多端口寄存器堆由于可以实现快速、多个、并行的读写操作,所以对于指令并行性要求很高的现代处理器来说不可或缺,寄存器堆已经成为了各类尤其是嵌入式处理器中的关键模块。寄存器堆设计是存储器设计中的一个研究方向。高密度寄存器堆作为中央处理器中的一个关键模块,处于处理器片内,其在存储层次中也位于最顶层,寄存器堆的面积、速度、功耗等指标均对处理器有较大的影响。相比于静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)等存储系统,它具有存储容量更小,访问速度更快,要求同时可访问的端口更多的特点。本文的研究就是面向嵌入式CPU的应用需求,以寄存器堆为研究对象,深入探索其小面积、低功耗与高性能的实现方案,最终设计并实现了三款不同规格的寄存器堆。这三款寄存器堆规格不同、实现方案不一,所采用的设计方法以及设计中的折衷考虑对寄存器堆的研究工作非常有参考价值与借鉴意义。其出色的面积、功耗、速度实现结果不仅满足了当前嵌入式处理器的应用需求,而且为处理器整体设计带来了更多的选择余地。