随着RISC-Ⅴ指令集的开源,芯片设计领域掀起了一股处理器设计的热潮,RISC-Ⅴ处理器被广泛的应用在嵌入式、物联网、便携式消费电子和人工智能等领域。随着处理器性能的不断提高,处理器的集成度、复杂度和功耗密度不断增加。功耗的飞速上涨不仅仅增加了芯片的设计和运行成本,同时还会影响设备的续航时间和电路的可靠性和稳定性。因此,低功耗设计已经成为了设计者必须重视的因素。如何在满足性能需求的前提下,降低系统功耗成为了现如今处理器设计面临的主要问题。本文对一款高性能单核处理器系统开展了低功耗设计与研究。分析发现,系统的功耗主要集中于处理器内核和二级缓存,二级缓存功耗占据了总功耗的60%以上。根据这一结构特点,开展的主要工作和成果如下:1、提出了一种系统层次的电源管理方案,在正常工作模式（NORMAL）的基础上,设计了IDLE、DEEP＿IDLE、SLEPP和DEEP＿SLEEP四种低功耗模式,在不同工作模式下通过控制模块的时钟和电源来降低系统功耗。采用了门控时钟和门控电源技术分别对时钟和电源进行控制,在RTL代码中加入了模块级门控时钟单元,并且通过UPF对电源意图进行了描述。针对NORMAL模式下系统始终处于全速运行的问题,引入动态调压调频技术对电源管理方案进行了优化,为处理器设计了S1、S2和S3三个工作点,在满足性能的前提下系统可以自主选择工作点以降低功耗。2、对系统的电源管理单元（PMU）进行了研究和设计,该单元主要用来控制工作模式的调整和性能工作点的切换。工作模式切换采用的是软硬件协作的方式,性能工作点的切换以硬件实现。由于同时监测系统的工作和低功耗周期,本文提出的调压调频策略具备良好的可移植性。因为整个切换过程由硬件电路实现,无需软件的参与,所以极大提高了切换的实时性,减小了软件系统负担。3、对电源管理单元进行了模块级和系统级的仿真验证,仿真结果表明提出的低功耗方案正确。功耗分析结果表明,相比于NORMAL工作模式,IDLE状态下降低了31%的功耗,DEEP＿IDLE和SLEEP状态的功耗降低了两个数量级。在系统低功耗关闭状态下,最低功耗仅为0.25m W。在系统正常工作时,相比于全速运行的S1工作点,处理器在S2工作点的功耗下降了51%,在S3工作点的功耗下降了76%。本文的工作和结果表明,论文中的策略可以有效降低处理器系统的功耗,能够应用在处理器系统的低功耗设计过程。