الشكل 1: طب مخطط جهاز التحفيز الطبي باستخدام الذاكرة الخارجية لدعم الوظائف المتقدمة
التحدي الأول من أجل مهندسي النظام هو تحديد النظام المناسب على رقاقة (SOC) أو ميكروكنترولر لتكون بمثابة قلب النظام. يجب أن تكون قادرة على توفير الأداء المرغوب فيه مع تقليل ميزانية الطاقة العامة في وقت واحد.
يجب أن تكون الأجهزة الطرفية، مثل الذكريات الخارجية والأجهزة الاستشعار وواجهات القياس عن بعد قابلة للمقارنة مع أداء SOC / Microcontroller، مع دعم عامل شكل مدمج واستهلاك الطاقة الفعال.
خيارات الذاكرة
يدمج الجهاز المختار عموما نوعين من الذكريات وميض و SRAM.
فلاش هي ذاكرة بطيئة نسبيا وغير متقلبة تدعم عدد محدود من دورات الكتابة. يتم استخدامه لعقد بيانات ثابتة أو بطيئة تغيير مثل رمز التطبيق ومعلومات النظام و / أو سجلات بيانات المستخدم بعد معالجتها.
SRAM هي ذاكرة سريعة ومتقلبة توفر القدرة على التحمل دورة الكتابة غير محدودة. يتم استخدامه لتخزين بيانات نظام التشغيل المؤقتة.
كما يزيد تعقيد النظام، لذلك يفعل تعقيد التعليمات البرمجية للوظائف الرياضية المتعددة والخوارزميات. قد تكون سعة الذاكرة الداخلية الداخلية غير كافية. غالبا ما تحتاج أنظمة طبية المحمولة إلى تخزين إضافي، مما يتطلب المصممين لزيادة الذاكرة الداخلية بالذاكرة الخارجية (الشكل 1).
يمكن استخدام ذاكرة خارجية منخفضة الطاقة لتوسيع ذاكرة الوصول العشوائي، عادة SRAM مع تيار نشط ونشط للغاية. تشمل خيارات التخزين غير المتقلب الفلاش، EEPROM، MRAM، و F-RAM.
يتم استخدام ذاكرة الفلاش التسلسلية لبرنامج غير متقلب وتوسيع تخزين البيانات بسبب انخفاض تكلفةها وتوافر الكثافة العالية. ومع ذلك، لديها استهلاك طاقة مرتفع نسبيا، مما يقلل من عمر التشغيل للأجهزة المستندة إلى البطارية.
تحل بعض التطبيقات استبدال جزء من الذاكرة باستخدام EEPROM، ولكن هذا لا يزال غير صديق للبطارية، خاصة عندما تنطوي العمليات على مكاسب واسعة إلى EEPROM. كما أنه يعقد تصميم رمز التطبيق.
RAM مقاوم للمغناطيس (MRAM) لديه القدرة على التحمل غير محدود. ومع ذلك، فإن عيبها هو أنه يستهلك التيارات عالية النشطة والاستعدادية للغاية وهي عرضة للحقول المغناطيسية التي يمكن أن تفسد البيانات المخزنة. لذلك فإن هذه الخصائص تجعلها غير مناسبة في الأجهزة الطبية التي تعمل بالبطارية.
تحتوي ذاكرة الوصول العشوائي على Ferroelectric (F-RAM)، العديد من المزايا الرئيسية في الأجهزة الطبية المحمولة ولديها القدرة على التحمل في دورة الكتابة عالية.
المضاعفات الطبية
الشكل 2: استهلاك الطاقة لكل 4MB الكتابة (μJ) لتقنيات الذاكرة غير المتقلبة
يؤدي التحمل المحدود للكتابة إلى EEPROM و Flash إلى إنشاء مشكلات محتملة للأجهزة الطبية التي تحتاج إلى تخزين سجلات البيانات التي يتم تحديثها باستمرار. يوفر Flash التحمل على ترتيب 1E + 5 و EEPROM هو 1E + 6. القدرة على التحمل دورة F-RAM هي 1E + 14 (أو 100 تريليون). تمكن هذه الأجهزة من أن تكون قادرا على تسجيل المزيد من البيانات دون الحاجة إلى تنفيذ خوارزميات معقدة للارتداد وقدرة إضافية على التوالي (الشكل 3).
ميزة ثانية هي أن الهندسة المعمارية الداخلية ل F-RAM تستهلك أوامر ذات طاقة نشطة أقل الحجم من أجهزة التخزين المستندة إلى الشحن أو أجهزة التخزين EEPROM (الشكل 2).
