除了存儲玩家和操作數據之外，系統還需要存儲FPGA和/或MPU使用的游戲算法圖像（見(jiàn)圖1）。此外，還需要記錄操作執行狀態(tài)和系統堆棧。這些日志中的數據對于保證賭場(chǎng)運營(yíng)的安全完整性至關(guān)重要。

 

所有這些要求共同為工程師帶來(lái)了挑戰性的問(wèn)題。必須安全存儲大量數據需要高密度的內存。此外，內存子系統必須非?？?，以防止斷電期間丟失數據。

 

非易失性存儲器

 

首先，非易失性存儲器至關(guān)重要。傳統上，游戲機使用電池供電的SRAM來(lái)有效保留內存。但是，這種方法不能提供足夠的可靠性。電池供電的SRAM需要多個(gè)組件，并且比單獨的本地非易失性存儲芯片消耗更多的PCB面積。通常在回流工藝之后安裝電池，以避免溫度過(guò)高影響電池，因此這會(huì )增加制造成本。電池還需要按計劃進(jìn)行維護和更換。這樣的維護增加了運營(yíng)費用。如果游戲機采用諸如嗡嗡聲或震動(dòng)之類(lèi)的反饋，則這種振動(dòng)會(huì )導致將電池易失效。最后，不符合RoHS要求的電池給娛樂(lè )場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者帶來(lái)了不必要的麻煩。

 

由于這些原因，制造商更喜歡使用無(wú)電池非易失性存儲解決方案來(lái)存儲記錄的信息。表1列出了幾種類(lèi)型的非易失性存儲器。 EEPROM有限的耐用性并不適合必須連續運行數十年的游戲機。

 

（表1：不同非易失性存儲器類(lèi)型的比較。）

 

基于閃存的方法，即使像EEPROM這樣的有限耐用性計數，也可以使用稱(chēng)為損耗平衡的技術(shù)來(lái)延長(cháng)存儲器的壽命。 MCU上的軟件采用復雜的算法來(lái)識別何時(shí)閃存磨損，并開(kāi)始遇到超出設置閾值的錯誤。然后，算法搜索另一個(gè)未磨損的塊，并將數據移至該塊。損耗均衡算法傾向于嘗試在Flash設備中平均分配損耗。這使損耗均衡成為一個(gè)相當復雜的過(guò)程，在提高可靠性的同時(shí)，最終增加了寫(xiě)入操作的延遲。

 

Flash的寫(xiě)入性能會(huì )產(chǎn)生重大影響。通常，要記錄的數據將被捕獲并收集到緩沖區中，直到可以寫(xiě)入一個(gè)完整的塊為止。接下來(lái)，必須通過(guò)耗損平衡算法來(lái)識別要寫(xiě)入的內存塊，這可能涉及在大型數據表中進(jìn)行基于軟件的查找。對于Flash，必須先擦除該塊，然后才能將其寫(xiě)入。最后，數據緩沖區被寫(xiě)入內存。

 

實(shí)時(shí)捕捉

 

當電源出現故障時(shí)，系統幾乎沒(méi)有時(shí)間做出反應。因此，為了以高可靠性存儲游戲數據，必須連續捕獲和存儲數據。最壞的情況是在游戲事件期間發(fā)生電源故障，因為這是實(shí)時(shí)數據產(chǎn)生最多的時(shí)刻。

 

如果在閃存寫(xiě)入過(guò)程中的任何時(shí)間發(fā)生故障，則緩沖區中的數據將丟失。寫(xiě)入過(guò)程越長(cháng)，丟失數據的風(fēng)險就越大，這對于理解機器為何故障以及建立完整性操作至關(guān)重要。

 

為了最大程度地減少寫(xiě)入時(shí)間并提高整體可靠性，制造商正在轉向高度可靠的NVRAM解決方案，例如鐵電隨機存取存儲器（FRAM）。作為一種非易失性存儲技術(shù)，FRAM相對于電池供電的SRAM，EEPROM和閃存，為數據記錄應用提供了許多優(yōu)勢。FRAM具有極高的耐用性，可反復讀寫(xiě)多達10 ^ 14個(gè)周期，對于記錄應用程序實(shí)際上是無(wú)限的。由于具有如此高的耐用性，因此無(wú)需進(jìn)行磨損平衡，從而簡(jiǎn)化了寫(xiě)入過(guò)程。

