e c u r r e n t v a l u e o ft h e p r o g r a m c o u n t e r t o m o d i f y p r o g r a m f l o w .M a n y o t h e r a d d r e s s i n g m o d e s s u c h a s d i r e c t a d d r e s s i n g ,p a g e d a d d r e s s i n g , b a s e d a d d r e s s i n g , a n d b as ed i n d e x e d a d d r e s -s i n g a r e u s e d w i t h o t h e r m i c r o p r o c e s s o r a r c h i t e c t u r e s t o r e -d u c e t h e t o t a l n u m b e r o f i n s t r u c t i o n s r e q u i r e d i n a p r o g r a ma n d , c o n s e q u e n t l y , t h e n u m b e r o f memory l o c a t i o n s n e e d e d t os t o r e t h e p r o g r a m .

I X . I N P U T / O U T P U T ORGANIZATIONT h e r e a r e two b a s i c i n p u t / o u t p u t I / O ) o r g a n i z a t i o n s i ncommon use t o d a y : m e m o r y - m a p p e d a n d i s o l a t e d . F o r mem-o r y - m a p p e d s y s t e m s , i n p u t / o u t p u t d e v i c e s a r e a s s i g n e d a d -d r e s s e s a s t h o u g h t h e y we re m e m o r y . T y p i c a l l y , a p o r t i o no f t h e t o t a l memory s p a c e i s r e s e r v e d b y t h e s y s t e m d e s i g n e rf o r I / O d e v i c e s . No s p e c i a l I / O i n s t r u c t i o n s a r e r e q u i r e d , a n dt h e n o r m a l m e m o r y r e f e r e n c e i n s t r u c t i o n s c a n b e u s e d t oh a n d l e I / O d a t a m a n i p u l a t i o n s a n d t r a n s f e r s . C o n c e p t u a l l y ,t h i s a p p r o a c h i s s i m p l e , b u t i t h a s s e v e r a l d i s a d v a n t a g e s : p a r to f t h e memory s p a c e i s no l o n g e r a v a i l a b l e f o r m e m o r y , i n t e r -f a c e s c o u l d n e e d more c i r c u i t r y t o r e c o g n i z e l o n g e r a d d r e s s e s ,a n d memory r e f e r e n c e i n s t r u c t i o n s ca n b e l o n g e r a n d c o u l de x e c u t e m o r e s l o w l y t h a n o p t i m i z e d I / O i n s t r u c t i o n s .I n an i s o l a t e d I / O s y s t e m , a n u m b e r o f I / O r e g i s t e r s ( o rp o r t s ) c o e x i s t w i t h m e m o r y a t s p e c i f i c l o c a t i o n s , a n d s p e c i a lI / O i n s t r u c t i o n s a r e u s e d s u c h a s I N p o r t ) , t o t r a n s f e r d a t af r o m an i n p u t p o r t t o an a c c u m u l a t o r , a n d OUT p o r t ) , t ot r a n s f e r d a t a f r o m an a c c u m u l a t o r t o an o u t p u t p o r t . T h i sm e t h o d r e q u i r e s a u n i q u e c o n t r o l l i n e t h a t s i g n a l s w h e n av a l u e on t h e a d d r e s s b u s r e f e r s t o a c t u a l memory o r t o a nI / O p o r t . I / O i n s t r u c t i o n s a r e g e n e r a l l y s h o r t e r a n d f a s t e r ,n o memory s p a c e i s u s e d u p f o r I / O d e v i c e s , a n d p o t e n t i a l l ys i m p l e r i n t e r f a c e c i r c u i t r y a r e a f e w o f t h e a d v a n t a g e s o f i s o -l a t e d I / O . Tw o d i s a d v a n t a g e s a r e t h a t a d d i t i o n a l o p c o d e s a r en e e d e d , a n d t h e t o t a l n u m b e r o f I / O p o r t s i s l i m i t e d .

