处理器作为计算机的核心部件,广泛运用于物联网、便携式设备、人工智能等领域。由于物联网终端节点不宜更换电源,故对低功耗要求较高。随着物联网的发展,数据处理及传输阶段包含大量复杂运算,该阶段处理器需要具备足够高的性能。因此,低功耗的数据采集和高性能的数据处理及传输是保证物联网应用正常工作的关键。本文针对物联网应用中不同的应用场景,基于RV32IM指令集,提出了一种多模式动态可切换低功耗处理器设计方案。首先,为了分析处理器的功耗特性,需要对构成处理器的不同单元进行功耗测试。本文设计了 RISC-V五级流水处理器架构,并对其进行功耗测试,其中流水寄存器、通用寄存器、乘法运算单元、除法运算单元的功耗较高,为总功耗的83.7%;其次,针对处理器中部分模块功耗占比较大的现象,提出了模式切换的概念,在不同工作模式下动态地控制模块的电源开关以降低功耗。使用System Verilog语言实现多模式动态可切换低功耗处理器的硬件电路结构设计;最后,采用power gating技术进行低功耗设计,该过程中使用UPF对电源连接进行描述。处理器的工作模式切换采用的是软硬件协同的方式。最终实现了一种包含高性能模式、低速模式、低功耗模式以及超低功耗模式的处理器。本文以DMIPS程序作为测试基准,在1MHz的工作频率下,采用TSMC 40nm工艺,对多模式动态可切换低功耗处理器进行低功耗功能仿真、逻辑综合及功耗分析。结果表明,相较于五级流水处理器,多模式动态可切换低功耗处理器的硬件资源增加了 7.12%,高性能模式下处理器的功耗仅增长了 9.0%,低速模式、低功耗模式、超低功耗模式下处理器的功耗分别降低了 32.3%、70.2%、77.9%。多模式动态可切换低功耗处理器以较小的硬件开销换得了显著的功耗优化。