Joonis 1: Meditsiinilise stimulatsiooniseadme plokkskeem, mis kasutab välismälu täiustatud funktsionaalsuse toetamiseks
Esimene väljakutse süsteemiarhitektidele on leida kiibil (SoC) või mikrokontrolleril õige süsteem, mis toimiks süsteemi südamena. See peab olema võimeline tagama soovitud jõudluse, vähendades samal ajal süsteemi üldist eelarvet.
Lisaseadmed, nagu välised mälud, andurid ja telemeetria liidesed, peavad olema võrreldavad SoC / mikrokontrolleri jõudlusega, toetades samas ka kompaktset vormitegurit ja tõhusat energiatarbimist.
Mäluvalikud
Valitud seade integreerib üldiselt kahte tüüpi mälusid, välklampi ja SRAM-i.
Flash on suhteliselt aeglaselt kirjutatav püsimälu, mis toetab piiratud arvu kirjutamistsükleid. Seda kasutatakse fikseeritud või aeglaselt muutuvate andmete, näiteks rakenduse koodi, süsteemiteabe ja / või järeltöödeldud kasutajaandmete logide hoidmiseks.
SRAM on kiire juurdepääsuga volatiilne mälu, mis tagab piiramatu kirjutamistsükli vastupidavuse. Seda kasutatakse ajutiste käitusaja süsteemiandmete salvestamiseks.
Kui süsteemi keerukus suureneb, suureneb ka mitme matemaatilise funktsiooni ja algoritmi koodide keerukus. Sisemine kiibi mälumaht võib olla ebapiisav. Kaasaskantavad meditsiinisüsteemid vajavad sageli täiendavat salvestusruumi, mis nõuab disaineritelt sisemälu suurendamist välismäluga (joonis 1).
RAM-i laiendamiseks saab kasutada väikese energiatarbega välismälu, tavaliselt SRAM-i, millel on eriti madal aktiiv- ja ootevool. Mittelenduva salvestamise võimaluste hulka kuuluvad välk, EEPROM, MRAM ja F-RAM.
Järjestikust välkmälu kasutatakse programmide ja andmete salvestamiseks laiendamiseks, kuna see on madal ja kõrge tihedusega. Kuid selle energiatarbimine on suhteliselt kõrge, mis vähendab akupõhiste seadmete tööiga.
Mõni rakendus asendab osa mälust EEPROM-iga, kuid see pole endiselt akusõbralik, eriti kui toimingud hõlmavad ulatuslikke kirjutusi EEPROM-ile. See raskendab ka rakenduse koodi kujundamist.
Magneto-resistentsel RAM-il (MRAM) on piiramatu kirjutamise vastupidavus. Selle puuduseks on aga see, et see tarbib väga suuri aktiiv- ja ootevooge ning on vastuvõtlik magnetväljadele, mis võivad salvestatud andmeid rikkuda. Need omadused muudavad selle seetõttu akutoitel töötavate meditsiiniseadmete jaoks sobimatuks.
Ferroelektrilisel RAM-il (F-RAM) on kaasaskantavate meditsiiniseadmete puhul mitmeid peamisi eeliseid ja sellel on kõrge kirjutustsükli vastupidavus.
Meditsiinilised tüsistused
Joonis 2: Energiakulu 4 MB kirjutamise (µJ) kohta püsimälu tehnoloogiate jaoks
EEPROM-i ja välgu piiratud kirjutamisvastupidavus tekitab potentsiaalseid probleeme meditsiiniseadmetele, mis peavad salvestama pidevalt ajakohastatavaid andmelogisid. Flash pakub vastupidavust suurusjärgus 1E + 5 ja EEPROM on 1E + 6. F-RAM-i kirjutamistsükli vastupidavus on 1E + 14 (või 100 triljonit). See võimaldab seadmetel registreerida rohkem andmeid, ilma et peaks kasutama keerukaid kulumistasanduse algoritme ja lisavarustust üle pakkuma (joonis 3).