X . INTERRUPT STRUCTURESB a s i c a l l y , an i n t e r r u p t i s an i n t e r n a l o r e x t e r n a l e v e n tt h a t s i g n a l s t h e m i c r o p r o c e s s o r t o t e m p o r a r i l y s u s p e n d c u r -r e n t p r o g r a m e x e c u t i o n a n d t o i n i t i a t e e x e c u t i o n o f s p e c i a lc o d e c a l l e d an i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e ) d e s i g n e d t o r e a c tt o t h e s p e c i f i c i n t e r r u p t . M o s t m i c r o p r o c e s s o r s no w h a n d l em u l t i p l e i n t e r r u p t s a n d c o n t a i n c o m p l e x p r i o r i t i z a t i o n c i r -c u i t r y t o m a i n t a i n c o n t r o l o v e r s i m u l t a n e o u s i n t e r r u p t s o r t h ep o t e n t i a l s i t u a t i o n w h e r e i n a n i n t e r r u p t c o u l d o c c u r w h i l e ap r e v i o u s i n t e r r u p t i s b e i n g s e r v i c e d .A m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m must u s u a l l y p e r f o r m t h e f o l -

l o w i n g t a s k s w h e n i n t e r r u p t s occur [ 9 ] .

P R O M A R K E T V E H I C L E M I A R K E T. P E R F O R M b A N C E * S I Z E *COST EMISSIONS* F U E LECONOMY *WEIGHT | * S E R V I C E A 8 A L T I T Y U LCONOMYDRlVEABlLIT, MF A R K E T I * R E L I A B I L I T Y FEDERALi S E G M c E N T E G , C A L I F O R N I A* I I _ _< X L NON DOMESTIC

D I S P L A C E M E N T O P T I O N S S T R t A T E G I E S CAIRTO6 X _ B A S E X -S E C O N D A R Y X CALIF_Vs - TU R B O AIRPEDDESTY ALTITUDE

I , K4~~~~~~~~~ ~ ~~~~ASSIR T

F i g . 1 3 . M a r k e t , g o v e r n m e n t , a n d v e h i c l e i m a g e f a c t o r s r e s u l t i n w i d er a n g e o f p o w e r t r a i n p r o d u c t c o n f i g u r a t i o n s .a ) A l l o r p a r t o f t h e m a c h i n e s t a t e i s s a v e d .b ) T h e s e r v i c e r o u t i n e i s i n i t i a t e d .c ) T h e i d e n t i t y o f t h e i n t e r r u p t i n g e v e n t o r d e v i c e i sd e t e r m i n e d .d ) T h e a p p r o p r i a t e p o r t i o n o f t h e s e r v i c e r o u t i n e i s e x ec u t e d .e ) M a c h i n e s t a t u s i s r e s t o r e d a n d p r o g r a m c o n t r o l t r a n s f e r sb a c k t o t h e i n i t i a l p r o g r a m .T h e r e a r e a s many d i f f e r e n t w a y s o f i m p l e m e n t i n g i n t e r -r u p t s t r u c t u r e s a n d s e r v i c i n g i n t e r r u p t s a s t h e r e a r e m i c r o -p r o c e s s o r s . S o m e o f t h e c o m m o n l y u s e d m e t h o d s a r e l i s t e db e l o w [ 9 ] .a ) J u m p t o a f i x e d memory l o c a t i o n .b ) J u m p t o t h e a d d r e s s c o n t a i n e d i n a f i x e d memory l o c a -t i o n ( s ) .c ) J u m p t o a n a d d r e s s p r o v i d e d b y t h e i n t e r r u p t i n g e v e n to r d e v i c e .d ) J u m p t o a n a d d r e s s c o n t a i n e d i n a t a b l e i n m e m o r y ,w h e r e t h e i n d e x t o t h e t a b l e i s p r o v i d e d b y t h e i n t e r -r u p t i n g e v e n t o r d e v i c e .e ) E x e c u t e a n i n s t r u c t i o n ( u s u a l l y a j u m p ) p r o v i d e d b y t h ei n t e r r u p t i n g e v e n t o r d e v i c e .I n m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m s w i t h many I / O d e v i c e s o f v a r y -i n g o p e r a t i o n a l s p e e d s , a l l d e v i c e s m u s t b e k e p t r u n n i n g c o n -c u r r e n t l y f o r maximum s y s t e m e f f i c i e n c y a n d t h r o u g h p u tC o n s e q u e n t l y , t h e m a j o r d i f f e r e n c e s b e t w e e n m i c r o p r o c e s s o r s

a r e u s u a l l y i n t h e manner u s e d t o i m p l e m e n t t h e I / O a n d i n -t e r r u p t s t r u c t u r e s , s i n c e t h e y c a n p r o v i d e m a n y o f t h e s p e e da n d p e r f o r m a n c e b e n e f i t s s o u g h t b y m i c r o p r o c e s s o r m a n u -f a c t u r e r s f o r c o m p e t i t i v e a d v a n t a g e i n t h e m a r k e t p l a c e .X I . ELECTRONIC ENGINE CONTROL SYSTEM DESIGNCONSIDERATIONS

