Figur 1: Blokkeringsdiagram over en medisinsk stimuleringsenhet med eksternt minne for å støtte avansert funksjonalitet
Den første utfordringen for systemarkitekter er å identifisere det rette systemet på chip (Soc) eller Microcontroller for å tjene som hjertet av systemet. Det må være i stand til å gi den ønskede ytelsen samtidig som det reduserer det samlede systemets strømbudsjett.
Perifere enheter, for eksempel eksterne minner, sensorer og telemetri-grensesnitt må være sammenlignbare med SOC / MicroController-ytelsen, samtidig som det støtter en kompakt formfaktor og effektivt strømforbruk.
Minne valg
Den valgte enheten integrerer vanligvis to typer minner, flash og SRAM.
Flash er et relativt sakte skrive, ikke-flyktig minne som støtter et begrenset antall skrive sykluser. Det brukes til å holde fast eller sakte endringsdata som applikasjonskode, systeminformasjon og / eller postbehandlede brukerdata-logger.
SRAM er et raskt tilgang, volatilt minne som gir ubegrenset skrivesyklusutholdenhet. Det brukes til å lagre midlertidig kjøretidsdata.
Som systemkompleksitet øker, så gjør det også koden kompleksitet for flere matematiske funksjoner og algoritmer. Internt på-chip-minnekapasitet kan være utilstrekkelig. Bærbare medisinske systemer trenger ofte ekstra lagringsplass, og krever at designere forsterker internt minne med eksternt minne (Figur 1).
Et lavt effekt eksternt minne kan brukes til RAM-ekspansjon, typisk en SRAM med ekstremt lav aktiv og standby-strøm. Alternativer for ikke-flyktig lagring inkluderer Flash, Eeprom, Mram og F-Ram.
Seriell flashminne brukes til ikke-flyktig program og datalagringsutvidelse på grunn av sin lave kostnader og tilgjengeligheten av høydensiteter. Det har imidlertid relativt høyt energiforbruk, noe som reduserer driftslivet til batteribaserte enheter.
Noen programmer erstatter en del av minnet med en EEPROM, men dette er fortsatt ikke batteriet, spesielt når operasjonene innebærer omfattende skriver til EEPROM. Det kompliserer også applikasjonskode design.
Magneto-resistiv RAM (MRAM) har ubegrenset skriv utholdenhet. Dens ulempe er imidlertid at det forbruker meget høye aktive og standby-strømmer og er utsatt for magnetiske felt som kan ødelegge lagrede data. Disse egenskapene gjør det derfor uegnet i batteridrevne medisinske enheter.
Ferroelektrisk RAM (F-RAM), har flere viktige fordeler i bærbare medisinske enheter, og det har høy skrivesyklusutholdenhet.
Medisinske komplikasjoner
Figur 2: Energiforbruk per 4 MB skriv (μJ) for ikke-flyktige minneknologier
Den begrensede skrivende utholdenhet av EEPROM og Flash skaper potensielle problemer for medisinske enheter som må lagre datalogger som stadig oppdateres. Flash tilbyr utholdenhet i rekkefølgen på 1E + 5 og EEPROM er 1e + 6. F-RAM-skrivesyklusen Endurance er 1e + 14 (eller 100 billioner). Dette gjør det mulig for enheter å logge på flere data uten å måtte implementere komplekse slitasje-algoritmer og over-levering av tilleggskapasitet (figur 3).
En annen fordel er at den interne arkitekturen til F-RAM forbruker størrelsesorden lavere aktiv energi enn ladingbaserte flash- eller EEPROM-lagringsenheter (Figur 2).
For eksempel, Excelon F-Rams fra Cypress-støtte Standby, Deep Power Down og Hibernate Idle Modes. Implementering av disse til et program kan redusere strømforbruket med omtrent to størrelsesordener i kombinasjon med den nedre aktive strømmodus.
Figur 3: Endurance syklus sammenligning for ikke-flyktige minneknologier
EEPROM og Flash krever ekstra sideprogram / side-skrive syklus ganger, og dermed øker systemet aktiv tid for skriveoperasjoner. F-RAMs umiddelbare ikke-volatilitet gjør det mulig for batteridrevne systemer å slå av strømforsyningen helt eller raskere til å slippe systemet til en tomgangs-modus for lav strøm for å redusere både aktiv tid og aktiv strøm.
Dette forbedrer også påliteligheten i applikasjoner som har presise timing krav der data er i fare under en strømfeil. F-RAM-celler er også svært tolerante for ulike typer stråling, inkludert røntgenstråler og gammastråling og er immun mot magnetiske felt, for å beskytte registrerte data.
Noen F-RAM-enheter, for eksempel Excelon LP, gir on-chip-feilkorrigeringskode (ECC) som kan oppdage og korrigere enkeltbit-feil i hvert 64-biters dataord, øker kritiske systemdataloger. F-RAM støtter også kontrollert toppstrøm (dvs. inrush nåværende kontroll mindre enn 1,5 mA) for å forhindre overdreven utslipp av batteriet.
F-RAM kan plasseres i emballasje som er romseffektiv. Excelon LP tilbyr for eksempel opptil 8mbit og er tilgjengelig i industristandard åtte-pin-sok og miniatyr åtte-pin GQFN-pakker med gjennomstrømning på opptil 50 MHz SPI I / O og 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F-RAMs nesten uendelig utholdenhet, umiddelbar ikke-volatilitet og lavt strømforbruk tillater systemdesignere å kombinere både RAM- og ROM-baserte data og funksjoner i et enkelt minne.
ROM-basert teknologier, inkludert maske-ROM, OTP-EPROM og Nor-Flash, er ikke-flyktige og er orientert mot kodelagringsapplikasjoner.
NAND-Flash og EEPROM kan også fungere som ikke-flyktig datahukommelse. Disse krever alle noe kompromiss, siden de utfører både kode og datalagring med lav ytelse sammenlignet med alternative minner.
Disse teknologiene fokuserer på lavere kostnader, som krever en nedgang av brukervennlighet og / eller ytelse.
RAM-baserte teknologier fungerer som datahukommelse og også som et arbeidsrom for kodeutførelse når de utføres fra Flash, viser for sakte. RAM gir en blanding av kode og datafunksjonalitet, men dens volatile natur begrenser bruken til midlertidig lagring.
Bærbare applikasjoner krever optimal ytelse i så få komponenter som mulig.
Bruk av flere minnetyper kan føre til ineffektivitet, kompliserer kodesign og bruker vanligvis mer energi.
Effektiviteten og påliteligheten til F-RAM gjør det mulig for en enkelt minne teknologi å håndtere både kode og data.
Den har utholdenhet for å støtte høyfrekvent data logging mens du senker systemkostnaden, øker systemeffektiviteten og reduserer systemkompleksiteten.
