Figuur 1: Blokschema van een medische stimulatie-inrichting via extern geheugen voor geavanceerde functies ondersteunen
De eerste uitdaging voor architecten systeem is om het juiste systeem identificeren chip (SoC) of microcontroller om te dienen als het hart van het systeem. Het moet in staat zijn de gewenste prestaties, terwijl tegelijkertijd de macht van het totale systeem budget verminderen zijn.
Randapparatuur, zoals externe geheugens, sensoren en telemetrie interfaces moeten vergelijkbaar zijn met de SoC / microcontroller prestaties, die tegelijkertijd ook de compacte vormfactor en efficiënt energieverbruik.
Memory keuzes
Het gekozen apparaat geïntegreerd algemeen twee typen geheugens, flash en SRAM.
Flash is een relatief langzame-write, niet-vluchtig geheugen dat ondersteunt een beperkt aantal schrijfcycli. Het wordt gebruikt om greep vast of langzaam veranderende gegevens zoals toepassingscode, systeeminformatie en / of nabewerkte gebruikersgegevens logs.
SRAM is een snelle toegang, vluchtig geheugen die onbeperkte schrijfcyclus uithoudingsvermogen biedt. Het wordt gebruikt om tijdelijke run-time systeem gegevens op te slaan.
Als complexiteit van de systemen toeneemt, neemt ook complexiteit van de code voor de vele wiskundige functies en algoritmen. Interne on-chip geheugen onvoldoende zijn. Draagbare medische systemen moeten vaak extra opslagruimte, waarbij ontwerpers interne geheugen extern geheugen (figuur 1) te vergroten.
Een laag vermogen externe geheugen kan worden gebruikt voor RAM uitbreiding, kenmerkend een SRAM met extreem lage actief en ruststroom. Opties voor het niet-vluchtige geheugens voor flash, EEPROM, MRAM, en F-RAM.
Serieel flashgeheugen wordt gebruikt voor niet-vluchtig programma en dataopslag expansie vanwege de lage kosten en de beschikbaarheid van hoge dichtheden. Echter, het heeft een relatief hoog energieverbruik, waardoor de levensduur van de batterij-gebaseerde apparaten reduceert.
Sommige toepassingen ter vervanging van een deel van het geheugen met een EEPROM, maar dit is nog steeds niet batterij-vriendelijk, met name wanneer activiteiten betrekking hebben uitgebreide schrijven naar de EEPROM. Het compliceert ook applicatiecode design.
Magneto-resistive RAM (MRAM) heeft onbeperkte Schrijf uithoudingsvermogen. Het nadeel is echter dat het verbruikt zeer sterk actieve en standby stromen en is gevoelig voor magnetische velden die beschadigd opgeslagen data. Deze kenmerken maken het daarom niet geschikt in-batterijen werkende medische hulpmiddelen.
Ferro-elektrische RAM (F-RAM), heeft een aantal belangrijke voordelen in draagbare medische hulpmiddelen en het heeft een hoge schrijf-cyclus uithoudingsvermogen.
medische complicaties
Figuur 2: Energieverbruik per 4Mb write (gj) voor niet-vluchtig geheugen technologieën
De beperkte Schrijf uithoudingsvermogen van EEPROM en flash creëert mogelijke problemen voor medische hulpmiddelen die noodzaak om gegevens op te slaan logs die worden voortdurend geactualiseerd. Flash aanbiedingen uithoudingsvermogen in de orde van 1E + 5 en EEPROM is 1E + 6. De F-RAM schrijfcyclus uithoudingsvermogen 1E + 14 (of 100000000000000). Hierdoor inrichtingen kunnen meer data loggen zonder complexe slijtage nivellering algoritmen en overaanbod extra capaciteit (figuur 3) voeren.
Een tweede voordeel is dat de interne architectuur van F-RAM verbruikt orden van grootte lager actieve energie dan op lading gebaseerde flash EEPROM of opslaginrichtingen (figuur 2).