I n a d d i t i o n t o t h e u s u a l p r o d u c t d e s i g n o b j e c t i v e s ( q u a l i t y ,r e l i a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y , c o s t , w e i g h t , a n d p o w e r c o n s u m p t -t i o n ) p r o d u c t f l e x i b i l i t y a n d c o m m o n a l i t y s h o u l d b e s e r i o u s l yc o n s i d e r e d w h e n i d e n t i f y i n g d e s i g n o b j e c t i v e s f o r a m i c r o -p r o c e s s o r - b a s e d e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m .F i r s t , c o n s i d e r t h e p r o d u c t f l e x i b i l i t y r e q u i r e d b y t o d a y ' sp o w e r t r a i n s . E a c h a u t o m a k e r o f f e r s a w i d e r a n g e o f e n g i n ef a m i l i e s , e a c h w i t h d i f f e r e n t d i s p l a c e m e n t s , f u e l d e l i v e r ys y s t e m s , p e r f o r m a n c e o p t i o n s , a n d e n g i n e c o n t r o l s t r a t e g i e st o meet a b r o a d m i x o f m a r k e t , e m i s s i o n s a n d f u e l e c o n o m y ,a n d v e h i c l e i m a g e o b j e c t i v e s F i g . 1 3 ) . D e p e n d i n g on t h e c o n -

8 3



10/13

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL E L E C T R O N I C S , V O L . I E - 3 0 , N O . 2 , MAY 1 9 8 3MODEL YEAR GENERATION

1 9 7 8 ECU-A

1 9 7 8 E E C - I ( T O S H I B A ) S PAR K E G R

1 9 7 9 E E C - I l ( T O S H I B A )* SPARK EGR i F U E L - F B C

1 9 8 0 8 3 E E C - i l l (MOTOROLA)* SP ARK E G R F U E L - C F I1 9 8 1 - 8 3 MCU ( I N T E L )

1 9 8 3 E E C - I V ( I N T E L )

A P P L I C A T I O NP I N T O , BOBCAT( 2 . 3 L C A )VERSAILLES( 5 0 L )FORD iMERCURY ( 5 . 8 L )L I N C O L N MARK ( 5 0 L )( 2 3 L 3 , 3 L 4 , 2 L 4 9 L )ESCORT LYNX EX P L N 7( 1 6 L )SOFTWARE 4 STRATEGY

DIAGNOSTICS HARDWAREDEVELOPMENT

INTERNAL RESOURCES L E PADEVELOPMENT SUPPORT EMISSIONSDESIGN ENGINEERING D U R A B I L I T YA C I L I T I E S / T O O L I N G FUEL ECONOMYF i g . 1 4 . F l e x i b i l i t y a n d c o m m o n a l i t y a r e k e y d e s i g n o b j e c t i v e s f o re l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m s .t r o l s t r a t e g i e s e m p l o y e d , e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e mc o m p l e x i t y i s i n f l u e n c e d b y a ) t h e p a r t i c u l a r s e n s o r / a c t u a t o rc o m b i n a t i o n s a n d t h e i r r e s p e c t i v e a c c u r a c y a n d r e s p o n s e r e -q u i r e m e n t s , a n d b ) t h e c o m p u t a t i o n a l power, p r o c e s s i n gs p e e d , a n d progra m m e m o r y r e q u i r e m e n t s i n h e r e n t i n i m -p l e m e n t i n g t h e s e l e c t e d s t r a t e g i e s . T h e r e f o r e , t o d a y ' s e l e c -t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m m u s t h a v e d e s i g n e d - i n f l e x i b i l i t yt o a d d r e s s t h i s range o f p o w e r t r a i n p r o d u c t s a n d o p t i o n s .S e c o n d l y , c o n s i d e r p r o d u c t c o m m o n a l i t y . T h e i n s t a l l a t i o nr a t e o f e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s ( v i r t u a l l y a l l 1 9 8 4 - m o d e l p a s -s e n g e r c a r s s o l d i n t h e U n i t e d S t a t e s w i l l h a v e e l e c t r o n i ce n g i n e c o n t r o l s ) a l l u d e s t o t h e l a r g e n u m b e r s o f p e o p l e i n d i f -f e r e n t a u t o m o t i v e p r o d u c t a c t i v i t i e s w ho must b e i n v o l v e dw i t h t h i s m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o d u c t f r o m d e s i g n i n c e p -t i o n t h r o u g h p r o d u c t i o n a n d f i e l d s e r v i c e . C o n s e q u e n t l y ,t h e e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l p r o d u c t f a m i l y , m o d e l y e a rt o m o d e l y e a r , must h a v e an i n h e r e n t d e s i g n e d - i n c o m m o n a l i t yor a t l e a s t d o w n w a r d c o m p a t i b i l i t y . H a r d w a r e , s o f t w a r e ,a n d s y s t e m c o m m o n a l i t y a n d m o d u l a r i t y a r e a l s o v i t a l l yi m p o r t a n t t o m i n i m i z e d e v e l o p m e n t t i m e a n d c o s t . C l e a r l y ,a s e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l p r o d u c t a p p l i c a t i o n r a t e s a n dp r o d u c t l i f e c y c l e s i n c r e a s e , t h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f p r o -d u c t f l e x i b i l i t y a n d c o m m o n a l i t y / m o d u l a r i t y a s d e s i g n o b -j e c t i v e s , w h e n c o m p a r e d t o t e c h n i c a l a n d f u n c t i o n a l o b j e c -t i v e s , i n c r e a s e s . F i g . 1 4 o u t l i n e s s e v e r a l e l e c t r o n i c e n g i n ec o n t r o l p r o d u c t c o n s i d e r a t i o n s w h e r e f l e x i b i l i t y a n d c o m -m o n a l i t y a r e i m p o r t a n t .

