随着芯片集成度的不断提高，芯片对时钟系统的要求也越来越严格。在大规模集成电路的设计中，时钟系统设计已成为研究热点和难点。时钟系统由时钟源(一般是锁相环)和时钟分布网络组成。本文根据X处理器的设计需求，在深入研究时钟分布网络和锁相环的基础上完成了X微处理器时钟系统的设计。在研究分析国外时钟分布网络理论成果和设计实例的基础上，本文根据X微处理器的具体设计要求，自主设计了系统级时钟分布网络。在时钟分布网络的设计中，不仅采用了多项理论成果，而且对已有的设计方法进行了创新，提出了比较完整的系统级时钟分布设计方法。为了提高芯片工作的可靠性，本文设计了上电初始化时钟电路；同时通过在时钟分布网络中使用门控时钟来实现芯片的低功耗设计。本文还设计实现了与时钟分布网络相关的模块电路，如频率保护电路、二分频电路、频率检测电路等，这些电路结构紧凑，大大提高了芯片的整体性能。为了提高时钟系统的性能，本文对锁相环进行了深入研究，对已有的电荷泵锁相环进行了改进，设计了锁相环加速锁定电路以加快锁相环的锁定时间，改进了压控振荡器的等摆幅控制电路，减小了锁相环输出时钟信号的抖动。同时，本文推导了锁相环环路滤波器的设计公式，给出了完整的设计步骤。本文还对锁相环的版图技术进行了研究，提出了全对称压控振荡器的版图设计方法。基于0.18微米工艺，实现了一个高性能锁相环，并进行了投片验证，测试结果表明该锁相环性能优良，满足了预期的设计要求。