微控制器(MCU)在数字系统设计中占有重要的位置,一直是集成电路设计中极富挑战性的设计,其功能强大、现场可编程性强,广泛用于工业控制和片上系统SOC等数字系统设计中。本论文设计工作来源于西安电子科技大学的科研项目“深亚微米数模混合专用集成电路关键理论研究及设计实现”,设计一款兼容MCS-51指令体系的8位微控制器(MCU),其属于复杂指令系统(CISC)微处理器。该微控制器采用指令总线和数据总线分离的哈佛(HARVARD)结构进行设计的,这样设计简化了控制结构、加快数据处理速度。数据总线的设计采用了分段驱动的方法,避免了在设计中产生三态电路而不利于后端的设计。在设计计数器(TIMER)和串口通信(UART)模块中采用时钟作触发器使能的方法避免了多时钟域的产生,使得整个MCU工作同步于一个时钟,方便代码的综合和后端工具的处理。本论文首先对MCS-51系列MCU的系统结构、指令系统和指令执行时序进行深入的分析;接着采用自顶向下的分析方法对本论文设计的MCU进行系统级的规划并给出了各模块的功能说明;然后采用自底向上的设计方法,先用Verilog语言实现子模块,然后逐步实现整个微控制器;最后对所设计的微控制器在ModeSim软件环境下进行仿真验证,结果表明:所设计的MCU能够正确地执行所有的指令,完全与MCS-51系列MCU兼容,其辅助功能模块:定时器/计数器(TIMER)、中断系统、串口通信性能良好,符合设计要求。