處理器設計是創建處理器（計算機硬件的關鍵組件）的設計工程任務。它是計算機工程（設計、開發和實施）和電子工程（制造）的子領域。設計過程涉及選擇指令集和特定的執行范例（例如VLIW或RISC），并產生一個微體系結構，可以在例如VHDL或Verilog中進行描述。對于微處理器在設計上，該描述隨后采用各種半導體器件制造工藝中的一些來制造，從而產生管芯，該管芯被鍵合到芯片載體上。然后，該芯片載體焊接到或插入到一個插座上，一個印刷電路板（PCB）。

任何處理器的操作模式都是指令列表的執行。指令通常包括使用寄存器計算或操縱數據值，更改或檢索讀/寫存儲器中的值，執行數據值之間的關系測試以及控制程序流程的指令。

CPU設計分為以下幾部分：

1. 數據路徑（例如ALU和管道）
2. 控制單元：控制數據路徑的邏輯
3. 內存組件，例如寄存器文件、緩存
4. 時鐘電路，例如時鐘驅動器、PLL、時鐘分配網絡
5. 墊收發器電路
6. 邏輯門單元庫，用于實現邏輯

為高性能市場而設計的CPU可能需要針對每個項目進行定制（優化或針對特定應用）設計，以實現頻率、功耗和芯片面積目標，而為性能較低的市場而設計的CPU可能會減少實施通過購買作為知識產權的這些物品獲得負擔。控制邏輯實現技術（使用CAD工具進行邏輯綜合）可用于實現數據路徑，寄存器文件和時鐘。CPU設計中使用的常見邏輯樣式包括非結構化隨機邏輯，有限狀態機，微程序設計和可編程邏輯陣列 （在1980年代很常見）。

用于實現邏輯的設備類型包括：

• 晶體管邏輯?小型集成邏輯芯片-不再用于CPU
• 可編程陣列邏輯和可編程邏輯設備?-不再用于CPU
• 發射極耦合邏輯（ECL）門陣列?-不再常見

• CMOS?門陣列?-不再用于CPU

• CMOS?批量生產的IC-絕大多數CPU
• CMOS?ASIC-由于費用而僅適用于少數特殊應用
• 現場可編程門陣列（FPGA）-?軟微處理器通用，或多或少需要可重構計算

CPU設計項目通常具有以下主要任務：

• 程序員可見的指令集體系結構，可以通過多種微體系結構實現
• ANSI C?/?C ++或SystemC中的體系結構研究和性能建模^{[?需要澄清?]}
• 高級綜合（HLS）或寄存器傳輸級（RTL、例如邏輯）實現
• RTL驗證
• 速度關鍵組件（高速緩存、寄存器、ALU）的電路設計
• 邏輯綜合或邏輯門級設計
• 時序分析，以確認所有邏輯和電路將以指定的工作頻率運行
• 物理設計、包括布局規劃、邏輯門的布局和布線
• 檢查RTL、門級、晶體管級和物理級表示是否等效
• 檢查信號完整性，芯片可制造性

將CPU內核重新設計為較小的裸片區域有助于縮小所有內容（“?光掩模縮小”），從而在較小的裸片上具有相同數量的晶體管。它提高了性能（較小的晶體管開關速度更快），降低了功率（較小的導線具有較小的寄生電容）并降低了成本（更多的CPU安裝在同一硅晶片上）。在相同大小的裸片上發布CPU，但CPU內核更小，成本保持不變，但可以在一個超大型集成芯片（附加緩存，多個CPU或其他組件）中實現更高級別的集成，從而提高性能并降低整體系統成本。

與大多數復雜的電子設計一樣，邏輯驗證工作（證明該設計沒有錯誤）現在控制著CPU的項目進度。

CPU關鍵的體系結構創新包括索引寄存器、緩存、虛擬內存、指令流水線、超標量、CISC、RISC、虛擬機、仿真器、微程序和堆棧。

已經提出了各種新的CPU設計思想，包括可重配置邏輯，無時鐘CPU，計算RAM和光學計算。

基準測試是測試CPU速度的一種方法。例如，由Standard Performance Evaluation Corporation開發的SPECint和SPECfp，以及由嵌入式微處理器基準聯盟EEMBC開發的ConsumerMark。

一些常用的指標包括：

• 每秒指令數?-大多數消費者選擇計算機架構（通常是Intel?IA32架構），以便能夠運行大量的預先存在的預編譯軟件。由于對計算機基準測試一無所知，因此其中一些基于工作頻率選擇了特定的CPU（請參閱兆赫茲神話）。
• FLOPS-每秒浮點運算的數量對于選擇用于科學計算的計算機通常很重要。
• 每瓦性能?-構建并行計算機（如Google）的系統設計人員根據每瓦電源的速度選擇CPU，因為為CPU供電的成本超過了CPU本身的成本。
• 一些構建并行計算機的系統設計人員會根據每美元的速度來選擇CPU。
• 構建實時計算系統的系統設計人員希望保證最壞情況下的響應。當CPU的中斷等待時間短并且響應確定時，這樣做比較容易。（DSP）
• 直接使用匯編語言進行編程的計算機程序員希望CPU支持功能齊全的指令集。
• 低功率-適用于電源有限的系統（例如太陽能、電池、人力）。
• 體積小或重量輕-適用于便攜式嵌入式系統，航天器系統。
• 環境影響-在制造和回收以及使用過程中將計算機對環境的影響最小化。減少浪費、減少有害物質。。

