Rysunek 1: Diagram blokowania urządzenia stymulacji medycznej przy użyciu pamięci zewnętrznej do obsługi zaawansowanej funkcjonalności
Pierwszym wyzwaniem dla architektów systemu jest zidentyfikowanie właściwego systemu na chipie (SOC) lub mikrokontroler, aby służyć jako serce systemu. Musi być w stanie zapewnić pożądaną wydajność, jednocześnie zmniejszając budżet energii ogólnej systemu.
Urządzenia peryferyjne, takie jak wspomnienia zewnętrzne, czujniki i interfejsy telemetrii muszą być porównywalne z wydajnością SOC / MicroController, a także wspieranie kompaktowego współczynnika tworzenia i wydajne zużycie energii.
Wybory pamięci
Wybrane urządzenie ogólnie integruje dwa rodzaje wspomnień, flash i SRAM.
Flash jest stosunkowo zwolnionym zapisem, nieulotną pamięcią, która obsługuje ograniczoną liczbę cykli zapisu. Służy do przechowywania stałych lub wolno zmieniających się danych, takich jak kod aplikacji, informacje o systemie i / lub rejestrowanie danych użytkownika po przetworzonym.
SRAM to szybki dostęp, lotny pamięć, która zapewnia nieograniczoną wytrzymałość cyklu zapisu. Służy do przechowywania tymczasowych danych systemu wykonywania.
Ponieważ złożoność systemowa wzrasta, więc złożoność kodu dla wielu funkcji matematycznych i algorytmów. Wewnętrzna pojemność pamięci na chip może być niewystarczająca. Przenośne systemy medyczne często wymagają dodatkowej pamięci, wymagając projektantów do rozszerzenia pamięci wewnętrznej z pamięcią zewnętrzną (rysunek 1).
Pamięć zewnętrzna o niskiej mocy może być stosowana do ekspansji RAM, zazwyczaj SRAM o wyjątkowo niskim prądu aktywnym i gotowości. Opcje przechowywania nieulotnego obejmują Flash, EEPROM, MRAM i F-RAM.
Serial Flash pamięć jest używana do rozszerzenia nieulotnego i przechowywania danych ze względu na niski koszt i dostępność wysokich gęstości. Jednak ma stosunkowo wysoką zużycie energii, co zmniejsza żywotność urządzeń opartych na baterii.
Niektóre aplikacje zastępują część pamięci EEPROM, ale nadal nie jest to przyjazne bateryjnie, zwłaszcza gdy operacje obejmują rozległe pisze do EEPROM. Ulikuje również projektowanie kodu aplikacji.
Magneto-Resistive RAM (MRAM) ma nieograniczoną wytrzymałość na zapis. Jego wadą jest jednak, że zużywa bardzo wysokie prądy aktywne i gotowości i jest podatny na pola magnetyczne, które mogą uszkodzić przechowywane dane. Cechy te sprawiają zatem nieodpowiednie w eksploatowanych baterii urządzeń medycznych.
Ferroelecric RAM (F-RAM), ma kilka kluczowych korzyści w przenośnych urządzeniach medycznych i ma wysoką wytrzymałość cyklu do zapisu.
Powikłania medyczne
Rysunek 2: Zużycie energii na 4 MB zapisu (μJ) do technologii pamięci nieulotnych
Ograniczona wytrzymałość na zapis EEPROM i Flash stwarza potencjalne problemy dla urządzeń medycznych, które muszą przechowywać dzienniki danych, które są stale aktualizowane. Flash oferuje wytrzymałość na rzędu 1E + 5, a EEPROM jest 1E + 6. Wytrzymałość cyklu zapisu F-RAM wynosi 1e + 14 (lub 100 biliona). Umożliwia to urządzeniu mogą być w stanie zalogować więcej danych bez konieczności wdrażania złożonych algorytmów zużycia i nadmiernej przepisów dodatkowych (Rysunek 3).
