由于RISC处理器的指令集简单规整、译码和控制电路简单、易于达到高频率的特点,因此被广泛应用于高性能服务器。MIPS是最精简、纯粹的RISC处理器,本文从提高数据通路ALU性能和使用动态调度多发射实现指令级并行两方面,对传统的五级流水MIPS32处理器进行改进,设计了一个具有4-发射乱序执行功能的RISC处理器,并采用了半定制设计方式,在TSMC 40nm CMOS工艺下实现物理设计。本文介绍了高性能ALU的设计方法,通过Verilog HDL数据流级描述将算法在门级电路实现,以代替逻辑综合工具的自动优化,在平衡了面积-速度的基础上,得到了路径延时最小的全组合逻辑ALU。本设计中的高速ALU电路包括对数移位器、采用Breng-Kung并行前缀进位树的超前进位加法器、采用Booth编码的Wallace树并行乘法器,全组合逻辑的阵列除法器等。本文采用了2位饱和计数分支预测器来减少控制冒险,并针对直接映射的Cache设计控制器。本设计中共有3个ALU模块,和一个AGU模块,每个时钟周期最多可以同时执行三条算术逻辑指令和一条存取指令。处理器通过重命名映射表和重排序缓存将32个通用逻辑寄存器映射到128个物理寄存器,然后分派到4个独立的压缩发射队列中。发射队列控制器通过tomasulo算法动态调度流水线,将没有相关性的指令送入执行单元,最后使用重排序缓存来恢复指令的正常顺序。本文设计的RISC处理器实现了MIPS32常用整型指令,运行时钟频率为166MHz,版图面积为0.312mm2,采用数据和指令分离的存储器,并各有一个1KB的直接映射Cache。本设计具有7级流水线,每周期读取并发射4条指令,并在进行乱序执行。本文通过对需求进行分析,明确了设计指标,并根据集成电路设计流程,经过RTL设计,电路设计,验证平台搭建,前仿真,逻辑综合,后端设计与验证等一系列步骤,完成了工作。经仿真验证,功能与版图满足设计指标,达到了设计要求。