Teine eelis on see, et F-RAM-i sisemine arhitektuur tarbib suurusjärgu võrra madalamat aktiivenergiat kui laengupõhised välklamp või EEPROM-mäluseadmed (joonis 2).
Näiteks Cypressi Excelon F-RAM-id toetavad ooterežiimi, sügavat toite väljalülitamist ja talveunerežiimi. Nende rakendamine rakendusse võib vähendada energiatarbimist umbes kahe suurusjärgu võrra koos madalama aktiivse võimsuse režiimiga.
Joonis 3: püsimistsükli võrdlus püsimälu tehnoloogiatega
EEPROM ja välk vajavad täiendavaid lehe-programmi / lehekülje kirjutamise tsükli aegu, pikendades seeläbi süsteemi aktiivset kirjutamisoperatsiooni aega. F-RAM-i vahetu volatiilsus võimaldab aku abil töötavatel süsteemidel toiteallika täielikult välja lülitada või süsteemi kiiremini madala energiatarbega tühikäigurežiimi lülitada, et vähendada nii aktiivset aega kui ka aktiivset voolu.
See suurendab ka töökindlust rakendustes, kus on täpsed ajastamisnõuded, kus andmed on elektrikatkestuse ajal ohus. F-RAM-rakud taluvad salvestatud andmete kaitsmiseks ka erinevat tüüpi kiirgust, sealhulgas röntgenikiirgust ja gammakiirgust, ning on magnetväljade suhtes immuunsed.
Mõni F-RAM-seade, näiteks Excelon LP, pakub kiibil olevat vigade parandamise koodi (ECC), mis suudab tuvastada ja parandada iga 64-bitise andmesõna ühebittiseid vigu, suurendades kriitiliste süsteemiandmete logide salvestamise usaldusväärsust. F-RAM toetab ka juhitavat tippvoolu (st sisselülitusvoolu juhtimist vähem kui 1,5 mA), et vältida aku liigset tühjenemist.
F-RAM-i saab mahutada pakenditesse, mis on ruumisäästlikud. Näiteks pakub Excelon LP kuni 8Mbit ja on saadaval tööstusharu standardsetes kaheksapoolsetes SOIC- ja miniatuursetes kaheksa-kontaktilistes GQFN-pakettides, mille läbilaskevõime on kuni 50MHz SPI I / O ja 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F ‑ RAM-i praktiliselt lõpmatu vastupidavus, kohene volatiilsus ja madal energiatarve võimaldavad süsteemidisaineritel ühendada nii mälu- kui ka ROM-põhised andmed ja funktsioonid ühte mällu.
ROM-il põhinevad tehnoloogiad, sealhulgas mask-ROM, OTP-EPROM ja NOR-flash, on püsimatud ja orienteeritud koodisalvestusrakendustele.
NAND-flash ja EEPROM võivad toimida ka lendumatu andmemäluna. Need kõik nõuavad teatavat kompromissi, kuna need võimaldavad alternatiivsete mäludega võrreldes nii koodi- kui ka andmesalvestust madala jõudlusega.
Need tehnoloogiad keskenduvad madalamatele kuludele, mis eeldab kasutusmugavuse ja / või jõudluse kompromissi.
RAM-põhised tehnoloogiad toimivad andmemäluna ja ka koodirakenduste tööruumina, kui välklampi käivitamine osutub liiga aeglaseks. RAM pakub segu koodi ja andmete funktsionaalsusest, kuid selle kõikuv iseloom piirab selle kasutamist ajutise salvestusruumiga.
Kaasaskantavad rakendused nõuavad optimeeritud jõudlust võimalikult vähestes komponentides.
Mitme mälutüübi kasutamine võib põhjustada ebaefektiivsust, raskendab koodi kujundamist ja tavaliselt tarbib rohkem energiat.
F-RAM-i tõhusus ja töökindlus võimaldab ühel mälutehnoloogial käsitseda nii koodi kui ka andmeid.
Sellel on vastupidavus toetada kõrgsageduslikku andmete logimist, vähendades samal ajal süsteemi maksumust, suurendades süsteemi efektiivsust ja vähendades süsteemi keerukust.
