随着集成电路制造工艺不断进步，处理器设计已经进入了SoC时代。由于异步电路没有时钟，具有功耗低、速度快、兼容性好和抗电磁干扰等特点，近年来又成为研究的目标。本文对异步电路系统设计的关键技术进行了研究，讨论了异步电路握手协议、异步电路延时模型和基于异步语言Balsa的设计方法。在对微控制器指令系统、内核结构、执行过程深入分析的基础上，按照自顶向下的模块化设计流程，完成了微处理器的算术逻辑单元，寄存器，译码器等关键模块的设计，实现了采用异步Balsa语言设计的异步微处理器核，并在Xilinx的集成环境下对全异步微处理器进行了功能仿真。为了与资源丰富的同步IP组成SoC系统，论文在接口设计中，提出了同异步接口设计方法，并完成基于四项双轨协议的同步转异步、异步转同步的接口设计，并应用于设计的异步微处理器。本文设计的全异步微处理器，在指令的执行效率、最高握手频率、静态功耗和抗干扰方面都有一定优势。采用的基于异步语言Balsa的设计方法对异步电路的设计和应用具有一定的实用价值。