X I I . EVOLUTION OF ELECTRONIC ENGINECONTROLS AT FORDT h e e v o l ut io n o f e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m s a tF o r d M o t o r C o m p a n y i s s h o w n i n F i g . 1 5 . T h e use o f d i g i t a le l e c t r o n i c s e n g i n e c o n t r o l s b e g a n i n 1 9 7 8 w i t h t h e f i r s t gen-e r a t i o n E l e c t r o n i c E n g i n e C o n t r o l ( E E C - I ) system f o r i n t e r -a c t i v e c o n t r o l o f s p a r k t i m i n g a n d e x h a u s t gas r e c i r c u l a t i o n .N e x t came E E C - I l i n 1 9 7 9 , w h i c h a d d e d f e e d b a c k - c o n t r o l l e d

1 9 8 3 - 1 2 E E C - I V ( I N T E L )1 9 8 4 E E C - I V ( I N T E L )F i g . 1 5 . E v o l u t i o n o f e l e c t r o n i c e n g i n eM o t o r C o m p a n y . c o n t r o l s y s t e m s a t F o r d

TABLE I I IE C I - I , E E C - I L , E E C - I I I , AND E E C - I V SYSTEM C A P A B I L I T YS E N S O R S / I N P U T SCARB AI R TEMPENGINE COOLANT TEMPCRANKSHAFT P O S I T I O NTHROTTLE P O S I T I O NBAROMETER/MANIFOLD PRESSUREEGR V A L V E P O S I T I O NEXHAUST GAS OXYGENI N F E R R E D MILEAGEVANE A I R FLOWVANE A I R TEMPP R O F I L E I G N I T I O NA I R C O N D I T I O N I N G CLUTCHN E U T R A L / D R I V E SWITCHSELF T E S T

F U N C T I O N S / OUTPUTSFUEL CONTROL F B CE F IC F IPROPORTIONAL EGRSPARK CONTROLCANISTER PURGETHROTTLE KICKERI D L E SPEED CONTROLA I R MANAGEMENTSELF DIAGNOSTICSFUEL ECONOMY METER INTERFACES E L F TEST OUTPUTDECEL FUEL SHUT-OFFEGR ON/OFFWOT AC CUT-OFF

