植入式医疗设备和物联网应用设备促进了人们的健康生活和智能生活。对于青光眼、癫痫等难治性疾病,植入式医疗设备现代医学诊疗中扮演着日益重要的角色。而物联网终端设备通过收集、处理环境信息,来指导设备的行为。这两类设备由于特殊的应用场景和领域的限制,对所使用的处理器提出了供电自治、保证任务进度、超小面积、超低功耗的需求。能量收集供电方式有利于实现供电自治,但也面临两大挑战,一是低电源能力,二是频繁但不可预测的供电故障,由于植入式医疗设备和物联网应用需要依据长时间的监测和计算结果来指导终端设备的行为,如果计算任务执行过程中发生供电故障,则会导致存储电路中的数据丢失以及较大的重新执行的开销。为了解决上述问题,本课题研究了一款专用适应不稳定供电、能够保证任务进度的可随时掉电恢复处理器。首先,该处理器基于开源的RISC-V指令集架构,实现了其32位整数基本指令集,并重新配置使其支持压缩扩展指令集,其具备简单、低开销的指令集特点。其次,为了适应能量收集供电方式并保证任务进度,提出了非易失冗余备份方案,在每个计算任务完成后,处理器按照备份协议将“过程数据”主动地冗余备份到非易失存储器。针对该备份方案,提出了两阶段(先缓存后备份)的数据备份协议和两阶段(先覆盖后恢复)的数据恢复协议,并根据软硬件协同设计方法,将该协议实现为状态机电路。然后,设计了用于大量数据搬移的DMA(直接存储器存取)电路,以减少备份和恢复操作对处理器运行时间的占用。此外,本课题选取了一种新型的低压非易失存储器即导电桥式存储器来存储备份内容,并设计了两级非易失的缓存和备份存储器来支持两阶段备份方案。为了进一步减少数据备份和数据恢复过程中的功耗和时间开销,本课题参考直接映射缓存结构,设计了备份和缓存更新标志存储器,来标记数据存储器和缓存存储器中数据的更新情况,以减少不必要的数据搬移。与传统的易失处理器相比,本课题的处理器可以避免断电后数据丢失,并且在上电后最多只需回退一个应用任务,节约了程序在上电后全部重新执行的时间。本课题对上述可随时掉电恢复的处理器进行了功能仿真,验证结果显示,该处理器能够按照备份状态机预先定义的状态进行跳转,完成两阶段的数据备份;而恢复状态机也可以从任意时刻的断电中将数据状态可靠地恢复出来。