目前随着电子技术的迅速发展，为了提高系统的集成密度，减小系统体积，降低系统功耗，设计者都希望可以从SoC的角度进行系统设计。但在大多数情况下，设计者不可能得到期望的系统级集成。因此，大多数设计者只能依赖离散的标准器件，如微处理器、存储器、DSP和可编程逻辑器件等，来实现电子应用产品开发。如何向无法达到ASIC的设计者，来提供系统级集成技术成为当务之急。解决系统级集成的方法就是创建混合产品，即可编程系统级芯片——片上系统(SoC，System-on-Chip)，它可以在一块现成的可编程芯片上提供产品所需的系统级集成。美国Atmel公司于1999年末开发出世界上第一个基于RISC的现场可编程系统级集成电路FPSLIC(Field Programmable System Level Integrated Circuit)。FPSLIC内部包括处理器、存储器和可编程逻辑，同时不需要ASIC所需的NRE费用和冗长的制造周期。因此可编程系统级芯片提供了掩膜ASIC的高集成度、低功耗、小尺寸、低成本以及FPGA的低风险、灵活性和快速上市的特性，从而使SoC技术受到了极大的欢迎。

1  FPSLIC硬件结构

　　Atmel公司FPSLIC AT94K，如图1所示，其内部嵌入微处理器、存储器、FPGA以及一些外设和接口逻辑电路，使设计工程师能够方便地进行SoC设计。

图1  FPSLIC芯片内部结构

　　Atmel AT94K内部硬件结构如图2所示，芯片以Atmel 0.35μm的5层金属CMOS工艺制造。内部嵌入Atmel AT40K系列基于SRAM的FPGA和高性能、带标准外设的Atmel 8位RISC AVR单片机。另外，器件中还包括扩展数据和程序SRAM及器件控制和管理逻辑。

图2  AT94K芯片内部硬件结构图

　　AT40K FPGA内核基于SRAM结构，它与3.3V PCI完全兼容，带有10ns分布式可编程同步或异步、双端口或单端口SRAM、8个全局时钟，并具有Cache Logic性能(可以重新配置器件部分和全部逻辑功能而不丢失数据)。

　　AT94K内嵌AVR内核，通过采用单周期指令，运算速度高达1MPS/MHz，这样设计者可以充分优化系统功耗和处理速度。AVR内核基于增强型RISC结构，并且拥有丰富的指令系统以及32个通用工作寄存器，而且所有的通用寄存器都与算术逻辑单元ALU相连;另外，在一个时钟周期内，执行单条指令时允许存取2个独立的寄存器。这种结构使得代码效率更高，并且在相同的时钟频率下，可以获得传统CISC微处理器10倍的数据吞吐量。AVR从片内SRAM执行程序。在系统上电时，FPGA配置SRAM和AVR程序SRAM都能自动地通过Atmel在系统可编程串行EEPROM存储器AT17来装载。

　　AT94系列FPSLIC有以下特点。

(1)  速度快

　　内嵌基于SRAM的FPGA，包含FreeRAM的 5 000~40 000门，高性能的、针对DSP功能进行了优化的FPGA核心单元;可以通过AVR对FPGA进行动态配置，支持Cache Logic设计。内嵌增强型结构AVR单片机，高效的单周期执行指令以及高性能的硬件乘法器，适合基于高速的DSP系统。多达36KB的可动态分配的程序及数据SRAM。

(2)  低功耗

　　AVR具有低功耗的空闲、省电和掉电模式;FPSLIC的待机电流小于100μA，典型工作电流为2~3mA/MHz。

(3)  丰富的外设功能

　　与I2C兼容的2线串行接口;2个可编程的UART;2个具有独立预分频器和PWM功能的8位定时器/计数器;1个具有预分频器、比较功能、捕捉功能和双8、9或10位PWM功能的16位定时器/计数器。多个振荡器电路，并且时钟频率可通过软件来选择;具有4个外部中断;与IEEE标准1149.1兼容的JTAG接口，支持扩展的片内调试;与3.3V、33MHz PCI兼容的FPGA I/O，吸收/扇出能力高达20mA。