 

此外，FRAM是一種隨機訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)，不需要緩沖區，可以直接在非易失性存儲單元中執行寫(xiě)操作，而無(wú)需先進(jìn)行單獨的擦除周期。這意味著(zhù)在收集數據時(shí)，可以立即將其存儲在非易失性存儲器中。隨機訪(fǎng)問(wèn)還消除了與內存分頁(yè)相關(guān)的延遲。因此，與閃存使用緩沖區所需的相對較長(cháng)的窗口相比，可以“立即”寫(xiě)入已記錄的數據（參見(jiàn)圖2）。

 

（圖2：在緩沖區中捕獲數據并僅在緩沖區已滿(mǎn)時(shí)才將其寫(xiě)入Flash的延遲使關(guān)鍵數據處于危險之中。如果在此期間發(fā)生電源故障，則會(huì )丟失重要的取證數據。）隨機訪(fǎng)問(wèn)捕獲的數據可以立即寫(xiě)入FRAM。這消除了EEPROM的寫(xiě)入等待時(shí)間，從而最大限度地減少了風(fēng)險和數據丟失的時(shí)間。

 

為了提供更高的可靠性，F-RAM存儲器包括片上錯誤代碼校正（ECC），以檢測和校正位錯誤。此外，FRAM讀取具有破壞性。因此，當讀取數據時(shí)，FRAM陣列中的任何位翻轉都會(huì )被檢測到并通過(guò)ECC進(jìn)行校正，并將校正后的數據寫(xiě)回到該陣列中。這確保了更高的可靠性，并提高了FRAM的使用壽命。

 

F-RAM通過(guò)串行接口（如SPI）連接到標準存儲控制器。與電池供電的SRAM使用的并行接口相比，串口的使用可釋放處理器引腳，從而使開(kāi)發(fā)人員可以選擇更緊湊的MCU封裝，減少總線(xiàn)走線(xiàn)并減小電路板尺寸。

 

例如Infineon Technologies的Excelon FRAM，可用于工業(yè)和汽車(chē)級，以確保在極端工作條件下的高可靠性。工業(yè)F-RAM在最高溫度為85°C時(shí)可以存儲長(cháng)達10年的數據，而在60°C時(shí)可以存儲到151年。這些存儲器還具有高性能的108 MHZ Quad SPI接口，使它們能夠提供與并行電池供電的SRAM相當的性能。

 

數據和代碼

 

由于其連續，隨機訪(fǎng)問(wèn)的性質(zhì)，單個(gè)FRAM器件可用于數據記錄和代碼存儲。實(shí)際上，單個(gè)存儲器可以代替ROM和RAM設備，因為FRAM同時(shí)提供SRAM和Flash的功能。在單個(gè)存儲設備中組合數據和代碼可以簡(jiǎn)化系統設計并降低總體成本。此外，將算法代碼存儲在FRAM中會(huì )自動(dòng)保留系統在發(fā)生故障時(shí)使用的代碼映像，這在故障取證過(guò)程中非常有用。

 

為了滿(mǎn)足游戲機等應用程序對內存的可靠需求，FRAM具有高密度特性，目前最高可達8 Mbit，2021年初將推出16 Mbit產(chǎn)品。

 

當今的賭場(chǎng)運營(yíng)商需要高度可靠的游戲機來(lái)保護自己的利益，以防萬(wàn)一機器在不適當的時(shí)間出現故障或斷電。當前的電池供電的SRAM系統缺乏物理魯棒性，增加了系統成本，并產(chǎn)生了持續的維護費用?；陂W存的系統可以在斷電期間保留數據，但也可以丟失其緩沖區，緩沖區具有最關(guān)鍵的數據，對于了解游戲系統為何以及如何出現故障是至關(guān)重要的。通過(guò)與FRAM協(xié)作，開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng )建數據記錄系統，該系統通過(guò)在捕獲數據時(shí)寫(xiě)入數據來(lái)提供最高的可靠性，從而確保賭場(chǎng)運營(yíng)商擁有建立證據鏈并確?？梢猿晒Λ@得取證分析所需的數據。

 

（作者：Shivendra Singh是賽普拉斯高級應用工程師；Karthik Rangarajan是Infineon的高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。）