随着集成电路技术的不断发展，芯片的集成度和速度不断提高，同时伴随着移动设备需求的不断增加，电路的功耗和可靠性问题已经成为继速度、面积、可测性之后电路设计者必须考虑的因素。微控制器作为代表数字集成电路设计的最高水平是构建电子系统必不可少的核心部件，低功耗和高可靠性的研究已经成为微控制器设计的重要研究方向。　　 本文详细分析了CMOS数字电路低功耗和高可靠性设计的特点，并结合作者设计的32位微控制器进行了各种低功耗和高可靠性设计方法的研究和实践。主要完成了MCU系统架构的搭建，在此基础上完成了MCU系统所需模块的设计，其中包括AMBA总线协议所必需的模块如仲裁器、AHB总线接口模块等；MCU系统的典型功能模块如向量中断控制器、GPIO控制器、外部存储器控制单元等；同时还包括一些比较常用的低速接口如I2C接口、UART接口等。在完成了这些模块的前端代码编写及仿真后，进行了FPGA板级调试，代码的综合、仿真及静态时序分析，后端电路实现包括芯片的布局、布线、版图验证和后端仿真及芯片的测试；　　 本论文设计的32位MCU在XILINX的FPGA XC3S1000上实现的硬件验证，工作频率为35MHz。芯片采用0.5um标准单元库实现，测试结果表明MCU功能达到设计要求，工作频率10MHZ。　　 在低功耗设计方面，本文了降低芯片节点翻转频率来实现降低功耗的目的。结合MCU地址总线传输的特点提出了自适应编码和渐进零翻转编码方法，仿真结果表明采用编码后，地址总线的翻转率降低了56％。证明对电路节点进行合理的编码可以有效降低微控制器的功耗。　　 在电路可靠性设计方面，本文对MCU的重要部件算术逻辑单元(ALU)进行了研究，分析了目前比较常用的提高ALU可靠性的方法——三模冗余法的不足，提出了一种新的方法一操作数取反及循环移位冗余算法(RIRSO)来改进传统的三模冗余法。结果表明本方法比传统的三模冗余结构失效率降低了约47％。同时本论文为了进一步提高ALU模块的容错能力，通过全加器的进位信号的冗余设计改进全加器结构，此结构的加法器中任何一个失效最多只能影响一位加法“和”的结果而不会对其他位产生影响，从而进一步提高ALU模块的可靠性。