为了提升嵌入式处理器的性能,本文基于浙大数芯实验室的32位嵌入式处理器RISC32E,分析其性能和频率瓶颈,提出流水线深化的Gemini结构框架,并在Gemini处理器上进行存储系统的改进,采用数据预取机制提升了Gemini处理器的访存性能。同时,针对嵌入式处理器的低功耗需求,采用处理器的功耗模型进行了Gemini的功耗评估方法的探索。本文首先以单发射处理器的访存操作为导向划分Gemini的流水线。实验结果表明,Gemini处理器在TSMC130nm标准单元工艺下,worst case主频为360MHz, typical case主频为500MHz, EEMBC的评分在ConsumerMark为0.11/MHz,相比RISC32E处理器的0.084/MHz提高了31.9%;TeleMark为0.02/MHz,相比RISC32E的0.0119/MHz提高了66.6%。Gemini处理器中采用硬件数据预取的方式来提高处理器的访存性能。采用一种基于流缓冲的可变步长的最小差值预取,通过记录每次发生Cache缺失地址,计算最小差值并当最小差值匹配时进行数据的预取,将预取数据取入数据Cache中。Dhrystone的评测结果表明Gemini处理器中的硬件数据预取机制可提升性能2.1%。EEMBC的评分在ConsumerMark评测下通过硬件数据预取性能有3.3%的提升,在TeleMark的评测下性能有3.7%的提升。本文最后对比分析不同层次的处理器功耗模型,如在系统级的功耗模型,在RTL门级的功耗模型,在晶体管电路级的功耗模型等。并基于RTL级的功耗模型对Gemini处理器进行了功耗评估。