IC卡作为一种包含数据存储和处理功能的消费类产品，已经广泛应用于金融、通信和医疗等领域。其中CPU卡易扩展与高安全的特点使其市场占有率越来越高。M1卡的安全算法被破解之后，CPU卡将逐渐取代M1卡在各方面的应用。但是M1卡巨大发行量以及本身的优势在短期内难以被禁止使用。为了实现M1卡应用向CPU卡过渡，北京市嵌入式系统重点实验室自主设计一款兼容M1卡功能的CPU卡芯片。本研究参与设计Mifare1卡与CPU卡功能兼容芯片，并实现了数字逻辑设计。该芯片能够实现M1卡与CPU卡两种功能，根据芯片交易命令选择工作在M1卡模式或CPU卡模式。利用M1卡与CPU卡相同的通信方式实现了模拟模块与通信接口复用。通过硬件加解密的方式使M1卡时序满足要求。使用硬件逻辑实现了CPU卡的数字链路层功能。设计还为COS(Chip Operating System)实现两种功能提供了相应的软硬件接口与固件支持。在研究非接触式IC卡标准ISO/IEC14443以及M1卡技术规范的基础上，通过对实验室开发的CPU卡芯片以及通用M1卡的测试与研究，提出了软件模拟M1卡的方案，使用CPU卡实现M1卡的功能。针对纯软件实现方案的不足，分析了在CPU卡基础上实现M1卡功能的可行性。提出软硬件协同的方案，用加解密运算和数据位编解码同步进行的方式缩短交易时间，采用软硬件协同方式共同实现M1卡功能。本研究还综合分析CPU卡芯片硬件结构与COS结构，分离了COS中应用层与数据链路层功能，并将数据链路层通过硬件逻辑实现。在设计的RTL实现后，通过仿真对芯片功能、时序、功耗进行验证。同时还通过FPGA平台模拟实际芯片工作情况，分别与M1卡读卡器和CPU卡读卡器进行交易测试，验证芯片能完成M1卡和CPU卡的所有功能。借助MP300TCL2测试工具，借鉴ISO/IEC10373-6协议的测试案例，对芯片进行比较完备的功能验证。通过测试各项指标都满足了预期要求，芯片已在SMIC0.18μm EFLASH工艺下流片。论文提出的设计方案，通过在一颗芯片上集成M1卡和CPU卡的功能，不仅降低芯片成本，而且使得芯片使用范围更广也更方便，并且实现一卡多用；将CPU卡的数据链路层与应用层分离，简化芯片的层次结构以及COS开发工作。本研究成果在一卡多用方面具有独创性和实用性，能够有效地推进M1卡向CPU卡过渡，而且对嵌入式系统设计、仿真验证、FPGA验证有很好的借鉴意义。