الشكل 1: رسم تخطيطي لجهاز التحفيز الطبي باستخدام الذاكرة الخارجية لدعم الوظائف المتقدمة
التحدي الأول لمهندسي النظام هو تحديد النظام المناسب على الرقاقة (SoC) أو المتحكم الدقيق ليكون بمثابة قلب النظام. يجب أن يكون قادرًا على توفير الأداء المطلوب مع تقليل ميزانية طاقة النظام الإجمالية في نفس الوقت.
يجب أن تكون الأجهزة الطرفية ، مثل الذكريات الخارجية وأجهزة الاستشعار وواجهات القياس عن بُعد قابلة للمقارنة مع أداء SoC / وحدة التحكم الدقيقة ، مع دعم عامل الشكل المضغوط والاستهلاك الفعال للطاقة.
اختيارات الذاكرة
يدمج الجهاز المختار بشكل عام نوعين من الذكريات ، فلاش وذاكرة SRAM.
الفلاش عبارة عن ذاكرة بطيئة نسبيًا وغير متقلبة تدعم عددًا محدودًا من دورات الكتابة. يتم استخدامه للاحتفاظ ببيانات ثابتة أو بطيئة التغير مثل كود التطبيق و / أو معلومات النظام و / أو سجلات بيانات المستخدم بعد المعالجة.
SRAM هي ذاكرة متقلبة سريعة الوصول توفر قدرة تحمل غير محدودة لدورة الكتابة. يتم استخدامه لتخزين بيانات نظام وقت التشغيل المؤقتة.
مع زيادة تعقيد النظام ، يزداد تعقيد الكود للوظائف والخوارزميات الرياضية المتعددة. قد تكون سعة الذاكرة الداخلية على الرقاقة غير كافية. غالبًا ما تحتاج الأنظمة الطبية المحمولة إلى مساحة تخزين إضافية ، مما يتطلب من المصممين زيادة الذاكرة الداخلية بالذاكرة الخارجية (الشكل 1).
يمكن استخدام ذاكرة خارجية منخفضة الطاقة لتوسيع ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، وعادةً ما تكون ذاكرة SRAM ذات تيار نشط وتيار احتياطي منخفض للغاية. تشمل خيارات التخزين غير المتطاير فلاش و EEPROM و MRAM و F-RAM.
تُستخدم ذاكرة الفلاش التسلسلية للبرامج غير المتطايرة وتوسيع تخزين البيانات بسبب تكلفتها المنخفضة وتوافر كثافات عالية. ومع ذلك ، فهي تتمتع باستهلاك مرتفع نسبيًا للطاقة ، مما يقلل من العمر التشغيلي للأجهزة التي تعمل بالبطاريات.
تستبدل بعض التطبيقات جزءًا من الذاكرة بـ EEPROM ، ولكن هذا لا يزال غير مناسب للبطارية ، خاصةً عندما تتضمن العمليات عمليات كتابة مكثفة إلى EEPROM. كما أنه يعقد تصميم كود التطبيق.
تتميز ذاكرة الوصول العشوائي ذات المقاومة المغناطيسية (MRAM) بقدرة تحمل غير محدودة على الكتابة. ومع ذلك ، فإن عيبه هو أنه يستهلك تيارات عالية جدًا نشطة واحتياطية وهو عرضة للمجالات المغناطيسية التي يمكن أن تفسد البيانات المخزنة. وبالتالي فإن هذه الخصائص تجعلها غير مناسبة للأجهزة الطبية التي تعمل بالبطاريات.
تتمتع ذاكرة الوصول العشوائي الكهرومائية (F-RAM) بالعديد من المزايا الرئيسية في الأجهزة الطبية المحمولة ولديها قدرة عالية على التحمل لدورة الكتابة.
المضاعفات الطبية
الشكل 2: استهلاك الطاقة لكل كتابة 4 ميجا بايت (µJ) لتقنيات الذاكرة غير المتطايرة
يخلق التحمل المحدود للكتابة لـ EEPROM والفلاش مشكلات محتملة للأجهزة الطبية التي تحتاج إلى تخزين سجلات البيانات التي يتم تحديثها باستمرار. يوفر فلاش القدرة على التحمل في حدود 1E + 5 و EEPROM هو 1E + 6. تبلغ قدرة تحمل دورة الكتابة F-RAM 1E + 14 (أو 100 تريليون). يتيح ذلك للأجهزة القدرة على تسجيل المزيد من البيانات دون الحاجة إلى تنفيذ خوارزميات تسوية التآكل المعقدة والإفراط في توفير سعة إضافية (الشكل 3).
