研发我国自主的高性能芯片在经济和国家安全方面具有重要意义。龙芯系列处理器的成功研制填补了我国自主高性能通用处理器的空白,龙芯2号采用先进的结构设计技术,已跻身于世界一流处理器的行列。然而,龙芯2号的性能还是有很大的提高空间。本文以挖掘程序的线程级并行、提高功能部件的利用率为切入点,以提高龙芯2号处理器性能为目的,分析了当前多线程技术的现状和发展趋势,结合龙芯2号的结构特点并对其进行多线程扩展,设计了龙芯2号多线程处理器。龙芯2号多线程处理器可以同时执行来自两个线程或微线程的指令,从两个(微)线程中找到更多可并行的指令进行处理,从而提高了功能部件的利用率。与此同时,本文还设计实现了配套的龙芯2号同时多线程和同时多个微线程Linux操作系统。龙芯2号同时多线程Linux操作系统将调度两个进程同时运行在龙芯2号多线程处理器上,来提高整个软件系统的性能。龙芯2号同时多个微线程Linux操作系统则在内核中为微线程应用程序提供支持,用户程序可以创建多个微线程来提高自己的运行速度。另外,本文还完成了对龙芯2号多线程处理器超标量模式和同时多线程模式的功能验证,并进行了初步的性能测试。现阶段,在尚未进行硬件策略优化的情况下,同时多线程模式的龙芯2号多线程处理器与原龙芯2号处理器相比已经有了较为显著的性能提高。