Bijvoorbeeld, Excelon F-RAM's van Cypress ondersteuning standby, diep power down en hibernate inactieve modi. Implementeren daarvan in een toepassing energieverbruik met ongeveer twee orden van grootte in combinatie met de onderste actieve energiemodus.
Figuur 3: Endurance cyclus vergelijking voor niet-vluchtig geheugen technologieën
EEPROM EN FLASH vereisen extra paginaplasser / pagina-schrijfcyclustijden, waardoor het systeem actieve tijd voor schrijfbewerkingen wordt verhoogd. De onmiddellijke niet-volatiliteit van F-RAM maakt het mogelijk met batterij-operatedesystemen om de voeding volledig uit te schakelen of sneller het systeem te laten vallen in een stilstaande inactieve modus om zowel actieve tijd als actieve stroom te verminderen.
Dit verbetert ook de betrouwbaarheid in toepassingen die nauwkeurige timingvereisten hebben waar gegevens in gevaar lopen tijdens een vermogensfout. F-RAM-cellen zijn ook zeer tolerant voor verschillende soorten straling, inclusief röntgenfoto's en gammastraling en zijn immuun voor magnetische velden, om opgenomen gegevens te beschermen.
Sommige F-RAM-apparaten, zoals Excelon LP, bieden on-chip foutencorrectiecode (ECC) die single-bits fouten in elk 64-bits gegevenswoord kunnen detecteren en corrigeren,, waardoor de opslagbetrouwbaarheid van het systeem van kritieke systeemgegevens wordt verhoogd. F-RAM ondersteunt ook gecontroleerde piekstroom (dwz inrush-stroomregeling van minder dan 1,5 mA) om overmatige afvoer van de batterij te voorkomen.
F-RAM kan worden gehuisvest in verpakking die ruimte-efficiënt is. De Excelon LP biedt bijvoorbeeld tot 8 MBIT en is verkrijgbaar in de industriestandaard acht-pins Soic- en miniatuur acht-pins GQFN-pakketten met doorvoer tot 50 MHz SPI I / O en 108MHZ QSPI (quad-spi) I / O.
F-RAM's vrijwel oneindig uithoudingsvermogen, directe niet-volatiliteit en een laag stroomverbruik laten systeemontwerpers zowel RAM- en ROM-gebaseerde gegevens en functies binnen één geheugen combineren.
Op de ROM-gebaseerde technologieën, waaronder masker-rom, OTP-EPROM en NOR-flits, zijn niet-vluchtig en zijn georiënteerd in de richting van codesopslagtoepassingen.
NAND-flash en EEPROM kunnen ook dienen als niet-vluchtig gegevensgeheugen. Deze vereisen allemaal een compromis, omdat ze beide code- als de gegevensopslag uitvoeren met lage prestaties in vergelijking met alternatieve herinneringen.
Deze technologieën richten zich op lagere kosten, die een afweging van gebruiksgemak en / of prestaties vereist.
RAM-gebaseerde technologieën dienen als gegevensgeheugen en ook als werkruimte voor de uitvoering van de code bij het uitvoeren van Flash bewijst te langzaam. RAM biedt een mix van code- en gegevensfunctionaliteit, maar de vluchtige aard beperkt het gebruik ervan tot tijdelijke opslag.
Draagbare applicaties vereisen geoptimaliseerde prestaties in zo min mogelijk componenten.
Het gebruik van meerdere geheugentypen kan leiden tot inefficiënties, compriceert codeontwerp en verbruikt typisch meer energie.
De efficiëntie en betrouwbaarheid van F-RAM maakt het mogelijk voor een enkele geheugentechnologie om zowel code als gegevens aan te pakken.
Het heeft het uithoudingsvermogen om hoogfrequente gegevensregistratie te ondersteunen tijdens het verlagen van het systeemkosten, het vergroten van de systeemefficiëntie en het verminderen van systeemcomplexiteit.
