网络用户和数据流量的指数级增长，要求网络处理的带宽更宽、速度更快。网络处理器作为一种基于可编程的ASIC处理器，它可为系统提供类似ASIC的高性能处理速度，而且可以提供类似通用处理器的灵活性。因此满足很多应用的性能要求。作为网络处理器中的核心设计单元，多线程流水线处理器的任务就是完成对所有经过网络处理器的数据包校验和验证，包头处理和分类，表查找和转发，包在存储单元的存储，包头修改，包往正确端口的转发等。因此，多线程流水线处理器设计的好坏很大程度上决定了网络处理器的性能，多线程流水线处理器的频率高低直接影响整个设计平台的工作频率，吞吐量以及整体性能。本文主要完成多线程流水线处理器的设计优化以及实现工作：首先对多线程流水线处理器的指令集以及五级流水线设计和结构进行了详细分析。多线程流水线处理器主要针对网络数据包的处理，相较于一般指令集，多线程流水线处理器指令集对其中一些指令进行了增减；针对多线程流水线处理器在设计时的流水线冲突问题，对于数据冲突和控制冲突分别进行了分析并给出了解决方案。其次，在完成基于SMIC0.13μm工艺的ASIC实现过程中，首先分析了从FPGA到ASIC设计的转换过程中遇到的问题及解决方案。其次，从综合约束、综合器优化，设计优化等方面论述了XDNP多线程流水线处理器及仲裁的综合和优化过程，重点说明了综合的时序违例和优化采取的方法。经过优化后的多线程流水线处理器最高工作频率达到300MHz，超过系统设计目标频率要求，并且完成了对多线程流水线处理器的综合后验证工作。最后根据综合得到的网表和约束文件参与完成了多线程流水线处理器的物理设计布局布线工作。