【導讀】處理財務數據的電子系統需要高度的可靠性，賭場游戲機也不例外。這些機器存儲和/或訪問敏感的個人和財務信息，包括玩家數據和金額。玩家還可以調取補償資金和存儲的積分，這些金融交易可以代表數千美元或更多。游戲機還需要存儲各種關鍵的操作信息，例如用戶按鍵，支出比率和獲勝統計數據。
處理財務數據的電子系統需要高度的可靠性，賭場游戲機也不例外。這些機器存儲和/或訪問敏感的個人和財務信息，包括玩家數據和金額。玩家還可以調取補償資金和存儲的積分，這些金融交易可以代表數千美元或更多。游戲機還需要存儲各種關鍵的操作信息，例如用戶按鍵，支出比率和獲勝統計數據。
由于賭注可能很高，因此在停電，電源故障或機器故障的情況下，游戲機必須能夠安全地保留所有這些信息。通常，當嵌入式系統發生故障時，它將默認返回安全模式，該模式使關鍵任務功能可以不間斷地繼續運行。例如，一架飛機必須保持運轉以防止其墜毀。
賭場游戲機則相反。發生故障時，標準操作程序是確保機器受到保護，而不是清除錯誤狀態。在這一點上，通常建議對機器進行分析以確定故障原因并創建證據鏈日志以用于潛在的賠付。例如，如果玩家剛好在死機前獲得了一個大獎，則此證據記錄對于確定該獎金是否被接受至關重要。
（圖1：游戲機的框圖。）
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（見圖1）。此外，還需要記錄操作執行狀態和系統堆棧。這些日志中的數據對于保證賭場運營的安全完整性至關重要。
所有這些要求共同為工程師帶來了挑戰性的問題。必須安全存儲大量數據需要高密度的內存。此外，內存子系統必須非常快，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重要。傳統上，游戲機使用電池供電的SRAM來有效保留內存。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，以避免溫度過高影響電池，因此這會增加制造成本。電池還需要按計劃進行維護和更換。這樣的維護增加了運營費用。如果游戲機采用諸如嗡嗡聲或震動之類的反饋，則這種振動會導致將電池易失效。最后，不符合RoHS要求的電池給娛樂場經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解決方案來存儲記錄的信息。表1列出了幾種類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，也可以使用稱為損耗平衡的技術來延長存儲器的壽命。 MCU上的軟件采用復雜的算法來識別何時閃存磨損，并開始遇到超出設置閾值的錯誤。然后，算法搜索另一個未磨損的塊，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相當復雜的過程，在提高可靠性的同時，最終增加了寫入操作的延遲。
Flash的寫入性能會產生重大影響。通常，要記錄的數據將被捕獲并收集到緩沖區中，直到可以寫入一個完整的塊為止。接下來，必須通過耗損平衡算法來識別要寫入的內存塊，這可能涉及在大型數據表中進行基于軟件的查找。對于Flash，必須先擦除該塊，然后才能將其寫入。最后，數據緩沖區被寫入內存。
實時捕捉
當電源出現故障時，系統幾乎沒有時間做出反應。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生電源故障，因為這是實時數據產生最多的時刻。
如果在閃存寫入過程中的任何時間發生故障，則緩沖區中的數據將丟失。寫入過程越長，丟失數據的風險就越大，這對于理解機器為何故障以及建立完整性操作至關重要。
為了最大程度地減少寫入時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，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勢。FRAM具有極高的耐用性，可反復讀寫多達10 ^ 14個周期，對于記錄應用程序實際上是無限的。由于具有如此高的耐用性，因此無需進行磨損平衡，從而簡化了寫入過程。
此外，FRAM是一種隨機訪問技術，不需要緩沖區，可以直接在非易失性存儲單元中執行寫操作，而無需先進行單獨的擦除周期。這意味著在收集數據時，可以立即將其存儲在非易失性存儲器中。隨機訪問還消除了與內存分頁相關的延遲。因此，與閃存使用緩沖區所需的相對較長的窗口相比，可以“立即”寫入已記錄的數據（參見圖2）。
（圖2：在緩沖區中捕獲數據并僅在緩沖區已滿時才將其寫入Flash的延遲使關鍵數據處于危險之中。如果在此期間發生電源故障，則會丟失重要的取證數據。）隨機訪問捕獲的數據可以立即寫入FRAM。這消除了EEPROM的寫入等待時間，從而最大限度地減少了風險和數據丟失的時間。
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，FRAM陣列中的任何位翻轉都會被檢測到并通過ECC進行校正，并將校正后的數據寫回到該陣列中。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，從而使開發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，可用于工業和汽車級，以確保在極端工作條件下的高可靠性。工業F-RAM在最高溫度為85°C時可以存儲長達10年的數據，而在60°C時可以存儲到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，隨機訪問的性質，單個FRAM器件可用于數據記錄和代碼存儲。實際上，單個存儲器可以代替ROM和RAM設備，因為FRAM同時提供SRAM和Flash的功能。在單個存儲設備中組合數據和代碼可以簡化系統設計并降低總體成本。此外，將算法代碼存儲在FRAM中會自動保留系統在發生故障時使用的代碼映像，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產品。
當今的賭場運營商需要高度可靠的游戲機來保護自己的利益，以防萬一機器在不適當的時間出現故障或斷電。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，并產生了持續的維護費用。基于閃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重要的。通過與FRAM協作，開發人員可以創建數據記錄系統，該系統通過在捕獲數據時寫入數據來提供最高的可靠性，從而確保賭場運營商擁有建立證據鏈并確保可以成功獲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的高級產品營銷工程師。）
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