微处理器作为信息处理系统中的运算核心,在高性能计算、信号与图像处理等领域获得了广泛的使用。浮点处理器作为微处理器中的重要部件,对微处理器的性能起着重要的作用,而超越函数作为浮点运算的一种重要类型,其运算的速度与精度都会影响处理器系统的性能。针对雷达信号处理、无人机飞控等领域对超越函数浮点运算的高精度和实时性需求,设计高性能的超越函数浮点处理器具有重要的工程应用价值。本文在分析国内外现有研究的基础上,基于五级流水微处理器架构,设计了包含运算单元、控制单元、寄存器组和接口单元的高精度超越函数浮点处理器,以与32位嵌入式微处理器系统适配,解决超越函数浮点运算精度不足、缺乏硬件支持的问题。利用CORDIC迭代和泰勒级数迭代在不同区间内的精度特性,提出了一种高精度的分区间融合算法,通过加深迭代次数和分区间执行运算的方式提升超越函数的运算精度。根据提出的融合算法,设计了包含角度压缩模块、迭代逼近模块和后处理模块的运算单元,能够完成高精度的sin、cos、arctan、ex和ln x函数运算。针对超越函数浮点处理器内部运算执行流程长的特点,设计了集中式译码的控制单元,并定义了MCRR、MRRC、LDC、STC和CDP指令,来控制浮点处理器协同CPU完成超越函数运算。为解决浮点处理器运算执行时所需64位内部存储空间与32位CPU适配时的数据存储格式矛盾问题,对寄存器组内的32位通用寄存器进行组合配置,以完成双精度浮点数的存储,进而对高精度的浮点运算提供位宽支持。基于握手信号设计了接口单元,针对浮点处理器的当前状态和执行过程与CPU进行握手,有效解决了超越函数浮点处理器与CPU之间的指令与数据交互问题。以硬件描述语言完成超越函数浮点处理器的设计,对其RTL代码进行逻辑综合和功耗分析以确定其性能参数,使用Innovus工具完成后端物理设计,并利用matlab数学工具搭建测试平台,分析本设计的精度特性和所提出方法在精度提升上的有效性。针对超越函数浮点处理器的指令执行过程搭建仿真平台,使用VCS进行仿真分析,验证了本文设计的超越函数浮点处理器可以有效完成读入源操作数、执行运算和写回运算结果的功能;在SMIC 40nm工艺库下,经逻辑综合,其主频为200MHz,面积为577611.239μm~2;通过功耗分析可知,本设计整体功耗为148.3m W,其中漏电功耗为22.2m W,开关功耗为66.5m W,内部功耗为59.6m W;经布局规划、电源规划、标准单元布局、时钟树综合和布线后完成后端物理设计,其版图为1040μm×1320μm的规则矩形;通过将测试结果和matlab仿真结果对比,验证了本文提出的融合算法对于精度提升的有效性,经测试,本文设计的超越函数浮点处理器完成函数运算的均方误差小于1.840e-17。