Figur 1: Blokdiagram over en medicinsk stimuleringsanordning ved hjælp af ekstern hukommelse for at understøtte avanceret funktionalitet
Den første udfordring for systemarkitekter er at identificere det rigtige system på chip (SOC) eller Microcontroller til at tjene som hjertet af systemet. Det skal være i stand til at give den ønskede præstation samtidig reducere det overordnede systems strømbudget.
Perpherale indretninger, såsom eksterne minder, sensorer og telemetri grænseflader, skal være sammenlignelige med SOC / Microcontroller-ydeevnen, samtidig med at der understøttes en kompakt formfaktor og effektivt strømforbrug.
Hukommelsesvalg
Den valgte enhed integrerer generelt to typer minder, flash og SRAM.
Flash er en relativt langsomt skrive, ikke-flygtig hukommelse, der understøtter et begrænset antal skrivecykler. Det bruges til at holde fast eller langsomt ændrede data som applikationskode, systemoplysninger og / eller efterforarbejdede brugerdata logfiler.
SRAM er en hurtig adgang, flygtig hukommelse, der giver ubegrænset skrivecyklus udholdenhed. Det bruges til at gemme midlertidige run-time system data.
Som systemkompleksiteten øges, så gør kodeksomiteten til de mange matematiske funktioner og algoritmer. Intern on-chip hukommelseskapacitet kan være utilstrækkelig. Bærbare medicinske systemer har ofte brug for yderligere opbevaring, der kræver designere at øge intern hukommelse med ekstern hukommelse (Figur 1).
En ekstern hukommelse med lav effekt kan bruges til RAM-udvidelse, typisk en SRAM med ekstremt lav aktiv og standby-strøm. Valgmuligheder for ikke-flygtig opbevaring omfatter Flash, EEPROM, MAM og F-RAM.
Seriel flashhukommelse bruges til ikke-flygtigt program og dataopbevaring udvidelse på grund af dens lave omkostninger og tilgængeligheden af høje tætheder. Det har dog relativt højt energiforbrug, hvilket reducerer levetiden for batteribaserede enheder.
Nogle applikationer erstatter en del af hukommelsen med en EEPROM, men det er stadig ikke battery-venlig, især når operationer involverer omfattende skriver til EEPROM. Det komplicerer også applikationskode design.
Magneto-resistiv RAM (MRAM) har ubegrænset skriveudholdenhed. Dens ulempe er imidlertid, at den bruger meget høje aktive og standby-strømme og er modtagelige for magnetfelter, som kan ødelægge lagrede data. Disse egenskaber gør det derfor uegnet i batteridrevne medicinsk udstyr.
Ferroelektrisk RAM (F-RAM), har flere nøglefordele i bærbare medicinsk udstyr, og den har høj skrivecyklusudholdenhed.
Medicinsk komplikationer
Figur 2: Energiforbrug pr. 4 MB skrive (μJ) til ikke-flygtige hukommelsesteknologier
Den begrænsede skriveudgåelse af EEPROM og Flash skaber potentielle problemer for medicinsk udstyr, der skal gemme datalogs, der konstant opdateres. Flash tilbyder udholdenhed i rækkefølgen af 1E + 5 og EEPROM er 1E + 6. F-RAM-skrivecyklusens udholdenhed er 1e + 14 (eller 100 trillioner). Dette gør det muligt for enheder at kunne logge flere data uden at skulle implementere komplekse slidstyringsalgoritmer og over-provision yderligere kapacitet (figur 3).
En anden fordel er, at den interne arkitektur af F-RAM bruger ordrer af størrelsesorden, lavere aktiv energi end ladningsbaserede flash- eller EEPROM-lagringsanordninger (Figur 2).
For eksempel EXCELON F-RAMS fra Cypress Support Standby, Dyb Power Down og Hibernate Idle Modes. Implementering af disse til en ansøgning kan reducere strømforbruget med ca. to størrelsesordener i kombination med den nederste aktive effekttilstand.
Figur 3: Udholdenhedscyklus sammenligning for ikke-flygtige hukommelsesteknologier
EEPROM og Flash kræver yderligere sideprogram / side-skrive cykeltider, hvilket øger systemet aktiv tid til skriveoperationer. F-RAMs umiddelbare ikke-volatilitet gør det muligt for batteridrevne systemer at slukke for strømforsyningen eller hurtigere at slippe systemet i en lav strømindgangstilstand for at reducere både aktiv tid og aktiv strøm.
Dette forbedrer også pålideligheden i applikationer, der har præcise timingskrav, hvor data er i fare under en strømfejl. F-RAM-celler er også meget tolerante over for forskellige typer stråling, herunder røntgenstråler og gammastråling og er immun mod magnetfelter, for at beskytte registrerede data.
Nogle F-RAM-enheder, såsom Excelon LP, tilvejebringer on-chip-fejlkorrektionskode (ECC), som kan opdage og korrigere single-bit-fejl i hvert 64-bit dataord, hvilket øger kritiske systemdata logfiler 'lagringssikkerhed. F-RAM understøtter også kontrolleret peak strøm (dvs. inrush strømstyring mindre end 1,5 mA) for at forhindre overdreven udledning af batteriet.
F-RAM kan placeres i emballage, der er rumffektive. EXCELON LP tilbyder for eksempel op til 8mbit og er tilgængelig i industrien Standard otte pin soic og miniature otte-pin gqfn-pakker med gennemløb op til 50MHz SPI I / O og 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F-RAMs næsten uendelige udholdenhed, øjeblikkelig ikke-volatilitet og lavt strømforbrug gør det muligt for systemdesignere at kombinere både ram- og rom-baserede data og funktioner inden for en enkelt hukommelse.
Rom-baserede teknologier, herunder MASK-ROM, OTP-EPROM og NOR-Flash, er ikke-flygtige og er orienteret mod kodeopbevaringsprogrammer.
NAND-Flash og EEPROM kan også fungere som ikke-flygtig datahukommelse. Disse kræver alle nogle kompromis, da de udfører både kode og datalagring med lavt ydelse i forhold til alternative minder.
Disse teknologier fokuserer på lavere omkostninger, hvilket kræver en afvejning af brugervenlighed og / eller ydeevne.
RAM-baserede teknologier tjener som datahukommelse og også som et arbejdsområde til kodeudførelse, når du udfører fra Flash, viser sig for langsomt. RAM giver en blanding af kode og data funktionalitet, men dens flygtige natur begrænser brugen til midlertidig opbevaring.
Bærbare applikationer kræver optimeret ydeevne i så få komponenter som muligt.
Brug af flere hukommelsestyper kan føre til ineffektivitet, komplicerer kodedesign og bruger typisk mere energi.
Effektiviteten og pålideligheden af F-RAM gør det muligt for en enkelt hukommelsesteknologi at håndtere både kode og data.
Det har udholdenhed at understøtte højfrekvente datalogging, mens du sænker systemomkostningerne, hvilket øger systemets effektivitet og reducerer systemkompleksiteten.
