嵌入式处理器被大量应用于消费市场上的各种数字设备中,例如手机、数码相机、数码摄像机以及汽车信息系统。由于消费电子市场的快速发展,嵌入式处理器市场正不断扩大。传统的嵌入式处理器的主要设计目标是低成本、低功耗以及小的芯片面积。但随着嵌入式应用对计算能力的要求不断提高,对高性能的32位嵌入式处理器的需求在持续上升。因此研究高性能32位嵌入式处理器的设计与开发是非常重要的。本文介绍了Beta指令集结构,包括机器模型,完全的32条指令的编码和规范,异常处理,以及软件约定;基于Beta指令集结构,我们设计和实现了32位嵌入式处理器Beta5。Beta5是一种32位哈佛结构RISC处理器,具有5级流水线和全旁路以及完整的Cache系统,包括16KB的指令缓存和16KB数据缓存以及独立的指令缓存控制器和数据缓存控制器。为提高性能,在Beta5中还采用了索引共享全局历史算法分支预测模块。本文详细阐述了Beta5处理器的设计和实现,包括Beta5处理器的整体结构设计,流水线及流水线控制器设计,旁路及旁路控制器设计,Cache技术分析与Cache系统设计,以及动态分支预测技术分析与动态分支预测模块的设计;本文还介绍了Beta5的开发与测试流程,包括行为仿真、RTL设计与验证的流程和方法,FPGA开发与验证平台以及利用ChipScope Pro在FPGA开发平台上进行硬件测试。