E E C - 1 I E E C - 1 I E E C - i l I E E C - I V IXXXXX

XXXX

X

XXXXXXX

X

XXXX

X

XXXXXXXX

X

XXXXX

XXX

8 3E F IX

X

XXXXXXX

X

XX

X

X

XXXX

c a r b u r e t i o n a n d s e c o n d a r y a i r i n j e c t i o n i n t o a t h r e e - w a yc a t a l y s t . I n 1 9 8 0 , F o r d i n t r o d u c e d E E C - I l l f o r u s e w i t h aC e n t r a l F u e l I n j e c t i o n ( C F I ) d e l i v e r y s y s t e m . T h e E E C - I l ls y s t e m i s a s i n g l e - p o i n t p u l s e - t i m e m o d u l a t e d f u e l - i n j e c t i o ns y s t e m w h e r e i n f u e l i s m e t e r e d i n t o t h e i n t a k e a i r streami n a c c o r d a n c e w i t h e n g i n e d e m a n d v i a t w o t h r o t t l e b o d ym o u n t e d s o l e n o i d i n j e c t o r s . T h e C F I c o n c e p t u t i l i z e s s p e e dd e n s i t y c a l c u l a t i o n s o f t h e e n g i n e ' s a i r f l o w c h a r a c t e r i s t i c st o p r e c i s e l y d e t e r m i n e t h e p u l s e d u r a t i o n m o d u l a t i o n o ff u e l d e l i v e r y t h r o u g h t h e i n j e c t o r s f o r e c o n o m i c a l a n d i m -p r o v e d c o n t r o l o f a i r - f u e l r a t i o . I n t h e s p a n o f t h r e e y e a r s ,F o r d i n t r o d u c e d i n t e r a c t i v e e l e c t r o n i c c o n t r o l , u s i n g m i c r o -p r o c e s s o r s , o f t h e f o u r k e y e n g i n e p a r a m e t e r s : s p a r k t i m i n g ,EGR f l o w , s e c o n d a r y a i r , a n d a i r - f u e l r a t i o . F o r d ' s a l l - n e wf o u r t h g e n e r a t i o n e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m , E E C - I V ,w i l l b e i n t r o d u c e d on s e l e c t e d 1 9 8 3 - m o d e l - y e a r a p p l i c a -t i o n s s t a r t i n g w i t h t h e 1 9 8 3 1 . 6 - 1 E F I e n g i n e o n E s c o r t ,L y n x , E X P , a n d LN7 p a s s e n g e r c a r s . T h e E E X - I V s y s t e m

8 4E N V I R O N M E N T ' iMARKET

- V E H I C L E IMAGE- REGULATIONS



11/13

8 5F L I S : MICROPROCESSORS FOR EL ECTRONIC ENG INE CONTROLr e p r e s e n t s a new s t a t e - o f - t h e - a r t c o n c e p t i n e l e c t r o n i c e n g i n em a n a g e m e n t , p r o v i d i n g c o n t r o l c a p a b i l i t y f o r t h e f o l l o w i n gf u n c t i o n s i n 1 9 8 3 : a ) f u e l - E l e c t r o n i c F u e l I n j e c t i o n ( ' 8 3 ) orF e e d b a c k C a r b u r e t o r ( ' 8 3 1 / 2 ) ; b ) i g n i t i o n - s p a r k t i m i n g a l la p p l i c a t i o n s ) a n d i n t e r a c t i v e k n o c k c o n t r o l ( ' 8 3 1 / 2 ) ; c ) e x -h a u s t gas r e c i r c u l a t i o n ; a n d d ) b o o s t c o n t r o l f o r t u r b o c h a r g e da p p l i c a t i o n s ( 8 3 1 / 2 ) .T h e s e f e a t u r e s u t i l i z e o n l y a f r a c t i o n o f E E C - I V ' s c a p -a b i l i t y ; a d d i t i o n a l f e a t u r e s a r e p l a n n e d f o r 1 9 8 4 a n d b e y o n d .S p e c i f i c a l l y , t h e 1 . 6 - 1 E F I e n g i n e e l e c t r o n i c s s y s t e m f o r 1 9 8 3i s c o m p o s e d o f s i x s e n s o r s , a n E E C - I V c o n t r o l m o d u l e , twos w i t c h e s , t h r e e s o l e n o i d s , t w o r e l a y s , a n d f o u r i n j e c t o r s .T a b l e I I I d e t a i l s t h e s e n s o r s / i n p u t s a n d f u n c t i o n s / o u t p u t s fo rE E C - I , II II a n d I V , r e s p e c t i v e l y .

