Figura 1: Diagrama blocului unui dispozitiv de stimulare medicală utilizând memoria externă pentru a susține funcționalitatea avansată
Prima provocare pentru arhitecții de sistem este de a identifica sistemul potrivit pe cip (SOC) sau microcontroler pentru a servi ca inima sistemului. Acesta trebuie să fie capabil să furnizeze performanța dorită, reducând simultan bugetul general al sistemului.
Dispozitivele periferice, cum ar fi amintirile externe, senzorii și interfețele de telemetrie, trebuie să fie comparabile cu performanța Soc / Microcontroler, susținând, de asemenea, un factor de formă compact și un consum eficient de energie.
Opțiunile de memorie
Dispozitivul ales integrează în general două tipuri de amintiri, flash și sram.
Flash este o memorie relativ lentă, non-volatilă, care acceptă un număr limitat de cicluri de scriere. Se utilizează pentru a menține date fixe sau în schimbarea lentă, cum ar fi codul de aplicare, informațiile despre sistem și / sau jurnalele de date de utilizator post-procesate.
SRAM este o memorie volatilă rapidă, care oferă rezistență nelimitată de ciclu de scriere. Este folosit pentru a stoca date temporare de sistem de funcționare.
Pe măsură ce crește complexitatea sistemului, la fel și complexitatea codului pentru funcțiile multiple matematice și algoritmi. Capacitatea internă de memorie la chip poate fi insuficientă. Sistemele medicale portabile au adesea nevoie de depozitare suplimentară, care necesită designeri pentru a mări memoria internă cu memoria externă (Figura 1).
O memorie externă de alimentare cu putere redusă poate fi utilizată pentru expansiunea RAM, de obicei o SRAM cu curent extrem de scăzut activ și de așteptare. Opțiunile pentru stocarea non-volatile includ Flash, EEPROM, MRAM și F-RAM.
Memoria flasherică serială este utilizată pentru expansiunea programului non-volatil și a stocării datelor datorită costului său scăzut și disponibilității de densități mari. Cu toate acestea, are un consum relativ ridicat de energie, ceea ce reduce durata de funcționare a dispozitivelor bazate pe baterie.
Unele aplicații înlocuiesc o parte a memoriei cu un EEPROM, dar acest lucru nu este încă prietenos cu baterii, în special atunci când operațiunile implică scrieri extensive la EEPROM. De asemenea, complică proiectarea codului de aplicare.
Magneto-rezistive RAM (MRAM) are o rezistență nelimitată de scriere. Dezavantajul său este totuși că consumă curenți foarte activi și de așteptare și este susceptibil la câmpuri magnetice care pot corupe datele stocate. Aceste caracteristici o fac, prin urmare, necorespunzătoare în dispozitivele medicale acționate cu baterii.
Ferroelectric RAM (F-RAM) are mai multe avantaje cheie în dispozitivele medicale portabile și are o rezistență ridicată a ciclului de scriere.
Complicații medicale
Figura 2: Consumul de energie pe 4MB scrie (μj) pentru tehnologii de memorie non-volatile
Rezistența limitată a scrierii EEPROM și Flash creează probleme potențiale pentru dispozitivele medicale care necesită stocarea jurnalelor de date care sunt în permanență actualizate. Flash oferă rezistență la ordinul 1e + 5 și EEPROM este 1E + 6. Rezistența la ciclul de scriere F-RAM este 1E + 14 (sau 100 de trilioane). Acest lucru permite ca dispozitivele să poată înregistra mai multe date fără a trebui să implementeze algoritmi complexi de nivelare a uzurii și o capacitate suplimentară suplimentară (Figura 3).
Un al doilea avantaj este că arhitectura internă a F-RAM consumă ordine de magnitudine mai scăzută de energie activă decât blițul blițului sau dispozitivele de stocare EEPROM (Figura 2).
De exemplu, Excelon F-RAM-uri de la standby de suport de tip CYPRESS, moduri profunde și hibernate moduri inactiv. Implementarea acestora într-o aplicație poate reduce consumul de energie cu aproximativ două ordine de mărime în combinație cu modul de alimentare activ inferior.
Figura 3: compararea ciclului de anduranță pentru tehnologiile non-volatile de memorie
EEPROM și Flash necesită timp suplimentar de pagini / pagini de scriere, crescând astfel timpul activ al sistemului pentru operațiunile de scriere. Non-volatilitatea imediată a F-RAM permite sistemelor acționate cu baterii să oprească complet sursa de alimentare sau să piardă mai repede sistemul într-un mod de inactivitate scăzut pentru a reduce atât timpul activ, cât și curentul activ.
Acest lucru îmbunătățește, de asemenea, fiabilitatea în aplicațiile care au cerințe precise de timp în care datele sunt expuse riscului în timpul unei defecțiuni de putere. Celulele F-RAM sunt, de asemenea, foarte tolerante la diferite tipuri de radiații, inclusiv radiații X și radiații gamma și sunt imune la câmpurile magnetice, pentru a proteja datele înregistrate.
Unele dispozitive F-RAM, cum ar fi Excelon LP, asigură codul de corecție a erorilor pe chip (ECC), care poate detecta și corecta erorile cu un singur bit în fiecare cuvânt de date pe 64 de biți, sporind fiabilitatea de depozitare a sistemului de date a sistemului critic. F-RAM acceptă, de asemenea, curentul de vârf controlat (adică controlul curentului de intrare mai mic de 1,5 mA) pentru a preveni descărcarea excesivă a bateriei.
F-RAM poate fi găzduit în ambalaje care este eficient din punct de vedere al spațiului. De exemplu, Excelon LP oferă până la 8mbit și este disponibil în industrie SOPS-PIN SOIC SOIC și pachete miniaturale de opt pini cu opt pini cu putere de până la 50MHz Spi I / O și 108MHz QSPI (QUAD-SPI) I / O.
F-RAM's practic infinită de rezistență, non-volatilitate instantanee și consum redus de energie permit designerilor de sistem să combine atât datele și funcțiile bazate pe RAM și ROM într-o singură memorie.
Tehnologiile bazate pe ROM, inclusiv Mask-Rom, OTP-Eprom și Nor-Flash, sunt nevolatile și sunt orientate spre aplicațiile de stocare a codului.
NAND-Flash și EEPROM pot servi, de asemenea, ca memorie de date non-volatile. Toate acestea necesită un compromis, deoarece acestea îndeplinesc atât codul de cod, cât și stocarea datelor cu performanțe reduse în comparație cu amintirile alternative.
Aceste tehnologii se concentrează pe un cost mai mic, ceea ce necesită o compromisare a ușurinței de utilizare și / sau a performanței.
Tehnologiile bazate pe RAM servesc ca memorie de date și, de asemenea, ca spațiu de lucru pentru executarea codului atunci când executarea de la Flash se dovedește prea lent. RAM oferă un amestec de cod și funcționalitate a datelor, dar natura volatilă limitează utilizarea acesteia la depozitarea temporară.
Aplicațiile portabile necesită o performanță optimizată în cât mai puține componente posibil.
Folosirea mai multor tipuri de memorie poate duce la ineficiențe, complică designul codului și consumă în mod obișnuit mai multă energie.
Eficiența și fiabilitatea F-RAM face posibilă o singură tehnologie de memorie să gestioneze atât codul, cât și datele.
Are rezistența pentru a sprijini logarea datelor de înaltă frecvență în timp ce reduceți costul sistemului, creșterea eficienței sistemului și reducerea complexității sistemului.
