异步设计与同步设计是两种基本的数字电路系统实现方法。异步设计和同步设计的不同点主要在于如何实现负载逻辑硬件系统的协调运行:异步系统由分布的级间应答来保证各部分的协调,同步系统由中央的全局统一的时钟节奏来实现各部分的协调。已经公认的事实是:在纳米时代,大型SoC实现将不再可能使用传统的单一系统时钟结构,而将采取异步技术。在纳米尺度加工工艺的甚大规模集成电路芯片上的工艺变化很大,同步控制系统时钟的代价太大。同时,模块化设计和能耗指标等都在呼吁在系统级实现事件驱动以替代或部分替代同步系统中的时序控制。为此发展起了异步的数字电路系统。异步电路在速度、功耗、噪声、模块化等方面具有其独特的优势。但现在异步系统的设计仍然是刚刚起步,尚存在很多问题,缺乏相应的EDA工具。本论文在异步电路的基本原理和特点及异步VLSI系统的主要设计原理、方法和模块等方面展开了广泛的研究,为异步VLSI系统的设计奠定了基础。本文的主要工作包括:研究了异步系统中的握手协议、信号传输协议、数据编码协议,以及由不同的信号传输协议和数据编码协议构成的不同的握手协议实现方式;分析了异步电路中的延迟问题,建立相应的延迟模型,并给出了根据延迟模型的不同异步电路的分类情况;研究了异步VLSI系统的主要设计原理、方法和构建块,并重点研究了同步化和通信方面的内容;研究了异步电路设计中用到的高级语言:硬件通信进程CHP(Communicating Hardware Processes)、握手扩展HSE(Handshaking Expansion)、及最终的生成规则集PRS(Production Rule Set),并利用它们对设计的具体过程进行了描述;最后,作为设计实例实现了一个异步全加器的设计。