X I I I . E E C - I V C H I P SETT h e E E C - I V e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e da n d d e v e l o p e d t o p r o v i d e s u p e r i o r f u n c t i o n a l c a p a b i l i t y a n dmaximum f l e x i b i l i t y t o h a n d l e a l l o f F o r d M o t o r C o m p a n y ' se n g i n e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s t h r o u g h t h e 1 9 8 0 ' s [ 1 0 ] T h eh e a r t o f t h e E E C - I V s y s t e m i s a p a i r o f c u s t o m VLSI i n t e -g r a t e d c i r c u i t s , t h e 8061-a c o m p a n i o n 8 K - b y t e R O M / 1 2 8 -b y t e RAM. D e v e l o p e d j o i n t l y b y F o r d M o t o r Company a n dI n t e l C o r p o r a t i o n , t h i s o p t i m a l t w o - c h i p m i c r o c o m p u t e rs y s t e m w a s t a i l o r e d s p e c i f i c a l l y f o r e l e c t r o n i c e n g i n e c o n t r o la p p l i c a t i o n u s i n g s t a t e - o f - t h e - a r t HMOS process t e c h n o l o g yf o r maximum p e r f o r m an c e a n d c i r c u i t d e n s i t y [ 1 1 ] . A t h i r dcustom c h i p , t h e K e e p A l i v e Memory ( K A M ) , a l o w - p o w e rs t a t i c CMOS 1 2 8 - b y t e RAM f r o m T o s h i b a C o r p o r a t i o n , w a sd e v e l o p e d f o r a d d i t i o n a l e n g i n e c o n t r o l s y s t e m f l e x i b i l i t y i ni m p l e m e n t a t i o n o f a d a p t i v e f u e l c o n t r o l a n d d i a g n o s t i c ss t r a t e g i e s . F i g . 1 6 h i g h l i g h t s t h e a l l - i m p o r t a n t I / O c o n f i g u r a -t i o n o f t h e 6 8 - l e a d f l a t p a c k a g e v e r s i o n o f t h e 8 0 6 1 . N o t i c et h a t 4 1 o f t h e 6 8 l e a d s ( 6 0 p e r c e n t ) a r e a l l o c a t e d f o r I / O( m a x i m u m I / O c a p a b i l i t y w a s a m a j o r d e s i g n o b j e c t i v e f o rE E C - I V ) . An o p t i o n a l 4 0 - l e a d d u a l i n - l i n e p a c k a g e v e r s i o n o ft h e 8 0 6 1 t h a t u t i l i z e s t h e i d e n t i c a l d i e , b u t w i t h a r e d u c e db o n d o u t o f I / O p a d s , h a s 1 8 p i n s d e d i c a t e d t o I / O . F o ra d d i t i o n a l d e s i g n f l e x i b i l i t y , t h e 8 0 6 1 i s a v a i l a b l e i n twoc l o c k - f r e q u e n c y v e r s i o n s , 7 . 5 a n d 1 5 MHz. K e y 8 0 6 1 a r c h i -t e c t u r a l f e a t u r e s a r e a s f o l l o w s .1 ) O n - C h i p A n a l o g - t o - D i g i t a l ( A / D ) C o n v e r t e r : A f u l l1 0 - b i t 1 3 - c h a n n e l s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o n A/D c o n v e r t e rw i t h a 3 5 - p s c o n v e r s i o n t i m e h a s b e e n i n t e r g r a t e d o n - c h i p .2 ) H a r d w a r e M u l t i p l y a n d D i v i d e : M o s t c o n t r o l l e r a p p l i -

c a t i o n s , p a r t i c u l a r l y a u t o m o t i v e e n g i n e c o n t r o l , r e q u i r eh i g h - s p e e d h a r d w a r e MUL/DIV c a p a b i l i t y . T h e 8 0 6 1 e x e c u t e sa 1 6 X 1 6 m u l t i p l y or a 3 2 X 1 6 d i v i d e i n 5 . 1 M s .3 ) W a t c h d o g T i m e r : A 1 6 - b i t w a t c h d o g t i m e r i s d e s i g n e dt o g e n e r a t e a CP U r e s e t w h e n i t overflows. T h i s f e a t u r e i su s e d t o p r e v e n t s y s t e m runaway. N o r m a l p r o g r a m e x e c u t i o nmust p e r i o d i c a l l y c l e a r t h e w a t c h d o g . S h o u l d a prog ram g e tl o s t , t h e w a t c h d o g w o u l d o v e r f l o w , r e s e t t h e C P U , a n d f o r c ea r e t u r n t o t h e b a s e program.4 ) Tw o H i g h - S p e e d I / O C o p r o c e s s o r s : F o r d M o t o r C o m -p a n y e n g i n e e r s d e v e l o p e d a n d p a t e n t e d ( [ 1 2 ] - [ 1 4 ] ) t h ef u n d a m e n t a l c o n c e p t s fo r h i g h - s p e e d p r o c e s s i n g o f d i g i t a li n p u t a n d o u t p u t s i g n a l s t o r e d u c e CP U 1 / 0 s e r v i c e o v e r h e a d .

