Was Du brauchst ist ein Arm7, besser 9 da kann man bedenklos sowas machen.
Das hat Lego Mindstorms NXT auch schon erkannt: 32-bit ARM7 microcontroller, 256 Kbytes FLASH, 64 Kbytes RAM und 8-bit AVR Microcontroller, 4 Kbytes FLASH, 512 Byte RAM.

... und dennoch: auf dem ATmega128 kann man mehr machen als nur Assembler. Probiert es doch einfach aus.