2021年01月11日 | 高可靠FRAM在游戏机上的应用

处理财务数据的电子系统需要高度的可靠性，赌场游戏机也不例外。这些机器存储和/或访问敏感的个人和财务信息，包括玩家数据和金额。玩家还可以调取补偿资金和存储的积分，这些金融交易可以代表数千美元或更多。游戏机还需要存储各种关键的操作信息，例如用户按键，支出比率和获胜统计数据。

由于赌注可能很高，因此在停电，电源故障或机器故障的情况下，游戏机必须能够安全地保留所有这些信息。通常，当嵌入式系统发生故障时，它将默认返回安全模式，该模式使关键任务功能可以不间断地继续运行。例如，一架飞机必须保持运转以防止其坠毁。

赌场游戏机则相反。发生故障时，标准操作程序是确保机器受到保护，而不是清除错误状态。在这一点上，通常建议对机器进行分析以确定故障原因并创建证据链日志以用于潜在的赔付。例如，如果玩家刚好在死机前获得了一个大奖，则此证据记录对于确定该奖金是否被接受至关重要。

（图1：游戏机的框图。）

除了存储玩家和操作数据之外，系统还需要存储FPGA和/或MPU使用的游戏算法图像（见图1）。此外，还需要记录操作执行状态和系统堆栈。这些日志中的数据对于保证赌场运营的安全完整性至关重要。

所有这些要求共同为工程师带来了挑战性的问题。必须安全存储大量数据需要高密度的内存。此外，内存子系统必须非常快，以防止断电期间丢失数据。

非易失性存储器

首先，非易失性存储器至关重要。传统上，游戏机使用电池供电的SRAM来有效保留内存。但是，这种方法不能提供足够的可靠性。电池供电的SRAM需要多个组件，并且比单独的本地非易失性存储芯片消耗更多的PCB面积。通常在回流工艺之后安装电池，以避免温度过高影响电池，因此这会增加制造成本。电池还需要按计划进行维护和更换。这样的维护增加了运营费用。如果游戏机采用诸如嗡嗡声或震动之类的反馈，则这种振动会导致将电池易失效。最后，不符合RoHS要求的电池给娱乐场经营者带来了不必要的麻烦。

由于这些原因，制造商更喜欢使用无电池非易失性存储解决方案来存储记录的信息。表1列出了几种类型的非易失性存储器。 EEPROM有限的耐用性并不适合必须连续运行数十年的游戏机。

（表1：不同非易失性存储器类型的比较。）

基于闪存的方法，即使像EEPROM这样的有限耐用性计数，也可以使用称为损耗平衡的技术来延长存储器的寿命。 MCU上的软件采用复杂的算法来识别何时闪存磨损，并开始遇到超出设置阈值的错误。然后，算法搜索另一个未磨损的块，并将数据移至该块。损耗均衡算法倾向于尝试在Flash设备中平均分配损耗。这使损耗均衡成为一个相当复杂的过程，在提高可靠性的同时，最终增加了写入操作的延迟。

Flash的写入性能会产生重大影响。通常，要记录的数据将被捕获并收集到缓冲区中，直到可以写入一个完整的块为止。接下来，必须通过耗损平衡算法来识别要写入的内存块，这可能涉及在大型数据表中进行基于软件的查找。对于Flash，必须先擦除该块，然后才能将其写入。最后，数据缓冲区被写入内存。

实时捕捉

当电源出现故障时，系统几乎没有时间做出反应。因此，为了以高可靠性存储游戏数据，必须连续捕获和存储数据。最坏的情况是在游戏事件期间发生电源故障，因为这是实时数据产生最多的时刻。

如果在闪存写入过程中的任何时间发生故障，则缓冲区中的数据将丢失。写入过程越长，丢失数据的风险就越大，这对于理解机器为何故障以及建立完整性操作至关重要。

为了最大程度地减少写入时间并提高整体可靠性，制造商正在转向高度可靠的NVRAM解决方案，例如铁电随机存取存储器（FRAM）。作为一种非易失性存储技术，FRAM相对于电池供电的SRAM，EEPROM和闪存，为数据记录应用提供了许多优势。FRAM具有极高的耐用性，可反复读写多达10 ^ 14个周期，对于记录应用程序实际上是无限的。由于具有如此高的耐用性，因此无需进行磨损平衡，从而简化了写入过程。

此外，FRAM是一种随机访问技术，不需要缓冲区，可以直接在非易失性存储单元中执行写操作，而无需先进行单独的擦除周期。这意味着在收集数据时，可以立即将其存储在非易失性存储器中。随机访问还消除了与内存分页相关的延迟。因此，与闪存使用缓冲区所需的相对较长的窗口相比，可以“立即”写入已记录的数据（参见图2）。

（图2：在缓冲区中捕获数据并仅在缓冲区已满时才将其写入Flash的延迟使关键数据处于危险之中。如果在此期间发生电源故障，则会丢失重要的取证数据。）随机访问捕获的数据可以立即写入FRAM。这消除了EEPROM的写入等待时间，从而最大限度地减少了风险和数据丢失的时间。

为了提供更高的可靠性，F-RAM存储器包括片上错误代码校正（ECC），以检测和校正位错误。此外，FRAM读取具有破坏性。因此，当读取数据时，FRAM阵列中的任何位翻转都会被检测到并通过ECC进行校正，并将校正后的数据写回到该阵列中。这确保了更高的可靠性，并提高了FRAM的使用寿命。

F-RAM通过串行接口（如SPI）连接到标准存储控制器。与电池供电的SRAM使用的并行接口相比，串口的使用可释放处理器引脚，从而使开发人员可以选择更紧凑的MCU封装，减少总线走线并减小电路板尺寸。

例如Infineon Technologies的Excelon FRAM，可用于工业和汽车级，以确保在极端工作条件下的高可靠性。工业F-RAM在最高温度为85°C时可以存储长达10年的数据，而在60°C时可以存储到151年。这些存储器还具有高性能的108 MHZ Quad SPI接口，使它们能够提供与并行电池供电的SRAM相当的性能。

数据和代码

由于其连续，随机访问的性质，单个FRAM器件可用于数据记录和代码存储。实际上，单个存储器可以代替ROM和RAM设备，因为FRAM同时提供SRAM和Flash的功能。在单个存储设备中组合数据和代码可以简化系统设计并降低总体成本。此外，将算法代码存储在FRAM中会自动保留系统在发生故障时使用的代码映像，这在故障取证过程中非常有用。

为了满足游戏机等应用程序对内存的可靠需求，FRAM具有高密度特性，目前最高可达8 Mbit，2021年初将推出16 Mbit产品。

当今的赌场运营商需要高度可靠的游戏机来保护自己的利益，以防万一机器在不适当的时间出现故障或断电。当前的电池供电的SRAM系统缺乏物理鲁棒性，增加了系统成本，并产生了持续的维护费用。基于闪存的系统可以在断电期间保留数据，但也可以丢失其缓冲区，缓冲区具有最关键的数据，对于了解游戏系统为何以及如何出现故障是至关重要的。通过与FRAM协作，开发人员可以创建数据记录系统，该系统通过在捕获数据时写入数据来提供最高的可靠性，从而确保赌场运营商拥有建立证据链并确保可以成功获得取证分析所需的数据。

本文作者：

Shivendra Singh是赛普拉斯高级应用工程师。

Karthik Rangarajan是Infineon的高级产品营销工程师。