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业界高度集成化的电子系统主要有系统级芯片SoC（System on Chip）和系统级封装SiP（System in Package）两种。SoC技术相对比较成熟，已经在电子系统中大量使用，但却越来越受到工艺、可靠性等方面的限制。SiP是基于SoC的一种新型的封装技术，它将一个或多个芯片及无源器件构成的高性能模块以芯片管芯的形式堆叠在一个壳体内，从而使封装由单一芯片升级为系统级芯片[1]。与SoC相比，SiP具有系统开发成本低、研制周期短、集成度高及可靠性高等优点。
SiP技术功能可定制、体积小、功耗低和重量轻的特点适应了嵌入式系统的发展需求，在嵌入式领域获得了越来越多的关注和应用。本文设计了一款采用ARM和FPGA管芯设计实现的SiP系统级封装，该系统将具有多种功能的通用微处理系统封装在一颗很小的SiP芯片内，体积小、功耗低且功能，实现了系统的高度集成。
1 系统总体设计
图1为SiP内部结构框图，该SiP系统级封装以ARM处理器和FPGA控制器为核心构建。采用ARM为主处理器，负责整个系统的控制和管理；FPGA作为系统的主桥控制器，完成系统多功能外设的综合调度管理。FPGA内部完成离散量、PWM、串口、A/D、D/A等控制逻辑，实现了16路模拟量输入、2路模拟量输出、8路PWM输入、16路PWM输出、5路离散量输入、5路离散量输出、6路RS-232、6路RS-422、1路RS-485等功能。
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不同于传统的封装器件，SiP系统级封装设计选用的所有器件均为芯片管芯，在该系统设计中，ARM处理器选用Silicon Labs公司的SIM3U167 ARM Cortex-M3管芯，FPGA选用Xilinx公司的XQV6000管芯，系统的其他功能电路（如PROM电路、A/D及D/A电路、接口驱动电路）均采用相应的芯片管芯设计。该SiP系统的最终实现形式为BGA304塑体封装芯片，所有功能信号、CPU下载、FPGA下载、电源信号均以管脚形式引到芯片管脚上。设计中芯片还预留了部分通用I/O管脚，以实现用户开发时的自定义功能。用户通过搭建简单的基础外围电路，便可实现具有上述功能的完整复杂系统。
2 系统电路结构
2.1 ARM电路
ARM作为系统的CPU，负责整个系统的控制和管理，图2为ARM与FPGA电路的连接结构[2]。其中，EMIF为外部存储器总线，该ARM芯片支持地址数据分用模式和复用模式两种模式，复用模式下最高可支持24位数据，本系统选用的是复用模式，EMIF_AD15：0为16位地址数据复用总线。ARM通过WR写使能信号、OE读使能信号、ALEm地址锁存信号、CSx片选信号和BEx字节使能信号控制FPGA芯片，实现对系统外围电路的控制。其中，ALEm信号、BEx信号仅在复用模式下使用。系统采用的SIM3U167芯片是一款高性能处理器，具有256 KB Flash和32 KB SRAM片上存储器，支持很多外围通用接口。本系统根据设计需要，将1路UART、1路USART、1路SPI、1路I2C、1路USB、2路12位A/D转换、2路10位D/A转换接口信号引到了SiP的外部管脚上。
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