الميزة الثانية هي أن البنية الداخلية لـ F RAM تستهلك طاقة نشطة أقل من الطاقة النشطة القائمة على الشحن أو أجهزة التخزين EEPROM (الشكل 2).
على سبيل المثال ، تدعم Excelon F ‑ RAMs من Cypress وضع الاستعداد وإيقاف التشغيل العميق ووضع السبات في وضع الخمول. يمكن أن يؤدي تطبيق هذه في أحد التطبيقات إلى تقليل استهلاك الطاقة بحوالي أمرين من حيث الحجم مع وضع الطاقة النشطة المنخفضة.
الشكل 3: مقارنة دورة التحمل لتقنيات الذاكرة غير المتطايرة
تتطلب ذاكرة EEPROM والفلاش أوقات دورات كتابة صفحة / برنامج صفحة إضافية ، مما يزيد من الوقت النشط للنظام لعمليات الكتابة. يسمح عدم التقلب الفوري لـ F ‑ RAM للأنظمة التي تعمل بالبطاريات بإيقاف تشغيل مصدر الطاقة تمامًا أو إسقاط النظام بسرعة أكبر في وضع الخمول منخفض الطاقة لتقليل الوقت النشط والتيار النشط.
يعمل هذا أيضًا على تحسين الموثوقية في التطبيقات التي لها متطلبات توقيت دقيقة حيث تكون البيانات معرضة للخطر أثناء حدوث عطل في الطاقة. كما أن خلايا F ‑ RAM شديدة التحمل لأنواع مختلفة من الإشعاع ، بما في ذلك الأشعة السينية وإشعاع غاما وهي محصنة ضد المجالات المغناطيسية لحماية البيانات المسجلة.
توفر بعض أجهزة F RAM ، مثل Excelon LP ، رمز تصحيح الخطأ على الشريحة (ECC) الذي يمكنه اكتشاف وتصحيح أخطاء أحادية البت في كل كلمة بيانات ذات 64 بت ، مما يزيد من موثوقية تخزين سجلات بيانات النظام الهامة. تدعم F ‑ RAM أيضًا تيار الذروة المتحكم فيه (أي التحكم في تيار التدفق أقل من 1.5 مللي أمبير) لمنع التفريغ المفرط للبطارية.
يمكن وضع F ‑ RAM في عبوات موفرة للمساحة. على سبيل المثال ، يوفر Excelon LP ما يصل إلى 8 ميجابت ومتوفر في حزم SOIC القياسية ذات ثمانية سنون وحزم GQFN المصغرة من ثمانية أسنان مع سرعة نقل تصل إلى 50 ميجاهرتز SPI I / O و 108 ميجاهرتز QSPI (Quad ‑ SPI) I / O.
قدرة التحمل اللامحدودة لـ F ‑ RAM وعدم التقلب الفوري والاستهلاك المنخفض للطاقة تسمح لمصممي النظام بدمج كل من البيانات القائمة على ذاكرة الوصول العشوائي RAM‑ ووظائفها في ذاكرة واحدة.
إن التقنيات القائمة على ذاكرة القراءة فقط ، بما في ذلك Mask ROM و OTP ‑ EPROM و NOR flash ، غير متطايرة وموجهة نحو تطبيقات تخزين الكود.
يمكن أيضًا استخدام فلاش NAND و EEPROM كذاكرة بيانات غير متطايرة. كل هذه تتطلب بعض الحلول الوسط ، لأنها تؤدي كلاً من الكود وتخزين البيانات بأداء منخفض مقارنة بالذكريات البديلة.
تركز هذه التقنيات على تكلفة أقل ، الأمر الذي يتطلب مقايضة بين سهولة الاستخدام و / أو الأداء.
تعمل التقنيات المستندة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) كذاكرة بيانات وأيضًا كمساحة عمل لتنفيذ التعليمات البرمجية عندما يثبت التنفيذ من الفلاش ببطء شديد. توفر ذاكرة الوصول العشوائي مزيجًا من وظائف التعليمات البرمجية والبيانات ، ولكن طبيعتها المتقلبة تحد من استخدامها للتخزين المؤقت.
تتطلب التطبيقات المحمولة أداءً محسنًا في أقل عدد ممكن من المكونات.
يمكن أن يؤدي استخدام أنواع ذاكرة متعددة إلى عدم الكفاءة ، ويعقد تصميم الكود ويستهلك عادةً المزيد من الطاقة.
تجعل كفاءة وموثوقية F ‑ RAM من الممكن لتقنية ذاكرة واحدة معالجة كل من التعليمات البرمجية والبيانات.
لديه القدرة على التحمل لدعم تسجيل البيانات عالي التردد مع خفض تكلفة النظام ، وزيادة كفاءة النظام وتقليل تعقيد النظام.
