รูปที่ 1: บล็อกไดอะแกรมของอุปกรณ์กระตุ้นทางการแพทย์โดยใช้หน่วยความจำภายนอกเพื่อรองรับการทำงานขั้นสูง
ความท้าทายครั้งแรกสำหรับสถาปนิก System คือการระบุระบบที่เหมาะสมบนชิป (SOC) หรือไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อทำหน้าที่เป็นหัวใจของระบบ ต้องมีความสามารถในการให้ประสิทธิภาพที่ต้องการในขณะเดียวกันก็ช่วยลดงบประมาณพลังงานของระบบโดยรวมพร้อมกัน
อุปกรณ์ต่อพ่วงเช่นความทรงจำภายนอกเซ็นเซอร์และอินเทอร์เฟซ telemetry จะต้องเทียบเท่ากับประสิทธิภาพ SOC / ไมโครคอนโทรลเลอร์ในขณะที่ยังรองรับปัจจัยที่กะทัดรัดและการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพ
ตัวเลือกหน่วยความจำ
อุปกรณ์ที่เลือกโดยทั่วไปรวมความทรงจำสองประเภทแฟลชและ SRAM
Flash เป็นหน่วยความจำที่ค่อนข้างช้าการเขียนที่ไม่ลบเลือนที่รองรับวงจรการเขียนจำนวน จำกัด มันถูกใช้เพื่อเก็บข้อมูลคงที่หรือการเปลี่ยนแปลงที่ช้าเช่นรหัสแอปพลิเคชันข้อมูลระบบและ / หรือบันทึกข้อมูลผู้ใช้โพสต์แปรรูป
SRAM เป็นหน่วยความจำที่มีความผันผวนที่เข้าถึงได้อย่างรวดเร็วซึ่งให้ความทนทานต่อวัฏจักรการเขียนไม่ จำกัด มันถูกใช้เพื่อเก็บข้อมูลระบบรันไทม์ชั่วคราว
ในฐานะที่เป็นความซับซ้อนของระบบเพิ่มขึ้นดังนั้นความซับซ้อนของโค้ดสำหรับฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์และอัลกอริทึมหลายอย่าง ความจุหน่วยความจำภายในของชิปภายในอาจไม่เพียงพอ ระบบการแพทย์แบบพกพามักต้องการพื้นที่เก็บข้อมูลเพิ่มเติมกำหนดให้นักออกแบบเพิ่มหน่วยความจำภายในที่มีหน่วยความจำภายนอก (รูปที่ 1)
หน่วยความจำภายนอกพลังงานต่ำสามารถใช้สำหรับการขยายตัวของ RAM โดยทั่วไปแล้ว SRAM ที่มีการใช้งานต่ำมากและปัจจุบันสแตนด์บาย ตัวเลือกสำหรับการจัดเก็บที่ไม่ลบเลือนรวมถึงแฟลช, EEPROM, MRAM และ F-RAM
หน่วยความจำแฟลชแบบอนุกรมใช้สำหรับโปรแกรมที่ไม่มีความผันผวนและการขยายพื้นที่เก็บข้อมูลเนื่องจากต้นทุนต่ำและความพร้อมใช้งานของความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตามมันมีการใช้พลังงานค่อนข้างสูงซึ่งช่วยลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่
แอปพลิเคชั่นบางตัวแทนที่ส่วนของหน่วยความจำด้วย EEPROM แต่นี่ยังไม่เป็นมิตรกับแบตเตอรี่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการดำเนินการเกี่ยวข้องกับการเขียนอย่างกว้างขวางถึง EEPROM นอกจากนี้ยังมีการออกแบบการออกแบบรหัสแอปพลิเคชัน
Magneto-Resistive Ram (MRAM) มีความอดทนในการเขียนไม่ จำกัด อย่างไรก็ตามข้อเสียของมันคือการใช้กระแสน้ำที่มีการใช้งานและสแตนด์บายสูงมากและมีความไวต่อสนามแม่เหล็กซึ่งสามารถทำลายข้อมูลที่เก็บไว้ได้ ลักษณะเหล่านี้ทำให้ไม่เหมาะสมในอุปกรณ์การแพทย์ที่ดำเนินการแบตเตอรี่
Ferroelectric Ram (F-RAM) มีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการในอุปกรณ์การแพทย์แบบพกพาและมีความทนทานรอบการเขียนสูง
ภาวะแทรกซ้อนทางการแพทย์
รูปที่ 2: การใช้พลังงานต่อการเขียน 4MB (μJ) สำหรับเทคโนโลยีหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือน
ความอดทนการเขียนที่ จำกัด ของ EEPROM และแฟลชสร้างปัญหาที่อาจเกิดขึ้นสำหรับอุปกรณ์การแพทย์ที่ต้องเก็บบันทึกข้อมูลที่ได้รับการอัปเดตอย่างต่อเนื่อง แฟลชให้ความอดทนตามคำสั่งของ 1e + 5 และ EEPROM เป็น 1e + 6 วัฏจักรการเขียน F-RAM ความอดทนคือ 1e + 14 (หรือ 100 ล้านล้าน) สิ่งนี้ช่วยให้อุปกรณ์สามารถบันทึกข้อมูลเพิ่มเติมได้โดยไม่ต้องใช้อัลกอริทึมการปรับระดับที่ซับซ้อนและความจุเพิ่มเติม (รูปที่ 3)
ข้อได้เปรียบที่สองคือสถาปัตยกรรมภายในของ F-RAM ใช้คำสั่งของขนาดพลังงานที่ลดลงกว่าแฟลชที่ใช้ประจุหรืออุปกรณ์เก็บข้อมูล EEPROM (รูปที่ 2)