CLOCK FREQUENCYMEMORY ADDRESSCAPABILITYI N P U T CHANNELSANALOGD I G I T A L HIGH SPEED

TOTALOUTPUT CHANNELSHIGH SPEEDLOW SPEEDBI-DIRECTIONAL

DATA WORD S I Z EA/ D CONVERTERSPEEDRESOLUTIONSPEEDMULTIPLY BYTEDIVIDE BYTEHIGH SPEED 1/ 0 RESOLUTION

MAXIMUM CAPABILITY PERFORMANCEEE C I V EE C I II ( R E F ) RATIO1 5 MHz 4 MHz

6 4K 8 K 8X

1 3 1 08 2

2 1 12 19 X

108 1 02 '

20 10 2X

8OR16 BI T IOBfT 6 4X3 5 SEC 1 S 25 CRANK-SHAFT , 6000 RPMI3 5 _ S E C 2 5 0 0 uSEC 71 X1 0 BT 8 BI T 4X

3 4 jiSEC 8 uSEC 2 3 X3 66SEC 1 0 , u S E C 28 X2 4 SE C 25 uSEC' ( S P A R K O N L Y ) , 104X

SAME CHANNELS CA N BE USED EITHER FOR I N P U T OR OUTPUT

An 1 1 - d e e p f i r s t - i n f i r s t - o u t ( F I F O ) r e g i s t e r s t a c k w a s d e -s i g n e d f o r h i g h - s p e e d i n p u t s , a n d a 1 2 - s l o t c o n t e n t a d d r e s s -a b l e memory ( C A M ) c i r c u l a t i n g f i l e i s u s e d f o r t h e h i g h -s p e e d o u t p u t s . A t 1 5 M H z , i n p u t - s i g n a l t r a n s i t i o n s ca n b er e s o l v e d t o w i t h i n 1 . 2 ps, a n d o u t p u t t r a n s i t i o n s ca n b eg e n e r a t e d w i t h t h e s a m e t i m e r e s o l u t i o n .5 ) M u l t i l e v e l P r i o r i t i z e d I n t e r r u p t S t r u c t u r e : A t w o - l e v e le i g h t - i n p u t s e q u e n t i a l p r i o r i t y i n t e r r u p t h i e r a r c h y d e t e r m i n e st h e o r d e r o f s e r v i c e r o u t i n e e x e c u t i o n when an i n t e r r u p to c c u r s .6 ) L a r g e Memory A d d r e s s S p a c e : T h e 8 0 6 1 h a s a f u l l1 6 - b i t a d d r e s s i n g range ( 6 4 K ) . T h e f i r s t 2 5 6 l o c a t i o n s r e s i d eo n - c h i p a n d r e f e r t o t h e i n t e r n a l g e n e r a l r e g i s t e r f i l e .7 ) P o w e r f u l I n s t r u c t i o n S e t a n d A d d r e s s i n g M o d e s : B i t ,b y t e , w o r d , a n d d o u b l e - w o r d d a t a t y p e s a n d o p e r a t i o n s a r es u p p o r t e d . A t o t a l o f 2 3 0 i n s t r u c t i o n s , w h i c h i n c l u d e e x t e n s i v et e s t a n d c o n d i t i o n a l j u m p i n s t r u c t i o n s , c o m b i n e d w i t h 6a d d r e s s i n g m o d e s ( d i r e c t , i m m e d i a t e , i n d i r e c t , i n d i r e c t w i t ha u t o i n c r e m e n t , s h o r t i n d e x e d , a n d l o n g i n d e x e d ) , h a v e b e e nd e f i n e d t o m i n i m i z e average i n s t r u c t i o n l e n g t h ( a n d t h e r e b yr e d u c e p r o g r a m memory s i z e ) a n d i n c r e a s e e x e c u t i o n s p e e d .

To h i g h l i g h t t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e 8 0 6 1 m i c r o p r o c e s s o r ,

X T A LV c c1 3ANALOG I N P U

the use of microprocessors for electronic engine control

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