على سبيل المثال، Excelon F-RAMS من Sypress دعم الاستعداد، والطاقة العميقة أسفل وسائط الخمول الرديئة. يمكن أن يؤدي تنفيذ هذه التطبيق إلى تقليل استهلاك الطاقة بنحو أمرين من حيث الحجم مع وضع الطاقة النشطة أقل.
الشكل 3: مقارنة دورة التحمل لتكنولوجيات الذاكرة غير المتطايرة
تتطلب EEPROM وفلاش أوقات دورة إضافية من صفحة / صفحة الكتابة، وبالتالي زيادة وقت نشط النظام لعمليات الكتابة. يسمح عدم التقلب الفوري F-RAM أنظمة تعمل بالبطارية لإيقاف تشغيل مزود الطاقة بالكامل أو تسليم النظام بسرعة أكبر إلى وضع الخمول الطاقة المنخفض لتقليل كل من الوقت الفعلي والتيار النشط.
وهذا يعزز الموثوقية أيضا في التطبيقات التي لديها متطلبات توقيت دقيقة حيث تكون البيانات في خطر أثناء خطأ القدرة. خلايا F-RAM هي أيضا متسامحة للغاية لأنواع مختلفة من الإشعاع، بما في ذلك الأشعة السينية وإشعاع جاما وهي محصنة من الحقول المغناطيسية، لحماية البيانات المسجلة.
توفر بعض أجهزة F-RAM، مثل Excelon LP، رمز تصحيح الأخطاء على رقاقة (ECC) والتي يمكنها اكتشاف وتصحيح الأخطاء الفردية في كل كلمة بيانات 64 بت، وزيادة موثوقية تخزين سجلات بيانات النظام الحرج. يدعم F-RAM أيضا تيار الذروة التي تسيطر عليها (أي التحكم الحالي Inrush الحالي أقل من 1.5 مللي أمبير) لمنع التفريغ المفرط للبطارية.
يمكن إيواء F-Ram في التعبئة والتغليف التي هي كفاءة الفضاء. على سبيل المثال، تقدم Excelon LP ما يصل إلى 8 ميغابت ومتوفر في حزم GQFN القياسية الثمانية بنسبة ثمانية دبوس ثمانية دبوس مع إنتاجية تصل إلى 50 ميجا هرتز من 50 ميجا هرتز I / O و 108 ميجا هرتز QSPI (رباعية SPI) I / O.
إن التحمل لانهائي F-RAM لا حصر له فعليا، والاستهلاك غير المتقلب الفوري وانخفاض استهلاك الطاقة يسمح بمصممي النظام إلى الجمع بين البيانات والوظائف المستندة إلى ROM ووظائفها داخل ذاكرة واحدة.
تعتمد التقنيات المستندة إلى ROM، بما في ذلك Mask-ROM، OTP-EPROM، وغير الفلاش، غير متقلبة وتوجه نحو تطبيقات تخزين التعليمات البرمجية.
NAND-FLASH و EEPROM يمكن أن تكون أيضا ذاكرة بيانات غير متطابقة. تتطلب جميع هذه بعض الحلول الوسط، لأنها تؤدي كلا من التعليمات البرمجية وتخزين البيانات مع الأداء المنخفض مقارنة بالذكريات البديلة.
تركز هذه التقنيات على التكلفة المنخفضة، والتي تتطلب مفاضلة سهولة الاستخدام و / أو الأداء.
تعمل التقنيات المستندة إلى الكبش كذاكرة بيانات وأيضا كمساحة عمل لتنفيذ التعليمات البرمجية عند تنفيذها من الفلاش بطيئة للغاية. يوفر RAM مزيجا من التعليمات البرمجية ووظائف البيانات، لكن طبيعتها المتقلبة تحد استخدامها إلى التخزين المؤقت.
تتطلب التطبيقات المحمولة أداء محسن في مكونات قليلة قدر الإمكان.
قد يؤدي استخدام أنواع الذاكرة المتعددة إلى عدم الكفاءة، ويعقد تصميم التعليمات البرمجية وتستهلك عادة الطاقة أكثر.
إن كفاءة وموثوقية F-RAM تجعل من الممكن تقنية ذاكرة واحدة للتعامل مع كل من الكود والبيانات.
لديها القدرة على التحمل لدعم تسجيل البيانات عالية التردد مع خفض تكلفة النظام، وزيادة كفاءة النظام وتقليل تعقيد النظام.
