【導(dǎo)讀】處理財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)需要高度的可靠性，賭場(chǎng)游戲機(jī)也不例外。這些機(jī)器存儲(chǔ)和/或訪問敏感的個(gè)人和財(cái)務(wù)信息，包括玩家數(shù)據(jù)和金額。玩家還可以調(diào)取補(bǔ)償資金和存儲(chǔ)的積分，這些金融交易可以代表數(shù)千美元或更多。游戲機(jī)還需要存儲(chǔ)各種關(guān)鍵的操作信息，例如用戶按鍵，支出比率和獲勝統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
處理財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)需要高度的可靠性，賭場(chǎng)游戲機(jī)也不例外。這些機(jī)器存儲(chǔ)和/或訪問敏感的個(gè)人和財(cái)務(wù)信息，包括玩家數(shù)據(jù)和金額。玩家還可以調(diào)取補(bǔ)償資金和存儲(chǔ)的積分，這些金融交易可以代表數(shù)千美元或更多。游戲機(jī)還需要存儲(chǔ)各種關(guān)鍵的操作信息，例如用戶按鍵，支出比率和獲勝統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
由于賭注可能很高，因此在停電，電源故障或機(jī)器故障的情況下，游戲機(jī)必須能夠安全地保留所有這些信息。通常，當(dāng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它將默認(rèn)返回安全模式，該模式使關(guān)鍵任務(wù)功能可以不間斷地繼續(xù)運(yùn)行。例如，一架飛機(jī)必須保持運(yùn)轉(zhuǎn)以防止其墜毀。
賭場(chǎng)游戲機(jī)則相反。發(fā)生故障時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)操作程序是確保機(jī)器受到保護(hù)，而不是清除錯(cuò)誤狀態(tài)。在這一點(diǎn)上，通常建議對(duì)機(jī)器進(jìn)行分析以確定故障原因并創(chuàng)建證據(jù)鏈日志以用于潛在的賠付。例如，如果玩家剛好在死機(jī)前獲得了一個(gè)大獎(jiǎng)，則此證據(jù)記錄對(duì)于確定該獎(jiǎng)金是否被接受至關(guān)重要。
（圖1：游戲機(jī)的框圖。）
除了存儲(chǔ)玩家和操作數(shù)據(jù)之外，系統(tǒng)還需要存儲(chǔ)FPGA和/或MPU使用的游戲算法圖像（見圖1）。此外，還需要記錄操作執(zhí)行狀態(tài)和系統(tǒng)堆棧。這些日志中的數(shù)據(jù)對(duì)于保證賭場(chǎng)運(yùn)營的安全完整性至關(guān)重要。
所有這些要求共同為工程師帶來了挑戰(zhàn)性的問題。必須安全存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)需要高密度的內(nèi)存。此外，內(nèi)存子系統(tǒng)必須非常快，以防止斷電期間丟失數(shù)據(jù)。
非易失性存儲(chǔ)器
首先，非易失性存儲(chǔ)器至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，游戲機(jī)使用電池供電的SRAM來有效保留內(nèi)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(dú)的本地非易失性存儲(chǔ)芯片消耗更多的PCB面積。通常在回流工藝之后安裝電池，以避免溫度過高影響電池，因此這會(huì)增加制造成本。電池還需要按計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)和更換。這樣的維護(hù)增加了運(yùn)營費(fèi)用。如果游戲機(jī)采用諸如嗡嗡聲或震動(dòng)之類的反饋，則這種振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致將電池易失效。最后，不符合RoHS要求的電池給娛樂場(chǎng)經(jīng)營者帶來了不必要的麻煩。
由于這些原因，制造商更喜歡使用無電池非易失性存儲(chǔ)解決方案來存儲(chǔ)記錄的信息。表1列出了幾種類型的非易失性存儲(chǔ)器。 EEPROM有限的耐用性并不適合必須連續(xù)運(yùn)行數(shù)十年的游戲機(jī)。
（表1：不同非易失性存儲(chǔ)器類型的比較。）
基于閃存的方法，即使像EEPROM這樣的有限耐用性計(jì)數(shù)，也可以使用稱為損耗平衡的技術(shù)來延長(zhǎng)存儲(chǔ)器的壽命。 MCU上的軟件采用復(fù)雜的算法來識(shí)別何時(shí)閃存磨損，并開始遇到超出設(shè)置閾值的錯(cuò)誤。然后，算法搜索另一個(gè)未磨損的塊，并將數(shù)據(jù)移至該塊。損耗均衡算法傾向于嘗試在Flash設(shè)備中平均分配損耗。這使損耗均衡成為一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，在提高可靠性的同時(shí)，最終增加了寫入操作的延遲。
Flash的寫入性能會(huì)產(chǎn)生重大影響。通常，要記錄的數(shù)據(jù)將被捕獲并收集到緩沖區(qū)中，直到可以寫入一個(gè)完整的塊為止。接下來，必須通過耗損平衡算法來識(shí)別要寫入的內(nèi)存塊，這可能涉及在大型數(shù)據(jù)表中進(jìn)行基于軟件的查找。對(duì)于Flash，必須先擦除該塊，然后才能將其寫入。最后，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被寫入內(nèi)存。
實(shí)時(shí)捕捉
當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)幾乎沒有時(shí)間做出反應(yīng)。因此，為了以高可靠性存儲(chǔ)游戲數(shù)據(jù)，必須連續(xù)捕獲和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。最壞的情況是在游戲事件期間發(fā)生電源故障，因?yàn)檫@是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生最多的時(shí)刻。
