进入21世纪,SoC (System on Chip,片上系统)得到了快速发展,作为SoC最核心的微处理器在各个应用领域扮演了越来越重要的角色。嵌入式微处理器在工业控制、个人消费电子、通信、军工领域有着广泛的应用,其中大部分的SoC芯片采用ARM架构,ARM公司的ARM系列架构的嵌入式微处理器在嵌入式市场占领了大部分市场份额。本文研究了ARM公司Cortex-M系列的Cortex-M3处理器,设计了一款与Cortex-M3指令集完全兼容的嵌入式微处理器,并具有主频高、功耗低的特点。首先,基于Cortex-M3处理器三级流水线,将3级流水线Execution阶段分成Execution、Memory Access、Write Back三个阶段来降低Execution的关键延时,将其扩展为5级流水线,来达到提高主频的目的,提高微处理器性能。其次,采用在处理器软核中加入门控时钟技术来降低处理器的功耗。最后,通过采用哈佛总线结构和双回写机制改善了数据吞吐率,优化流水线性能,降低流水线设计复杂度。对于乘法类指令,采用3级流水硬件乘法器,完成乘法需要3周期,以此来提高系统时钟频率。针对除法指令,采用多周期完成的除法算法,在面积与速度上取得均衡。