时钟系统是集成电路的重要组成部分。它通过时钟信号实现集成电路各个子系统的协同工作与数据交互，保证了集成电路功能的正确性与可靠性。随着半导体技术发展到纳米工艺节点，集成电路设计变得规模庞大、结构复杂，导致时钟系统所要覆盖的面积增大，且时钟负载也相应增大。在纳米工艺节点下，片上波动对时钟系统的影响变得十分显著，对时钟系统的可靠性提出更高的要求。此外，时钟频率不断提高，使时钟功耗占设计总体功耗的主导地位。　　本文从硅前设计、硅前验证，以及硅后测试三个方面，深入研究高性能处理器的时钟系统设计方法。本文的主要贡献与创新点如下:　　一、提出并实现了一种基于蒙特卡洛方法的触发器簇布局优化方法。该方法根据逻辑信息对触发器进行聚类，得到触发器簇;再通过建立触发器簇的数据流图，分析触发器簇之间的数据流关系;在此基础上，结合传统布局布线流程，利用蒙特卡洛方法进行触发器簇布局优化。实验表明:与现有的、面向数据路径的触发器簇布局优化方法相比，该方法在总线长、最坏时序违例、总体时序违例等三个方面，能够分别得到平均约9.22％、17.44％以及20.66％的改善。　　二、提出并实现了一种基于正态拟合与多元线性回归的时钟Mesh性能验证方法。该方法从工艺、电压、温度等三个方面分析片上波动的来源与影响，并将Mesh结构时钟系统划分为前驱动层、短接层与负载层;在此基础上，结合基于HSPICE的采样方法，在考虑片上波动的情况下，利用正态拟合方法分析时钟偏差的概率分布，并使用多元线性回归方法量化前驱动层的时钟时延对时钟偏差的影响。实验表明:在片上波动的影响下，1）时钟偏差的概率分布可以用正态分布拟合;2）时钟偏差与前驱动层时钟路径时延的关系可通过多元线性回归模型进行拟合。　　三、提出并实现了一种基于维纳延迟链的改进型时钟性能测量电路。该电路将时钟信号的时域信息转化为维纳延迟链上的空间分布，并结合寄存器堆，记录时钟信号的波形，以及统计时钟性能的概率分布。实测结果表明，与原有的、基于延迟单元的时钟偏差测量电路相比，改进型时钟性能测量电路具有以下优点:1）测量范围宽，能够测量大于半个时钟周期的相位差;2）测量功能完善，能够实现对时钟偏差、时钟抖动、时钟占空比、电压波动以及工艺偏差的测量;3）具有获取时钟性能参数的统计信息的能力。　　四、将Mesh结构时钟系统的性能验证方法与改进型时钟性能测量电路应用于龙芯3A2000/3000处理器设计之中。