作为传感器的重要组成部分,微控制单元(MCU)广泛地应用于汽车电子、工业控制和航空航天等众多领域。如今,随着传感器技术的发展,电池供电设备乃至自给供电设备层出不穷,这对MCU的功耗性能提出了更加严格的要求。为了进一步降低传感器的功耗,本文设计了一款面向传感器应用的低功耗MCU。基于精简指令集、哈佛结构和两级流水线结构,本文对MCU的时钟模块、程序计数器模块、中断模块、控制冒险处理模块、定时/计数模块、存储空间分配模块和功耗管理模块进行了研究与设计。为了提高系统的稳定性,本设计采用了格雷码计数器、无重叠时钟产生电路和无缝时钟切换电路构建了时钟模块。为了提高芯片的可扩展性,本设计在程序计数器模块中利用全加器实现了堆栈结构。为了避免指令执行与中断响应的冲突,本文在中断模块中提出一种“双信号”响应机制。为了减小芯片面积,本设计利用中断机制实现了功耗管理模块的唤醒功能。为了提高定时器分辨率,降低传感器应用的平均功耗,本文在定时/计数模块中提出了一种新型边沿检测同步器结构,将同步器数据稳定时间的理论极限值提升至新时钟域的0.75个周期。为了降低MCU工作模式下的功耗,本设计依据两级流水线结构提出了一种功耗管理模块优化方案,进一步地管控程序存储器。此外,本文设计了汇编语言编译器并搭建了仿真平台,基于NUVOTON 0.35μm 2P3M CMOS工艺对MCU中各模块功能进行仿真,仿真结果表明:MCU指令功能无误,模块时序与设计相符。经过新唐科技流片后,对芯片进行实测,测试结果表明:1)MCU指令功能执行正常。2)新型边沿检测同步器功能无误,在系统主频为4MHz的条件下,定时器分辨率提升至0.5μs。3)在电源电压为3.3V时,功耗管理模块优化方案使得系统高速模式功耗降低了 20.65%,低速模式功耗降低了 41.3%。