微控制器(MCU)是许多数字系统的核心部件,其控制复杂,对鲁棒性、面积、功耗、运算速度、功能等方面都有很高的要求,设计拥有自主知识产权的高性能MCU一直是集成电路设计领域一个富有挑战性的课题。本文的研究正是对此做一次有益的尝试和实践。本文深入细致地研究了Microchip技术公司的PIC16C5X系列微控制器的指令系统和系统结构,深入理解了微控制器的工作原理和设计方法,进而确定微控制器的总体结构,以及各层次模块的功能和结构。针对PIC16C5X系列微控制器不能适用于高速场合的需要,对其时序结构进行了改进设计,用单时钟代替原来的四相时钟技术,采用二级流水结构,配合指令的工作节拍,使指令执行周期缩短为单个时钟周期。另外,精心设计了微控制器的核心部件算术逻辑单元。通过以上改进,使其时钟频率高于PIC16C5X的最高时钟频率20MHz。本设计中采用硬件描述语言Verilog及自顶而下(Top-Down)的设计方法设计了改进型微控制器,通过搭建验证平台,采用交叉的验证方案对该MCU进行了验证。并从覆盖率角度衡量了整个设计中代码的优劣,为仿真验证过程增加了可信度。最后,采用Synplicity公司的高层综合工具Synplify对所设计的MCU进行了综合,综合结果验证了改进型MCU满足了要求,工作频率达到66MHz。