本论文课题来源于军用项目：16位航空专用处理器芯片的设计。本文首先分析了该款CPU的指令系统,为后续设计提供理论依据,然后根据CPU的功能及硬件结构特点对CPU进行总体设计,其中主要针对运算部件和控制部件两部分的设计展开论述。运算部件设计中,首先进行了算法分析,从芯片面积与速度等因素综合考虑,采用分组超前进位的思想设计并实现了加法器。同时还设计了移位部件,并将乘除法运算建立在加法器的硬件基础之上,采用传统的手工进行乘法的普通算法设计乘法器,采用恢复迭代算法设计除法器。最后在Cadence仿真环境下进行仿真,验证了设计的正确性,结果表明此设计可以满足CPU运算速度与芯片面积的要求。控制部件设计中,首先完成了程序计数器的设计,然后设计了指令寄存器与指令译码器,并在分析微程序控制与硬布线控制两种设计方法基础上,根据指令系统以及CPU性能指标的要求,采用微程序控制方法设计CPU的控制器,并完成了整个设计流程,同时通过仿真验证了设计的正确性。