系统协处理器(简称CPO)是MIPS体系结构CPU中必需的一个单元模块。它通过一系列特权寄存器记录CPU当前所处的状态，提供指令正常执行所需的环境。它的最主要的功能是精确异常处理。此外，它实现操作模式的切换并协助完成虚实地址转换。单从硬件的角度而言，系统协处理器对指令集的作用就相当于操作系统对应用程序的作用一样。本文论述了一个兼容MIPS R4000指令集CPU中系统协处理器的设计与实现。本文重点论述了全定制的物理设计与实现、精确异常处理机制的设计与实现、虚实地址转换的设计。在CPO单元的具体物理实现中，对控制部分采用标准单元设计而数据通道采用全定制设计，这种混合方法使得在保持电气性能要求的同时，有效地降低了设计的复杂度，减小了芯片面积并降低了功耗。设计中着重研究了数据通道部分的全定制电路设计和版图设计，设计中借助先进的EDA设计工具进行了电路仿真和版图验证。在精确异常处理机制的设计中，对精确异常处理流水线进行了优化。在保证了逻辑功能在优化前后一致的同时，使关键路径的时延较大减少。同时采用了以空间换时间的策略，优化了寄存器的写逻辑。通过理论结合实践，本文实现了微处理器中系统协处理器单元电路和版图的设计，掌握了电路设计优化的有效方法，并采用全定制方法设计了CPO单元数据通道的版图。