MCU已经发展了三十多年，并随着超大规模集成电路的不断发展，MCU的性能得到了很大的提高，集成的功能也越来越多，使其应用也越来越广泛。MCU的发展在集成电路领域具有重要的意义，对MCU的研究本身也具有一定的挑战，本文基于一个科研项目的需要，设计了一个MCU芯片XD2637。本文通过对MCU的结构、指令系统和流水线技术的深入研究与仔细分析，设计完成了一款8位的MCU。从提高系统性能的角度，本设计采用了哈佛体系结构、RISC指令系统和四级流水线结构。其中，MCU的指令采用兼容PIC系列单片机14位字长的35条指令集。另外，对流水结构中可能出现的数据冒险和控制冒险均进行了硬件消除。文章详细说明了ALU模块、译码模块、程序计数器控制模块、中断处理模块和存储器模块的实现。本文使用自顶向下的数字逻辑设计方法，采用Verilog硬件描述语言完成了设计。电路源代码使用ModelsimSE进行功能仿真，完成了所有指令的验证，以及一些特殊功能，如中断和间接寻址的验证。仿真的时序正常，结果正确。并且使用Altera公司的CyclongII系列FPGA作为硬件验证平台，对MCU的源代码进行了硬件验证。本文所设计的MCU虽然采用了PIC系列单片机的指令集，但由于四级流水结构的使用，提高了MCU的时钟频率及指令的吞吐量，从而提高了MCU的性能。本文所得到的研究结果对四级流水结构MCU流水线冒险的消除具有一定的参考价值。同时，由于本文MCU设计的灵活性，使得对MCU功能的扩展也很方便，具有一定的继承性。