Figura 1: Diagrama de bloques dun dispositivo de estimulación médico usando memoria externa para soportar a funcionalidade avanzada
O primeiro reto para arquitectos de sistemas é identificar o sistema de dereito en chip (SoC) ou microcontrolador para servir como o corazón do sistema. Debe ser capaz de ofrecer o desempeño desexado, reducindo ao mesmo tempo o orzamento de enerxía do sistema global.
Os dispositivos periféricos, como memorias externas, sensores e interfaces de telemetría debe ser comparable co desempeño SoC / microcontrolador, apoiando tamén un factor de forma compacta e consumo de enerxía eficiente.
opcións de memoria
O dispositivo seleccionado xeralmente integra dous tipos de memorias, flash e SRAM.
Flash é unha memoria relativamente lenta e escrita, non volátil que soporta un número limitado de ciclos de escritura. El é usado para manter fixo ou lento de cambio de datos, tales como o código da aplicación, información do sistema, e / ou rexistros de datos de usuarios procesados post.
SRAM é un rápido acceso, volátil memoria que ofrece ilimitada resistencia ciclo de gravación. El é usado para almacenar datos do sistema de tempo de execución provisional.
Como a complexidade do sistema aumenta, o mesmo ocorre coa complexidade do código ás múltiples funcións matemáticas e algoritmos. capacidade de memoria en chip interno pode ser insuficiente. sistemas médicos portátiles moitas veces precisan de almacenamento adicional, esixindo deseñadores para aumentar a memoria interna con memoria externa (Figura 1).
A memoria externa de baixa potencia pode ser usada para a expansión de memoria RAM, polo xeral unha SRAM con moi baixa corrente activa e en espera. Opcións para o almacenamento non-volátil inclúen flash, EEPROM, MRAM, e F-RAM.
memoria flash serial é utilizada para a expansión do programa e de almacenamento de datos non volátil debido ao seu baixo custo ea dispoñibilidade de altas densidades. Con todo, ten un consumo de enerxía relativamente elevada, o que reduce o tempo de vida operativo dos dispositivos a base de baterías.
Algunhas aplicacións substituír unha porción de memoria cunha EEPROM, pero iso non é agradable con batería, especialmente cando as operacións implican extensas gravacións no EEPROM. Tamén complica proxecto código da aplicación.
Automático resistiva RAM (MRAM) ten write resistencia ilimitada. A súa desvantaxe, con todo, é que consome moi altas cadeas activas e en espera e é susceptible a campos magnéticos que pode danar os datos almacenados. Estas características, polo tanto, facelo impropio en dispositivos médicos que funcionan con baterías.
RAM ferroelétrica (F-RAM), ten varias vantaxes importantes en dispositivos médicos portátiles e ten alta resistencia-ciclo de gravación.
complicacións médicas
Figura 2: O consumo de enerxía per 4MB write (μJ) para tecnoloxías de memoria non volátil
A resistencia de gravación limitado de EEPROM e flash crea problemas potenciais para os dispositivos médicos que necesitan rexistros almacenar datos que están sendo constantemente actualizados. ofertas de flash Endurance na orde de 1E + 5 e EEPROM é 1E + 6. O F-RAM gravación ciclo resistencia é 1E + 14 (ou 100 billóns). Isto permite que os dispositivos para poder rexistro máis datos sen ter que aplicar algoritmos de nivelación de desgaste complexas e sobre-provisión de capacidade adicional (Figura 3).
Unha segunda vantaxe é que a arquitectura interna do F-RAM consome ordes de magnitude máis baixa enerxía activa do que os dispositivos de flash ou EEPROM de almacenamento baseado en carga (Figura 2).
Por exemplo, eXcelon F-RAM de Cypress standby apoio, no fondo, poder e hibernación ociosas. A posta en marcha destas para unha aplicación pode reducir o consumo de enerxía en preto de dúas ordes de magnitude en combinación co modo de enerxía activa inferior.
Figura 3: comparación ciclo Resistencia para tecnoloxías de memoria non-volátil
EEPROM e Flash requiren tempos de ciclo de páxina / páxina / escritura de páxina, aumentando así o tempo de actividade activa do sistema para as operacións de escritura. A non volatilidade inmediata de F-RAM permite que os sistemas operados por batería apaguen completamente a fonte de alimentación ou máis rápido deixar o sistema nun modo de pouca potencia inactivo para reducir o tempo activo e a corrente activa.
Isto tamén aumenta a fiabilidade nas aplicacións que teñen requisitos de tempo precisos onde os datos están en risco durante unha falla de poder. As células F-RAM tamén son altamente tolerantes a varios tipos de radiación, incluíndo raios X e radiación gamma e son inmunes a campos magnéticos, para protexer os datos gravados.
Algúns dispositivos F-RAM, como o Excelon LP, proporcionan código de corrección de erros en chip (ECC) que pode detectar e corrixir erros de un bits en cada palabra de datos de 64 bits, aumentar a fiabilidade do almacenamento do sistema de datos do sistema crítico. F-RAM tamén admite a corrente pico controlada (é dicir, o control actual de inrush inferior a 1,5 MA) para evitar a descarga excesiva da batería.
F-RAM pode ser aloxado en envases que é eficiente espacial. Por exemplo, o Excelon LP ofrece ata 8MBit e está dispoñible no sector estándar de oito pinos de oito pinos e en miniatura de oito pinos GQFN con rendemento ata 50MHz SPI I / O e 108MHz QSPI (quad-spi) I / O.
A resistencia prácticamente infinita de F-RAM, a non volatilidade instantánea e o consumo de baixa potencia permiten aos deseñadores do sistema combinar os datos e funcións baseadas en RAM e ROM dentro dunha única memoria.
As tecnoloxías baseadas en ROM, incluíndo a máscara-ROM, OTP-EPROM e NOR-Flash, son non volátiles e están orientadas a aplicacións de almacenamento de código.
NAND-FLASH e EEPROM tamén poden servir como memoria de datos non volátiles. Estes requiren algún compromiso, xa que realizan o código e o almacenamento de datos con baixo rendemento en comparación con recordos alternativos.
Estas tecnoloxías céntranse no menor custo, que require un trade-off de facilidade de uso e / ou rendemento.
As tecnoloxías baseadas en RAM serven como memoria de datos e tamén como espazo de traballo para a execución de código ao executar desde Flash demostran demasiado lento. RAM proporciona unha mestura de código e funcionalidade de datos, pero a súa natureza volátil limita o seu uso ao almacenamento temporal.
As aplicacións portátiles requiren un rendemento optimizado en poucos compoñentes posible.
Usar varios tipos de memoria pode levar a ineficiencias, complica o deseño de código e normalmente consome máis enerxía.
A eficiencia e fiabilidade da F-RAM permiten que unha única tecnoloxía de memoria manexa o código e os datos.
Ten a resistencia de soportar o rexistro de datos de alta frecuencia ao reducir o custo do sistema, aumentar a eficiencia do sistema e reducir a complexidade do sistema.
