随着设计与制造技术的发展,集成电路设计从晶体管的集成逻辑到逻辑门的集成,现在发展到IP的集成,即SOC(System-on-a-Chip)设计技术。SOC可以有效的降低电子产品的开发成本,缩短开发周期,提高产品的竞争力,是今后业界最主要的产品开发方式。CPU的设计涵盖了SOC设计中的核心技术,是一个通过设计复用达到高生产率的硬件—软件协同设计的过程,包含了IP核可复用设计/测试方法及接口规范、系统芯片总线集成设计方法、系统芯片验证和测试方法。MCS-51指令集作为一款CISC指令集,以其译码逻辑硬件资源简单,性能稳定,和软件资源丰富等优势,在工控领域得到广泛应用。本文从指令集、系统级设计、RTL级验证、逻辑综合及版图设计等几个方面对CPU设计进行了深入的分析。最终,在IBM 0.18μm CMOS工艺下,设计出一款时钟频率在100MHZ,完全涵盖MCS-51指令集的8位CPU。本文主要的研究内容包括如下几点:1、对MCS-51指令集的位宽、时序及寻址方式的研究;2、完成系统级设计中的模块划分及模块的验证;3、完成逻辑综合及版图的后端设计。