深亚微米工艺条件下,同步集成电路技术开始面临时钟扭曲难以解决、时钟功耗过大等问题。异步集成电路技术使用本地握手信号来控制电路各模块操作的时序,从根本上解决了同步集成电路技术面临的问题,并且异步集成电路具有功耗低、性能好、鲁棒性高和电磁兼容性好等优势。本文针对异步嵌入式微处理器设计与分析的关键技术,对异步集成电路的设计流程、异步电路的性能建模和分析技术、32位微处理器体系结构和微体系结构设计与实现的关键技术和异步微处理器的设计与实现的关键技术等方面进行了深入的研究。本文取得的主要研究成果如下:(1)提出了基于宏单元的异步集成电路设计流程。该设计流程充分利用了现有的同步集成电路EDA工具,将异步控制通路中的关键单元全定制为宏单元,同时异步数据通路的设计仍采用同步集成电路的设计方法。为了验证该设计流程,本文设计实现了一款32位异步乘法器,既验证了设计流程,也验证了异步电路在功耗和性能方面所具备的优势。(2)提出了基于排队网络的异步电路的性能建模和分析算法。排队网络作为一种系统级的建模和分析工具,具有很强的抽象建模能力,适用于对异步电路进行高层次建模和分析,在设计的早期为设计提供指导。本文提出了两类分析算法:基于闭环排队网络的分析算法和基于开环排队网络的分析算法,分别针对不同结构的异步电路进行建模和分析。(3)提出了基于Petri网的异步电路的平均周期分析方法和异步电路的重定时算法。为了分析异步电路的平均周期,本文提出了两种分析方法:基于P-不变量的分析方法和基于线性规划的分析方法。前者适合对异步电路的高层次的抽象模型进行分析,后者适合对异步电路的电路级模型进行分析。以平均周期分析方法为基础,基于同步电路的重定时技术,本文提出了异步电路的重定时算法,优化异步时延电路的性能。(4)提出并设计了一种32位微处理器的体系结构C32、并实现了一款32位同步嵌入式微处理器芯片。研究了32位微处理器的指令集设计、存储系统设计等关键技术。研究了基于该体系结构的同步嵌入式微处理器的微体系结构设计、逻辑设计和VLSI实现、测试和验证等一系列关键技术。同步嵌入式微处理器芯片已经通过0.18μm工艺的验证,工作主频为266MHz,通过较为复杂的应用测试了其正确性和稳定性,具有广阔的应用前景。(5)深入研究并设计实现了一种异步微处理器原型。在研究异步集成电路设计方法、建模和分析技术以及微处理器体系结构和微体系结构设计与实现等一系列关键技术的基础上,深入研究并设计实现了异步微处理器原型。异步微处理器原型遵循C32体系结构,以同步嵌入式微处理器的指令流水线为基础,采用基于宏单元的异步集成电路设计流程和解同步技术相结合的方法设计和实现。本文通过设计和实现异步微处理器原型,对异步集成电路设计方法、建模和分析技术以及微处理器的体系结构和微体系结构设计与实现技术等进行了验证。实践表明,这些技术是有效的,能够应用于异步微处理器的设计和实现中。