Drugą zaletą jest to, że wewnętrzna architektura F-RAM zużywa rzędy wielkości niższą energię aktywną niż ładowanie Flash lub EEPROM urządzenia pamięci masowej (Rysunek 2).
Na przykład Excelon F-RAMS z Cypress Support Support Standby, głębokie zasilanie w dół i hibernacji trybów bezczynności. Wdrażanie ich do aplikacji może zmniejszyć zużycie energii o około dwa rzędy wielkości w połączeniu z niższym aktywnym trybem mocy.
Rysunek 3: porównanie cyklu wytrzymałościowego do technologii pamięci nieulotnych
EEPROM i Flash wymagają dodatkowego programu - czasy cyklu strony internetowej, w ten sposób zwiększając czas aktywny system dla operacji zapisu. Natychmiastowa niestabilność F-RAM umożliwia systemy obsługi w baterii, aby całkowicie wyłączyć zasilacz lub szybciej usunąć system w trybie bezczynności niskiej mocy, aby zmniejszyć zarówno czas aktywny, jak i aktywny prąd.
Zwiększa to również niezawodność w aplikacjach, które mają precyzyjne wymagania czasowe, w których dane są zagrożone podczas błędu mocy. Komórki F-RAM są również wysoce tolerancyjne do różnych rodzajów promieniowania, w tym promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma i są odporne na pola magnetyczne, aby chronić nagrane dane.
Niektóre urządzenia F-RAM, takie jak Excelon LP, zapewniają kod błędu błędów w chipach (ECC), który może wykryć i poprawić błędy pojedynczych bitów w każdym 64-bitowym słowie danych, zwiększając niezawodność pamięci masowej danych krytycznych. F-RAM obsługuje również kontrolowany prąd szczytowy (tj. Kontrola prądu, mniejsza niż 1,5 mA), aby zapobiec nadmiernym rozładowaniu baterii.
F-RAM można umieszczać w opakowaniu, które jest wydajne. Na przykład, Excelon LP oferuje do 8mbit i jest dostępny w przemyśle Standardowy osiem-szpilki i miniaturowy osiem pakietów GQFN z przepustowością do 50 MHz SPI I / O i 108 MHz QSPI (quad-spi) we / wy.
Praktycznie nieskończona wytrzymałość F-RAM, natychmiastowa niewiarygodność i niskie zużycie energii umożliwiają projektantom systemu łączenia zarówno danych RAM-ROM, jak i funkcje w ciągu jednej pamięci.
Technologie oparte na ROM, w tym maska-ROM, OTP-EPROM i Nor-Flash, są nieulotne i są zorientowane w kierunku zastosowań pamięci masowej.
Nand-Flash i EEPROM może również służyć jako nieulotną pamięć danych. Wszystkie wymagają pewnego kompromisu, ponieważ wykonują zarówno przechowywanie kodu, jak i danych przy niskiej wydajności w porównaniu z alternatywnymi wspomnieniami.
Technologie te koncentrują się na niższych kosztach, co wymaga kompromisu łatwości użytkowania i / lub wydajności.
Technologie oparte na pamięci RAM służą jako pamięć danych, a także jako przestrzeń roboczą w celu wykonania kodu podczas wykonywania z flash, okazuje się zbyt wolno. RAM zapewnia mieszankę kodu i funkcjonalności danych, ale jego lotny charakter ogranicza jego zastosowanie do tymczasowego przechowywania.
Przenośne aplikacje wymagają zoptymalizowanej wydajności w jak najmniejszej liczbie komponentów.
Korzystanie z wielu rodzajów pamięci może prowadzić do nieefektywności, komplikuje projektowania kodu i zazwyczaj zużywa więcej energii.
Wydajność i niezawodność F-RAM umożliwia komunikację pojedynczej pamięci do obsługi zarówno kodu, jak i danych.
Posiada wytrzymałość na obsługę rejestrowania danych o wysokiej częstotliwości podczas obniżania kosztów systemu, zwiększenie wydajności systemu i ograniczania złożoności systemu.
