随着工业4.0时代的到来,工业微控制器在我国工业自动化发展中正扮演着越来越重要的角色。相比较一般的消费级应用,工业微控制器对可靠性、安全性、低成本及实时性上的要求更高。然而,不断更新的工艺节点以及不断发展的攻击技术对工业微控制器的可靠性和安全性带来严峻的挑战。就可靠性而言,目前常用的容错方法或占据较大面积,或性能开销大,实时性不足。就安全性而言,针对目前较为流行的功耗分析攻击抵御方案大都针对专门的硬件加解密模块,对与处理器相关的抗攻击研究不足,业界产品也较少。针对这一情况,本文在现有的基础上,针对微控制器的容错和处理器抗功耗分析攻击方面进行了相关研究。在可靠性方面,本文通过对现有技术和业界产品进行调研,针对嵌入式处理器,提出了一种基于全硬件的Lockstep容错设计,该容错技术能够同时解决挂起和结果错误类型的错误,通过对处理器双模冗余并增加硬件容错模块,实现故障的实时检测和恢复,以及写通模式下的片上缓存容错。针对微控制器内的片上存储,分析了单比特错误与多比特错误发生概率,并分析常用检错码的漏检率等特性,最终设计并实现了基于汉明码和循环冗余校验码的纠一检多容错方案。在安全性方面,本文研究了现有抵御功耗分析攻击的方案,并对业界有关抗攻击处理器产品进行了调研。基于容错的双核架构,提出了一种基于功耗隐藏的抗功耗分析攻击设计。通过在系统硬件层面,对主从处理器进行可控的随机延时插入,在保证处理器容错的同时,进行振幅维度及时间维度上的功耗隐藏,增加攻击者进行攻击的难度,从而提高微控制器的安全性。最后,本文通过研究故障注入技术,搭建了基于仿真的故障注入平台,对处理器进行了容错测试,并与现有常见的处理器容错方案在面积,容错率,性能和故障恢复时间之间进行了对比,结果证明该方法在各项指标间进行了良好的折衷。针对安全性测试,以差分功耗分析攻击为例,搭建了差分功耗分析攻击平台,对处理器进行了攻击测试,证明了功耗隐藏设计的有效性。