本文围绕适用于星载计算机等航天应用的宇航高可靠处理器的设计和验证展开研究。空间辐射环境是宇航高可靠处理器在设计时需要特别考虑的因素。首先,本文对空间辐射环境进行了初步的研究和分析,指出对处理器的行为有重大影响的几种辐射效应,在逻辑上对处理器的影响主要表现在程序数据流(程序运行结果)和程序控制流(指令执行顺序)上,针对这些效应给出了当前主流的宇航高可靠处理器的设计方法学。接着,本文选择其中的单粒子翻转事件(SEU),针对LEON3架构进行了深入的研究,进行了基于COTS的高可靠设计与实现,本文的主要工作和成果有以下几点。1.基于RTL故障注入的处理器可靠性评估机制RTLFIA和实现。本文提出并设计实现了一种基于RTL故障注入的处理器可靠性评估体系结构RTLFIA和实验平台,该评估平台的特点是:高效和高精度,然后采用该试验平台对LEON3的SEU可靠性进行了分析,得到了LEON3的IU的SEU可靠度。2.高可靠IU原型(HRIU)。本文根据前面章节的分析结果深入研究了当前主流的基于COTS的体系结构高可靠设计技术,主要包括Hamming码和三模冗余(TMR),并结合特定的应用对三模冗余(TMR)做了一定的改进,提出了BLOCK-TMR,采用这些技术设计实现了高可靠的IU流水部件(HRIU),采用RTLFIA测试了其抗SEU的有效性,并综合分析得到了开销,实验表明HRIU能有效的避免单次出现的SEU对处理器的影响并对多个SEU有较强的监测能力。3.一种新的控制流故障检测算法KDCFCA。针对SEU对程序控制流有重大影响的事实和在某星载计算机设计和研制中发现的板级控制流故障检测机制的不足,本文给出了片上控制流故障检测模型,然后研究分析了当前存在的控制流检测算法,并做了一定的改进,提出了KDCFCA,经分析其能较好的完成控制流故障的检测。