随着信息技术和物联网技术的飞速发展,微控制器的应用愈加广泛,而它的核心单元是CPU,其功能主要是解释机器指令以及对数据进行处理,极大程度上说,CPU的性能决定了整个片上系统的性能。目前,国内产品中所使用的CPU大都是国外设计或授权生产,如ARM和Intel。因此,研发具有自主知识产权的CPU,对国家信息产业的发展有着深远的影响,对国家利益的保障意义重大。本文正是基于此背景,并结合自己的相关工作经验,探索并研究了一种高性能精简指令集CPU的设计及实现。CPU整体采用哈佛结构进行设计,它一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构,能够明显地减少数据和指令阻塞的情况,极大提高CPU的处理效率。同时,采用精简指令集指令集,其显著特点是每条指令的指令格式和指令周都期相同,这有利于其内部高速流水线的设计和实现。整个设计采用了自顶向下与自底向上相结合的设计方法,模块化的设计思想让从整体CPU的架构设计到各个功能模块的实现变得简单易行。文中较为详细地阐述了AXI片内总线、流水线、缓存、内存管理单元、程序计数器、算术逻辑单元、分支预测单元、中断控制器的实现,CPU功能模块也正是以此进行划分,并主要侧重于基本原理的介绍,对算法的构造不做具体的阐述。同时,结合整个数字芯片设计的流程,站在前端芯片设计人员的角度,分别从RTL代码设计、前端功能性仿真、FPGA板上验证、综合、形式等效性检查、静态时序分析、后端功能性仿真、功耗估计等方面介绍了整个CPU芯片设计的流程,各个流程的严格把控是整个数字芯片设计成功的先决条件。从CPU的代码设计到流片结束,通过对其进行严格的时序分析、功能性仿真、功耗分析以及FPGA上板验证,表明该设计结构合理,功能正常,时序收敛,在性能和功耗方面均取得了较为满意的结果。在40nm制成下,单核心主频可高达400Mhz,功耗在50mw以下,可以很好的应用于片上系统集成中,在嵌入式及物联网领域有较好的应用前景。通过本文的介绍,能够给其他设计者一定的启发,为后续此款CPU的升级奠定了一定的基础。