Obrázek 1: Blokové schéma zdravotnického stimulačního zařízení využívající k podpoře pokročilých funkcí externí paměť
První výzvou pro systémové architekty je určit ten správný systém na čipu (SoC) nebo mikrokontroléru, který bude sloužit jako srdce systému. Musí být schopen poskytnout požadovaný výkon a současně snížit celkový energetický rozpočet systému.
Periferní zařízení, jako jsou externí paměti, senzory a telemetrická rozhraní, musí být srovnatelná s výkonem SoC / mikrokontroléru a zároveň musí podporovat kompaktní provedení a efektivní spotřebu energie.
Možnosti paměti
Zvolené zařízení obecně integruje dva typy pamětí, flash a SRAM.
Flash je energeticky nezávislá paměť s relativně pomalým zápisem, která podporuje omezený počet cyklů zápisu. Používá se k uchovávání fixních nebo pomalu se měnících dat, jako je kód aplikace, informace o systému a / nebo protokoly uživatelských dat po zpracování.
SRAM je volatilní paměť s rychlým přístupem, která poskytuje neomezenou výdrž cyklu zápisu. Používá se k ukládání dočasných systémových dat za běhu.
Jak se zvyšuje složitost systému, zvyšuje se i složitost kódu pro více matematických funkcí a algoritmů. Kapacita vnitřní paměti na čipu může být nedostatečná. Přenosné lékařské systémy často potřebují další úložiště, což vyžaduje, aby návrháři rozšířili interní paměť o externí (obrázek 1).
Pro rozšíření RAM lze použít externí paměť s nízkou spotřebou, obvykle SRAM s extrémně nízkým aktivním a pohotovostním proudem. Možnosti energeticky nezávislého úložiště zahrnují flash, EEPROM, MRAM a F-RAM.
Sériová flash paměť se používá pro energeticky nezávislé rozšíření programu a datového úložiště kvůli jeho nízké ceně a dostupnosti vysokých hustot. Má však relativně vysokou spotřebu energie, což snižuje provozní životnost zařízení na baterii.
Některé aplikace nahrazují část paměti EEPROM, ale stále to není vhodné pro baterii, zvláště když operace vyžadují rozsáhlé zápisy do EEPROM. Také komplikuje návrh kódu aplikace.
Magneto-odporová RAM (MRAM) má neomezenou výdrž při zápisu. Jeho nevýhodou však je, že spotřebovává velmi vysoké aktivní a pohotovostní proudy a je citlivý na magnetická pole, která mohou poškodit uložená data. Tyto vlastnosti jej proto činí nevhodným pro lékařské přístroje napájené z baterie.
Feroelektrická RAM (F-RAM) má v přenosných lékařských zařízeních několik klíčových výhod a má vysokou výdrž během cyklu zápisu.
Lékařské komplikace
Obrázek 2: Spotřeba energie na zápis 4 MB (µJ) pro energeticky nezávislé paměťové technologie
Omezená výdrž EEPROM a flash při zápisu vytváří potenciální problémy pro zdravotnická zařízení, která potřebují ukládat protokoly dat, které se neustále aktualizují. Flash nabízí výdrž řádově 1E + 5 a EEPROM je 1E + 6. Výdrž cyklu zápisu F-RAM je 1E + 14 (nebo 100 bilionů). To umožňuje zařízením zaznamenat více dat, aniž byste museli implementovat složité algoritmy pro vyrovnání opotřebení a nadbytečnou dodatečnou kapacitu (obrázek 3).
Druhou výhodou je, že vnitřní architektura F-RAM spotřebovává řádově nižší aktivní energii než paměťová zařízení typu flash nebo EEPROM na základě nabíjení (obrázek 2).
Například Excelon F-RAM od Cypressu podporují pohotovostní režim, hluboké vypnutí a hibernaci nečinných režimů. Jejich implementace do aplikace může snížit spotřebu energie přibližně o dva řády v kombinaci s režimem nižšího aktivního výkonu.
Obrázek 3: Porovnání cyklu výdrže pro technologie energeticky nezávislé paměti
EEPROM a flash vyžadují další doby cyklů programování stránek / stránek, čímž se prodlužuje aktivní doba systému pro operace zápisu. Okamžitá energetická volatilita F-RAM umožňuje systémům napájeným z baterií úplně vypnout napájení nebo rychleji přepnout systém do režimu nečinnosti s nízkou spotřebou, aby se snížil jak aktivní čas, tak aktivní proud.
To také zvyšuje spolehlivost v aplikacích, které mají přesné požadavky na časování, kde jsou data ohrožena během poruchy napájení. Buňky F ‑ RAM jsou také vysoce odolné vůči různým typům záření, včetně rentgenového záření a záření gama, a jsou imunní vůči magnetickým polím, aby chránily zaznamenaná data.
Některá zařízení F-RAM, například Excelon LP, poskytují kód pro opravu chyb na čipu (ECC), který dokáže detekovat a opravit jednobitové chyby v každém 64bitovém datovém slově, což zvyšuje spolehlivost úložiště důležitých systémových datových protokolů. F-RAM také podporuje řízený špičkový proud (tj. Řízení spouštěcího proudu menší než 1,5 mA), aby se zabránilo nadměrnému vybití baterie.
F-RAM lze umístit do obalu, který je prostorově efektivní. Například Excelon LP nabízí až 8 Mbit a je k dispozici v průmyslových standardních osmipólových SOIC a miniaturních osmipólových GQFN balíčcích s propustností až 50MHz SPI I / O a 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
Prakticky nekonečná výdrž F-RAM, okamžitá nestálost a nízká spotřeba energie umožňují návrhářům systémů kombinovat data a funkce založené na paměti RAM i ROM v jedné paměti.
Technologie založené na ROM, včetně mask-ROM, OTP-EPROM a NOR-flash, jsou energeticky nezávislé a jsou orientovány na aplikace pro ukládání kódu.
NAND-flash a EEPROM mohou také sloužit jako energeticky nezávislá datová paměť. To vše vyžaduje určitý kompromis, protože ve srovnání s alternativními paměťmi provádí ukládání kódu i dat s nízkým výkonem.
Tyto technologie se zaměřují na nižší náklady, což vyžaduje kompromis se snadným použitím a / nebo výkonem.
Technologie založené na paměti RAM slouží jako datová paměť a také jako pracovní prostor pro provádění kódu, když se spuštění z flash ukáže jako příliš pomalé. RAM poskytuje směs kódových a datových funkcí, ale její nestálá povaha omezuje její použití na dočasné úložiště.
Přenosné aplikace vyžadují optimalizovaný výkon u co nejméně komponent.
Použití více typů paměti může vést k neefektivnosti, komplikuje návrh kódu a obvykle spotřebovává více energie.
Efektivita a spolehlivost F-RAM umožňuje technologii jedné paměti zpracovávat kód i data.
Má výdrž podporovat vysokofrekvenční protokolování dat a zároveň snižovat náklady na systém, zvyšovat účinnost systému a snižovat složitost systému.