(4)  高灵活性

　　支持利用FPGA建构用户自己的外围功能。通过对内部FPGA和AVR的接口进行配置可以实现不同的逻辑功能。

(5)  高可靠性

　　FPSLIC的应用领域还要求器件具有代码保密功能，以保护相关人员的利益。Atmel在2002年第一季度，发行了业界第一个程序可保密的FPSLIC。这个系列产品可以使设计者在基于SRAM的系统上实现对自己所有IP的保护。

2  FPSLIC集成开发环境

　　设计工具是SoC关注的另一个问题。市场上已经有了大量的工具用于开发和调试C或汇编语言编写的程序，也有了大量的工具用于设计和验证硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)完成的可编程逻辑设计。然而很少有EDA工具支持既包含可编程逻辑，又包含可编程处理器的设计。实际上，验证那些用完全不同的语言和不同的设计流程完成的设计的确是一个真正的挑战。经典的FPGA开发方法，可能只使用HDL对可编程的逻辑和可编程的处理器进行仿真，将处理器看作是HDL描述，而不只是处理器的调试用具。这种方法在仿真复杂SoC时，无法使设计人员有效地调试硬件，因为此时设计者无法访问硬件。Atmel公司的System Designer集成开发环境则可以很好地解决这一问题。

　　Atmel的FPSLIC的开发平台是带有协同验证功能的可编程Soc设计工具，能够轻松地实现Soc设计。Atmel的System Designer中，无缝地集成了Atmel的FPGA设计工具、第三方的HDL模拟器、AVR单片机指令集模拟器和调试工具。这种组合使设计者能够在FPGA逻辑设计的同时进行高级C语言单片机代码的模拟，从而使设计者可以在硬件实现和软件实现之间进行权衡。这种能力对于习惯于C或者汇编代码设计流程的嵌入式系统设计人员非常重要。

　　Atmel的System Designer的系统验证程序允许HDL模拟器和AVR指令集模拟同时和交互地运行。System Designer地协同验证框架具有一个总线接口模型，它定义可编程逻辑与单片机如何进行工作，对逻辑以及单片机的存储器总线进行解码，实现硬件和软件执行的同步，以及源程序和汇编程序调试的同步。

　　Atmel公司的System Designer集成开发环境，可以使设计者完成从设计方案的确立直到编程数据产生的整个设计全过程。同时，它也是一个开放式设计环境，可以集成不同厂家的软件。例如，在仿真中，可以使用Mentor公司的ModelSim，也可以是Viewlogic公司的仿真软件包;在AVR设计中，编辑器可以选择是汇编编译器、ICC编译器或IAR编译器。

　　Atmel公司的System Designer集成开发环境除了包括AVR单片机的设计，还包括了FPGA的设计输入、设计验证、综合优化和设计实现，以及生成下载数据的全过程。

3  FPSLIC应用前景

　　Atmel的可编程SoC的市场目标是商业和工业应用，如便携式、无线产品和Internet设备，功耗低、性能和成本适当是这些设备的根本要求。Atmel可编程SoC可应用于个人数字助理(PDA)及其配件、数码相机、MP3播放器和GPS模块以及无线家庭网络等领域。尤其对于对价格敏感的产品，FPSLIC的低价格无疑是最具吸引力的。

　　Atmel在2004年初发布了新一代以0.18μm工艺制造、增加SPI接口和数据存储器接口的FPSLIC(FPSLIC II)。这些新的周边设备将为设计者提供更多的FPSLIC与其它器件进行连接的选择。FPSLIC II 在价格上将比现有器件降低20%~40%，FPGA门数增至5 000~80 000门，而AVR速度更将达到40M。在2005年，Atmel的目标是利用0.13μm工艺生产FPSLIC III。这将把AVR的速度进一步提高到60M，FPGA门数则提高到40 000~200 000门。FPSLIC III主要目标是高档、高速及低功耗应用产品。相信随着FPSLIC器件的推广，Atmel公司的基于RISC的现场可编程系统级集成电路将具有广阔的应用前景。