工作在空间境下集成电路受带电粒子、高能粒子等射线的影响，其电参数可能改变，并导致电路节点的电位翻转，影响了集成电路的正常工作。微处理器是计算机系统的核心部件，是空间系统必不可缺少的组成部分。开展高可靠微处理器的研究具有很重要的理论和实际意义。　　 论文主要介绍了一款32位微处理器的设计、验证、实现和芯片测试，并针对抗单粒子加固技术做了相应研究工作。　　 首先，论文完成了兼容ARM7TDMI指令集的32位RISC嵌入式微处理器的设计、功能仿真和FPGA验证；本文设计的微处理器不但指令兼容，其体系结构和所有接口信号的时序也完全兼容。该微处理器采用3级流水线结构：取指、译码和执行；其总线采用Von Neumann结构。由于多数指令是多时钟周期完成，本文采用状态机集中控制的方式来控制指令流在微处理器内的执行以及提供各个模块的控制信号。在XILINX的FPGAXC3S1000-4FG3201上实现了微处理器的硬件验证，工作频率为35MHz。论文还介绍了集成上述微处理器的MCU的实现和芯片测试，芯片是采用0.5μm标准单元库实现，测试结果表明CPU功能达到设计要求，工作频率10MHz。　　 在分析了微处理器体系结构的基础上，论文通过增加流水线级数、采用Harvard总线结构和增加寄存器写端口的方法优化了微处理器，仿真显示在同等条件下MIPS提高了153.4％。　　 论文调研了宇宙射线对集成电路的影响，并从工艺、版图、电路和系统四个层次介绍了常见的加固技术。在综合考虑加固效果、面积、速度时，并非最好的加固技术就适合高可靠微处理器的设计。为分析和认识微处理器的故障敏感度，论文设计了一种基于仿真的故障注入系统——自动故障注入及分析系统(Automatic FaultInjection and Analysis System)，和其他注入工具相比，该系统具有自动化程度高，模型准确，门级网表和RTL代码混合仿真加快了注入和分析速度等特点。通过注入微处理器大约200，000个故障，保证了实验的统计意义。实验显示在设计加固微处理器时应该着重考虑存储单元、时钟信号以及微处理器的寄存器堆、控制状态机两个关键模块。　　 通过故障注入分析和前人研究成果表明，微处理器中99％以上的错误由触发器的单粒子翻转引起。论文设计了全加固主从D触发器，在该D触发器中首次引入了时钟加固技术，并对输出采用状态保持电路给予加固。Hspice仿真表明本文设计在加固效果、功耗上优于国内同类设计。　　 论文最后在综合考虑了加固效果、面积和速度等因素后，采用了如下几种方法加固微处理器：1)采用专门设计的加固触发器；2)三模冗余编码的状态控制模块；3)偶校验寄存器堆奇；4)采用故障陷阱中断的方式处理一些不可消除的故障；5)给出分段程序执行，状态保存的故障处理程序。最后采用自动故障注入及分析系统验证了加固微处理器的加固效果，结果表明加固效果明显。