Obrázek 1: Blokové schéma lékařského stimulačního zařízení pomocí externí paměti pro podporu pokročilých funkcí
První výzvou pro systémové architekty je identifikovat správný systém na čipu (SOC) nebo mikrokontroléru sloužit jako srdce systému. Musí být schopen poskytnout požadovaný výkon a zároveň snížit celkový systém výkonu systému.
Periferní zařízení, jako jsou externí paměti, senzory a telemetrie rozhraní, musí být srovnatelná s výkonem SOC / Microcontroller, a zároveň podporuje kompaktní formu faktor a efektivní spotřeba energie.
Možnosti paměti
Zvolený přístroj obecně integruje dva typy vzpomínek, blesk a SRAM.
Flash je relativně pomalý-zápis, netěkavka, která podporuje omezený počet cyklů zápisu. Používá se k držení pevných nebo pomalých dat, jako je například aplikační kód, systémové informace a / nebo poštovní protokoly uživatelských dat.
SRAM je rychlý přístup, volatilní paměť, která poskytuje neomezenou vytrvalost cyklu zápisu. Používá se k ukládání dat dočasné run-time systémová data.
Jak se zvyšuje složitost systému, stejně jako komplexnost kódů pro více matematických funkcí a algoritmů. Vnitřní kapacita paměti na čipu může být nedostatečná. Přenosné lékařské systémy často potřebují další úložiště, vyžadují návrháře, aby rozšířili interní paměť s externí pamětí (obrázek 1).
Externí paměť s nízkým výkonem lze použít pro rozšiřování paměti RAM, typicky SRAM s extrémně nízkou aktivní a pohotovostní proud. Možnosti pro netěkavé úložiště zahrnují blesk, EEPROM, MRAM a F-RAM.
Sériová flash paměť se používá pro ne-volatilní program a expanzi ukládání dat z důvodu jeho nízkých nákladů a dostupnosti vysokých hustot. Má však relativně vysokou spotřebu energie, která snižuje životnost zařízení založených na bateriích.
Některé aplikace vyměňují část paměti s EEPROM, ale to stále není bateriově šetrné, zejména když operace zahrnují rozsáhlé zápisy do EEPROM. Dále komplikuje návrh kódu aplikací.
Magneto-rezistentní beran (MRAM) má neomezenou vytrvalost zápisu. Nevýhodou však je, že konzumuje velmi vysoké aktivní a pohotovostní proudy a je citlivá na magnetická pole, která mohou poškodit uložená data. Tyto vlastnosti proto z něj nevhodnou v lékařských zařízeních provozovaných akumulátorem.
Ferroelektrický RAM (F-RAM) má několik klíčových výhod v přenosných zdravotnických prostředcích a má vysokou vytrvalost zápisu.
Lékařské komplikace
Obrázek 2: Spotřeba energie na 4MB zápis (μJ) pro netěkavé paměťové technologie
Omezená odolnost proti zápisu EEPROM a blesku vytváří potenciální problémy pro zdravotnická zařízení, která potřebují ukládat protokoly dat, které jsou neustále aktualizovány. Flash nabízí vytrvalost v řádu 1E + 5 a EEPROM je 1E + 6. Vytrvalost cyklu F-RAM je 1E + 14 (nebo 100 bilionů). To umožňuje zařízení, která mají být schopna přihlásit více dat, aniž by museli implementovat složité algoritmy vyrovnávacích prostředků na opotřebení a větší kapacitu (obr. 3).
Druhou výhodou je, že interní architektura F-RAM spotřebovává řádově nižší aktivní energie než úložné zařízení na bázi náboje nebo EEPROM (Obrázek 2).
Například Excelon F-berany z pohotovostního režimu cypress podpory, hluboký výkon dolů a režimy volnoběhu hibernace. Provádění těchto do aplikace může snížit spotřebu energie přibližně o dva řády v kombinaci s nižší aktivním režimu napájení.
Obrázek 3: Srovnání Endurance cyklus pro energeticky nezávislou paměť technologií
EEPROM a FLASH vyžadují dodatečné časy cyklu stránky / page-write, čímž se zvyšuje aktivní časový čas pro operace zápisu. Okamžitá nezávislost F-RAM umožňuje systémy provozované akumulátorem, aby se zcela vypnulo napájení nebo rychleji upustit systém do nízkého výkonu volnoběhu, aby se snížil jak aktivního času, tak aktivního proudu.
To také zvyšuje spolehlivost v aplikacích, které mají přesné časové požadavky, kde jsou údaje ohroženy během poruchy napájení. F-RAM buňky jsou také vysoce tolerantní k různým typům záření, včetně rentgenových paprsků a záření gama a jsou imunní vůči magnetickými poli, k ochraně zaznamenaných dat.
Některá zařízení F-RAM, jako je Excelon LP, poskytují kód korekce chyb na čipu (ECC), které mohou detekovat a opravit jednobitové chyby v každých 64bitových datových slovech, zvýšení spolehlivosti úložiště kritických systémových protokolů dat. F-beran také podporuje řízený špičkový proud (tj. Kontrola spodního proudu menší než 1,5 mA), aby se zabránilo nadměrnému vypouštění baterie.
F-RAM může být umístěna v balení, která je prostorově efektivní. Například, Excelon LP nabízí až 8mbit a je k dispozici v průmyslu standardní osm-pin soic a miniaturní osm-pin GQFN balíčky s propustností až 50mHz SPI I / O a 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F-RAM je prakticky nekonečná vytrvalost, okamžitá ne-volatilita a nízká spotřeba energie umožňují návrhářům systémů kombinovat jak data a funkce založená na RAM a ROM v rámci jedné paměti.
Technologie založené na ROM, včetně masky-ROM, OTP-EPROM a NOR-FLASH, jsou neajuté a jsou orientovány na aplikace pro ukládání kódů.
NAND-Flash a EEPROM mohou také sloužit jako nezávislá datová paměť. To vše vyžadují nějaký kompromis, protože provádějí jak kód, tak ukládání dat s nízkým výkonem ve srovnání s alternativními vzpomínkami.
Tyto technologie se zaměřují na nižší náklady, které vyžadují kompromisy usnadnění používání a / nebo výkonu.
Technologie založené na paměti RAM slouží jako paměť dat a také jako pracovní prostor pro provádění kódu při provádění z blesku dokazuje příliš pomalé. RAM poskytuje směs kódu a funkčnosti dat, ale jeho těkavá příroda omezuje jeho použití na dočasné ukládání.
Přenosné aplikace vyžadují optimalizované výkonnosti co nejméně.
Použití více typů paměti mohou vést k neefektivnostem, komplikuje návrh kódu a obvykle spotřebovává více energie.
Účinnost a spolehlivost F-RAM umožňuje pro jednotnou paměťovou technologii pro zpracování kódu i dat.
Má vytrvalost na podporu vysokofrekvenčního protokolování dat při snižování nákladů na systém, zvyšující se účinnost systému a redukční složitost systému.
