随着半导体技术与微处理器体系结构的发展，处理器的性能不断提高。发展相对滞后的存储器使CPU和主存之间的速度差日益加大。Cache作为提高存储子系统性能的一种有效途径，使其成为当前处理器体系结构的研究热点之一。在嵌入式处理器片上Cache的设计中，必须采用合理的设计思想，以较小的硬件代价来构建高效的存储层次结构。 本文结合西北工业大学航空微电子中心所承担的项目龙腾S2片上系统的开发，在成功地设计和实现了龙腾C2处理器片上混合Cache的基础上，对动态可配置分离Cache进行了研究与设计。论文的主要工作如下： 1．介绍了龙腾S2片上系统，分析了龙腾C2处理器的体系结构，并在此基础上得出了龙腾C2 Cache的设计要求。 2．分析了龙腾C2 Cache的体系结构、功能要求及时序与控制问题。详细论述了龙腾C2 Cache的实现和优化。最后介绍了龙腾C2 Cache在芯片中的物理布局。 3．在龙腾C2 Cache的基础上，对动态可配置分离Cache的配置原则、配置参数、配置算法和组织参数等相关问题进行了分析和研究。设计了一种动态可配置分离Cache。 4．在龙腾S2验证平台上，对动态可配置分离Cache进行了建模、仿真与性能参数提取。并在龙腾S2的综合环境与约束条件下，对动态可配置分离Cache的命中时间进行了评估和优化。仿真与评估结果表明，与龙腾C2 Cache相比，该动态可配置分离Cache的命中时间没有增加且命中率高于龙腾C2Cache，提高了龙腾C2处理器的性能。