優化其中一些指標可能會有所取舍。特別是，許多使CPU運行速度更快的設計技術會使“每瓦性能”，“每美元性能”和“確定性響應”變得更糟，反之亦然。

有幾個使用CPU的不同市場。由于每個市場對CPU的要求各不相同，因此針對一個市場設計的設備在大多數情況下不適合其他市場。

CPU銷售產生的絕大部分收入用于通用計算，即企業和家庭中常用的臺式機，筆記本電腦和服務器計算機。在這個市場中，英特爾IA-32和64位版本x86-64體系結構占據了市場主導地位，其競爭對手PowerPC和SPARC保持著較小的客戶群。每年，這個市場使用數億個IA-32架構CPU。這些處理器中越來越多的用于移動設備，例如上網本和筆記本電腦。

由于這些設備用于運行無數不同類型的程序，因此這些CPU設計并非專門針對一種類型的應用程序或一種功能。能夠高效運行各種程序的要求使這些CPU設計成為技術上更先進的技術，同時還具有成本相對較高且功耗高的缺點。

1984年，大多數高性能CPU需要四到五年的時間才能開發出來。

科學計算是一個較小的利基市場（以收入和出貨量計）。它用于政府研究實驗室和大學。在1990年之前，通常針對該市場進行CPU設計，但是事實證明，組織成大型集群的大眾市場CPU更便宜。用于科學計算的有源硬件設計和研究的主要剩余領域是連接大眾市場CPU的高速數據傳輸系統。

按照發貨單位來衡量，大多數CPU都嵌入在其他機械中，例如電話、時鐘、設備、車輛和基礎設施。嵌入式處理器的年銷售量達數十億個單位，但其價格大多低于通用處理器。

這些單功能設備在一些方面與更常見的通用CPU不同：

• 低成本至關重要。
• 保持低功耗很重要，因為嵌入式設備的電池壽命通常很有限，并且包括冷卻風扇通常是不切實際的。
• 為了降低系統成本，xxx設備與處理器集成在同一硅芯片上。
• 將xxx設備保持在芯片上還可以降低功耗，因為外部GPIO端口通常需要緩沖，以便它們可以源出或吸收保持芯片外部強信號所需的相對較高的電流負載。
  • 許多嵌入式應用程序的電路物理空間有限。將xxx設備保持在芯片上將減少電路板所需的空間。
  • 程序和數據存儲器通常集成在同一芯片上。當xxx允許的程序存儲器是ROM時，該設備稱為微控制器。
• 對于許多嵌入式應用程序，中斷延遲將比某些通用處理器中的中斷延遲更為關鍵。

8051是出貨量xxx的嵌入式CPU系列，平均每年近十億個。8051被廣泛使用，因為它非常便宜。現在設計時間大約為零，因為它可以作為商業知識產權廣泛使用。現在，它通常作為較大系統的一小部分嵌入到芯片中。8051的硅成本現在低至0.001美元，因為某些實現使用的邏輯門數量最少為2200個，占用的硅面積為0.0127平方毫米。

截至2009年，使用ARM體系結構指令集生產的CPU數量超過任何其他32位指令集。ARM體系結構和xxx個ARM芯片的設計大約需要一年半的時間和5個人的工作時間。

32位Parallax Propeller微控制器體系結構和xxx個芯片是由兩個人在大約10年的工作時間中設計的。

8位AVR架構和xxx個AVR微控制器是由挪威技術學院的兩名學生構思和設計的。

8位6502架構和xxxMOS Technology 6502芯片是由大約9個人組成的小組在13個月內設計的。

32位的伯克利RISC?I和RISC II體系結構以及xxx批芯片主要是由一系列學生設計的，作為研究生課程的四分之一順序的一部分。此設計成為商業SPARC處理器設計的基礎。

大約十年來，麻省理工學院（MIT）上6.004課程的每個學生都是一個團隊的一部分-每個團隊有一個學期來設計和構建7400系列?集成電路中的簡單8位CPU?。在這個學期中，一個由4個學生組成的團隊設計并構建了一個簡單的32位CPU。

一些本科課程要求一個由2至5個學生組成的團隊在一個15周的學期中設計，實現和測試FPGA中的簡單CPU。

MultiTitan CPU的設計工作量為2.5個人年，在當時被認為是“相對較少的設計工作”。24人為3.5年的MultiTitan研究項目做出了貢獻，其中包括設計和構建CPU原型。

對于嵌入式系統，由于功耗要求，通常不需要或不需要最高的性能水平。這允許使用可以通過邏輯綜合技術完全實現的處理器。這些合成處理器可以在更短的時間內實現，從而加快了產品上市時間。