如果在閃存寫入過程中的任何時(shí)間發(fā)生故障，則緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)將丟失。寫入過程越長(zhǎng)，丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)就越大，這對(duì)于理解機(jī)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入時(shí)間并提高整體可靠性，制造商正在轉(zhuǎn)向高度可靠的NVRAM解決方案，例如鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FRAM）。作為一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，F(xiàn)RAM相對(duì)于電池供電的SRAM，EEPROM和閃存，為數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢(shì)。FRAM具有極高的耐用性，可反復(fù)讀寫多達(dá)10 ^ 14個(gè)周期，對(duì)于記錄應(yīng)用程序?qū)嶋H上是無限的。由于具有如此高的耐用性，因此無需進(jìn)行磨損平衡，從而簡(jiǎn)化了寫入過程。
此外，F(xiàn)RAM是一種隨機(jī)訪問技術(shù)，不需要緩沖區(qū)，可以直接在非易失性存儲(chǔ)單元中執(zhí)行寫操作，而無需先進(jìn)行單獨(dú)的擦除周期。這意味著在收集數(shù)據(jù)時(shí)，可以立即將其存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。隨機(jī)訪問還消除了與內(nèi)存分頁相關(guān)的延遲。因此，與閃存使用緩沖區(qū)所需的相對(duì)較長(zhǎng)的窗口相比，可以“立即”寫入已記錄的數(shù)據(jù)（參見圖2）。
（圖2：在緩沖區(qū)中捕獲數(shù)據(jù)并僅在緩沖區(qū)已滿時(shí)才將其寫入Flash的延遲使關(guān)鍵數(shù)據(jù)處于危險(xiǎn)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(shù)據(jù)。）隨機(jī)訪問捕獲的數(shù)據(jù)可以立即寫入FRAM。這消除了EEPROM的寫入等待時(shí)間，從而最大限度地減少了風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)據(jù)丟失的時(shí)間。
為了提供更高的可靠性，F(xiàn)-RAM存儲(chǔ)器包括片上錯(cuò)誤代碼校正（ECC），以檢測(cè)和校正位錯(cuò)誤。此外，F(xiàn)RAM讀取具有破壞性。因此，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)RAM陣列中的任何位翻轉(zhuǎn)都會(huì)被檢測(cè)到并通過ECC進(jìn)行校正，并將校正后的數(shù)據(jù)寫回到該陣列中。這確保了更高的可靠性，并提高了FRAM的使用壽命。
F-RAM通過串行接口（如SPI）連接到標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)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，從而使開發(fā)人員可以選擇更緊湊的MCU封裝，減少總線走線并減小電路板尺寸。
例如Infineon Technologies的Excelon FRAM，可用于工業(yè)和汽車級(jí)，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(chǔ)長(zhǎng)達(dá)10年的數(shù)據(jù)，而在60°C時(shí)可以存儲(chǔ)到151年。這些存儲(chǔ)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(dāng)?shù)男阅堋?/div>
數(shù)據(jù)和代碼
由于其連續(xù)，隨機(jī)訪問的性質(zhì)，單個(gè)FRAM器件可用于數(shù)據(jù)記錄和代碼存儲(chǔ)。實(shí)際上，單個(gè)存儲(chǔ)器可以代替ROM和RAM設(shè)備，因?yàn)镕RAM同時(shí)提供SRAM和Flash的功能。在單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中組合數(shù)據(jù)和代碼可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低總體成本。此外，將算法代碼存儲(chǔ)在FRAM中會(huì)自動(dòng)保留系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)使用的代碼映像，這在故障取證過程中非常有用。
為了滿足游戲機(jī)等應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的可靠需求，F(xiàn)RAM具有高密度特性，目前最高可達(dá)8 Mbit，2021年初將推出16 Mbit產(chǎn)品。
當(dāng)今的賭場(chǎng)運(yùn)營商需要高度可靠的游戲機(jī)來保護(hù)自己的利益，以防萬一機(jī)器在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)間出現(xiàn)故障或斷電。當(dāng)前的電池供電的SRAM系統(tǒng)缺乏物理魯棒性，增加了系統(tǒng)成本，并產(chǎn)生了持續(xù)的維護(hù)費(fèi)用。基于閃存的系統(tǒng)可以在斷電期間保留數(shù)據(jù)，但也可以丟失其緩沖區(qū)，緩沖區(qū)具有最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，對(duì)于了解游戲系統(tǒng)為何以及如何出現(xiàn)故障是至關(guān)重要的。通過與FRAM協(xié)作，開發(fā)人員可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在捕獲數(shù)據(jù)時(shí)寫入數(shù)據(jù)來提供最高的可靠性，從而確保賭場(chǎng)運(yùn)營商擁有建立證據(jù)鏈并確?？梢猿晒Λ@得取證分析所需的數(shù)據(jù)。
（作者：Shivendra Singh是賽普拉斯高級(jí)應(yīng)用工程師；Karthik Rangarajan是Infineon的高級(jí)產(chǎn)品營銷工程師。）
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