Figuur 1: Blokdiagram van 'n mediese stimulasie toestel wat eksterne geheue gebruik om gevorderde funksionaliteit te ondersteun
Die eerste uitdaging vir stelselargitekte is om die regte stelsel op chip (SOC) of mikrokontroleerder te identifiseer om as die hart van die stelsel te dien. Dit moet in staat wees om die verlangde prestasie te verskaf, terwyl die algehele stelsel se kragbegroting gelyktydig verminder word.
Perifere toestelle, soos eksterne herinneringe, sensors en telemetrie-koppelvlakke, moet vergelykbaar wees met die SOC / MicroController-vertoning, terwyl dit ook 'n kompakte vormfaktor en doeltreffende kragverbruik ondersteun.
Geheue keuses
Die gekose toestel integreer gewoonlik twee tipes herinneringe, Flash en SRAM.
Flash is 'n relatief stadige, nie-vlugtige geheue wat 'n beperkte aantal skryf siklusse ondersteun. Dit word gebruik om vaste of stadige veranderende data soos aansoekkode, stelselinligting en / of na-verwerkte gebruikersdata-logboeke te hou.
SRAM is 'n vinnige toegang, vlugtige geheue wat onbeperkte skryf siklus uithouvermoë verskaf. Dit word gebruik om tydelike ren-time stelsel data te stoor.
Aangesien stelselkompleksiteit toeneem, doen ook kode kompleksiteit vir die veelvuldige wiskundige funksies en algoritmes. Interne on-chip geheue kapasiteit kan onvoldoende wees. Draagbare mediese stelsels het dikwels bykomende berging nodig, wat ontwerpers vereis om interne geheue te vergroot met eksterne geheue (Figuur 1).
'N Lae krag Eksterne geheue kan gebruik word vir ram uitbreiding, tipies 'n SRAM met uiters lae aktiewe en standby stroom. Opsies vir nie-vlugtige berging sluit in Flash, EEPROM, MRAM, en F-RAM.
Serial Flash Memory word gebruik vir nie-vlugtige program en data stoor uitbreiding as gevolg van sy lae koste en die beskikbaarheid van hoë digthede. Dit het egter relatief hoë energieverbruik, wat die bedryfslewe van battery-gebaseerde toestelle verminder.
Sommige toepassings vervang 'n gedeelte van die geheue met 'n EEPROM, maar dit is nog nie battery-vriendelik nie, veral wanneer bedrywighede omvattend is, skryf aan die EEPROM. Dit bemoeilik ook aansoekkode ontwerp.
Magneto-resistiewe RAM (MRAM) het onbeperkte skryf uithouvermoë. Die nadeel daarvan is dat dit egter baie hoë aktiewe en bystandstrome verbruik en vatbaar is vir magnetiese velde wat gestoor data kan korrupteer. Hierdie eienskappe maak dit dus nie geskik in battery-bedryfde mediese toestelle nie.
Ferroelektriese RAM (F-RAM), het verskeie belangrike voordele in draagbare mediese toestelle en dit het 'n hoë skryf-siklus uithouvermoë.
Mediese komplikasies
Figuur 2: Energieverbruik per 4MB Skryf (μJ) vir nie-vlugtige geheue tegnologieë
Die beperkte skryf uithouvermoë van EEPROM en Flash skep potensiële kwessies vir mediese toestelle wat data-logboeke moet stoor wat voortdurend opgedateer word. Flash bied uithouvermoë op die volgorde van 1e + 5 en EEPROM is 1e + 6. Die f-ram skryf siklus uithouvermoë is 1e + 14 (of 100 triljoen). Dit stel toestelle in staat om meer data te kan teken sonder om komplekse dra-nivelleringsalgoritmes te implementeer en bykomende kapasiteit te verbeter (Figuur 3).
'N Tweede voordeel is dat die interne argitektuur van F-RAM orde van grootte van laer aktiewe energie verbruik as ladinggebaseerde flits- of eeprom-bergingstoestelle (Figuur 2).
Byvoorbeeld, Excelon F-Rams van Cypress Support Standby, Deep Power Down and Hibernate Idle Modes. Implementering van hierdie in 'n aansoek kan kragverbruik te verminder met ongeveer twee ordes in kombinasie met die laer aktiewe krag af.
Figuur 3: Endurance siklus vergelyking vir nie-vlugtige geheue tegnologie
EEPROM en Flash vereis addisionele bladsy-program / bladsy-skryf siklus tye, dus toenemende stelsel aktiewe tyd vir skryf bedrywighede. F-RAM se onmiddellike nie-wisselvalligheid kan battery-bedryfstelsels die kragtoevoer heeltemal afskakel of die stelsel vinniger in 'n lae krag-idle af verwyder om beide aktiewe tyd en aktiewe stroom te verminder.
Dit verhoog ook betroubaarheid in toepassings wat presiese tydsvereistes het waar data tydens 'n kragfout in gevaar is. F-Ram-selle is ook hoogs verdraagsaam teenoor verskillende soorte straling, insluitende X-strale en gamma bestraling en is immuun teen magnetiese velde om aangetekende data te beskerm.
Sommige F-RAM-toestelle, soos Excelon LP, bied op-chip-foutkorreksie kode (ECC) wat een-bitsfoute in elke 64-bis-data-woord kan opspoor en regstel, wat die betroubaarheid van kritieke stelsel verhoog. F-RAM ondersteun ook beheerde piekstroom (dws inrush huidige beheer minder as 1,5 mA) om oormatige afskeiding van die battery te voorkom.
F-RAM kan gehuisves word in verpakking wat ruimte-doeltreffend is. Byvoorbeeld, die Excelon LP bied tot 8mbit en is beskikbaar in die Nywerheidstandaard Agt-Pin SOIC en Miniatuur agt-pen GQFN pakkette met deurset tot 50MHz SPI I / O en 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F-RAM se feitlik oneindige uithouvermoë, onmiddellike nie-volatiliteit en lae kragverbruik laat stelselontwerpers toe om beide ram- en rom-gebaseerde data en funksies binne 'n enkele geheue te kombineer.
ROM-gebaseerde tegnologieë, insluitende masker-rom, OTP-EPROM, en NOR-FLASH, is nie-vlugtig en is georiënteerd teenoor kodebergingsaansoeke.
Nand-Flash en EEPROM kan ook dien as nie-vlugtige data geheue. Dit vereis almal 'n kompromie, aangesien hulle beide kode en data stoor met lae prestasie verrig in vergelyking met alternatiewe herinneringe.
Hierdie tegnologie fokus op laer koste, wat 'n afhandeling van gemak van gebruik en / of prestasie vereis.
RAM-gebaseerde tegnologieë dien as data-geheue en ook as 'n werkruimte vir die uitvoering van kode wanneer dit van Flash uitgevoer word, bewys te stadig. RAM bied 'n versnit van kode en data funksionaliteit, maar die wisselvallige natuur beperk die gebruik van tydelike berging.
Draagbare aansoeke vereis geoptimaliseerde prestasie in so min komponente as moontlik.
Die gebruik van verskeie geheue tipes kan tot ondoeltreffendhede lei, kommunikeer kode ontwerp en gebruik gewoonlik meer energie.
Die doeltreffendheid en betroubaarheid van F-RAM maak dit moontlik vir 'n enkele geheuetegnologie om beide kode en data te hanteer.
Dit het die uithouvermoë om hoëfrekwensie data-aanmelding te ondersteun terwyl die stelselkoste verlaag word, toenemende stelseldoeltreffendheid en die vermindering van stelselkompleksiteit.
