处理器是计算机系统最核心的部件,同步处理器在过去几十年间获得了突飞猛进的发展。然而,随着特征尺寸的不断减小和电路规模的不断增加,时钟偏移、最坏速度、系统功耗及电磁辐射等问题日益成为同步处理器性能提高的瓶颈。因此,能较好地解决上述问题的异步处理器设计技术逐渐成为世界范围内的研究热点。我国的处理器设计刚刚起步,而异步处理器的设计则处于起步前的探索阶段。本文针对异步RISC微处理器的设计技术进行研究,采用自顶向下的方法设计实现了一款带有Booth乘法器、桶式移位器、经典5级带反馈流水线、具有中断和例外管理功能、采用四相数据绑定握手协议和匹配延迟等技术的异步RISC微处理器核。本文完成的主要工作包括:论文紧紧围绕微处理器设计中具有“异步”和“RISC”特色的关键技术进行研究。论文首先研究了异步电路设计原理,对握手协议、延迟模型、指示原则及马勒流水线等进行深入分析;然后研究了RISC单发射微处理器的特点,重点研究了指令系统、流水线组织以及中断和例外管理。论文对异步微处理器的体系结构、异步流水线结构和异步功能单元的设计进行了研究。论文在对异步流水线控制、死锁、数据相关、转移相关、中断与例外、异步功能单元设计等关键问题进行了深入研究的基础上,给出了较为详尽的设计方案。论文用异步电路硬件描述语言Balsa对所做设计进行了建模,并完成了ASIC综合。论文采用基于仿真的验证方法,从单元验证和结构验证两个方面,分别设计验证程序,对所设计的异步微处理器进行了功能验证。论文在研究、设计、建模和验证过程中针对出现的问题提出了以下一些策略或方法:论文对流水线的共有问题和异步流水线特有的新问题进行分析,在此基础上提出了一种异步流水线控制策略,该策略能对异步流水线控制问题提供较好的解决方案:针对异步电路中特有的死锁问题,论文提出了一种建立死锁模型的方法,通过该死锁模型可以快速定位死锁原因:针对RISC微处理器中所有数据相关难以考虑周全的现状,论文提出了一种基于指令事件类的数据相关彻查方法,该方法既能找到所有情况的数据相关,又有较小的彻查工作量;论文结合本设计的指令构成和流水线事件的特点,提出了一种基于指令事件类的验证程序生成方法,该方法具有针对性强、功能覆盖率高、仿真时间短等优点。实验结果表明,本文设计的异步RISC微处理器核功能正确,与对应的同步微处理器核相比,本设计既有较好的性能和扩展性,又有较高的功率效率。