ตัวอย่างเช่น Excelon F-Rams จาก STANDBY SUPPORT CYPRIBY กำลังปรับระดับความลึกและโหมดไม่ทำงานไฮเบอร์เนต การใช้งานเหล่านี้ลงในแอปพลิเคชันสามารถลดการใช้พลังงานได้ประมาณสองคำสั่งของขนาดร่วมกับโหมดพลังงานที่ใช้งานต่ำกว่า
รูปที่ 3: เปรียบเทียบวัฏจักรความอดทนสำหรับเทคโนโลยีหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือน
EEPROM และ FLASH ต้องใช้โปรแกรมหน้าเว็บ / หน้าเว็บเพิ่มเติมซึ่งเป็นการเพิ่มเวลาที่ใช้งานของระบบสำหรับการเขียน F-RAM ไม่สามารถเน้นความผันผวนของ F-RAM ได้ช่วยให้ระบบที่ใช้งานแบตเตอรี่ปิดแหล่งจ่ายไฟอย่างสมบูรณ์หรือวางระบบลงในโหมดใช้งานพลังงานต่ำเพื่อลดเวลาที่ใช้งานอยู่และปัจจุบัน
นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในแอปพลิเคชันที่มีข้อกำหนดเวลาที่แม่นยำซึ่งข้อมูลมีความเสี่ยงในระหว่างความผิดพลาดพลังงาน เซลล์ F-RAM ยังทนต่อการแผ่รังสีชนิดต่าง ๆ รวมถึงรังสีเอกซ์และรังสีแกมม่าและมีภูมิคุ้มกันต่อสนามแม่เหล็กเพื่อปกป้องข้อมูลที่บันทึกไว้
อุปกรณ์ F-RAM บางอย่างเช่น Excelon LP ให้รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดในการแก้ไขในชิป (ECC) ซึ่งสามารถตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดเดียวในแต่ละคำข้อมูล 64 บิตการเพิ่มความน่าเชื่อถือของข้อมูลระบบที่สำคัญ F-RAM ยังรองรับกระแสไฟสูงสุดที่ควบคุมได้ (เช่นการควบคุมกระแสไฟไหม้น้อยกว่า 1.5 mA) เพื่อป้องกันการปล่อยแบตเตอรี่มากเกินไป
F-RAM สามารถตั้งอยู่ในบรรจุภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพพื้นที่ ตัวอย่างเช่น Excelon LP เสนอสูงถึง 8mbit และมีอยู่ในแพคเกจ GQFN แปดพินมาตรฐานอุตสาหกรรมมาตรฐานแปดพินพร้อมปริมาณงานสูงถึง 50MHz SPI I / O และ 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O
ความอดทนที่ไม่มีที่สิ้นสุดของ F-RAM, ความผันผวนไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายทันทีและการใช้พลังงานต่ำช่วยให้นักออกแบบระบบรวมทั้งข้อมูลและฟังก์ชั่นที่ใช้ ram- และ rom ภายในหน่วยความจำเดียว
เทคโนโลยีที่ใช้ ROM รวมถึง Mask-Rom, OTP-EPROM และ NOR-FLASH ไม่ระเหยและมุ่งเน้นไปที่แอปพลิเคชันที่เก็บรหัส
NAND-Flash และ EEPROM ยังสามารถทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำข้อมูลที่ไม่ลบเลือน สิ่งเหล่านี้ต้องการการประนีประนอมเนื่องจากพวกเขาทำทั้งรหัสและการจัดเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพต่ำเมื่อเทียบกับความทรงจำทางเลือก
เทคโนโลยีเหล่านี้มุ่งเน้นไปที่ต้นทุนที่ต่ำกว่าซึ่งต้องใช้การแลกเปลี่ยนความสะดวกในการใช้งานและ / หรือประสิทธิภาพ
เทคโนโลยีที่ใช้ RAM ทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำข้อมูลและเป็นพื้นที่ทำงานสำหรับการดำเนินการรหัสเมื่อดำเนินการจากแฟลชพิสูจน์ให้ช้าเกินไป RAM ให้การผสมผสานของรหัสและฟังก์ชั่นข้อมูล แต่ธรรมชาติที่ผันผวนของมัน จำกัด การใช้งานเพื่อการจัดเก็บชั่วคราว
แอปพลิเคชั่นแบบพกพาต้องการประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในส่วนประกอบน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้
การใช้หน่วยความจำหลายประเภทสามารถนำไปสู่ความไร้ประสิทธิภาพการออกแบบโค้ดที่ซับซ้อนและมักจะใช้พลังงานมากขึ้น
ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของ F-RAM ทำให้เป็นไปได้สำหรับเทคโนโลยีหน่วยความจำเดียวในการจัดการกับรหัสและข้อมูล
มันมีความอดทนในการสนับสนุนการบันทึกข้อมูลความถี่สูงในขณะที่ลดต้นทุนระบบเพิ่มประสิทธิภาพของระบบและลดความซับซ้อนของระบบ
