Build Sequential Circuit

辨所需記憶與狀類、構狀圖與轉表、為所擇之 flip-flop 類推激勵方程、以 flip-flop 與組合邏輯於閘級實作電路、以時序圖分析與狀序模擬驗正確，以設計時序邏輯電路。

適用時機

• 電路須憶過去輸入或於時鐘週期間持內態
• 設計計數器（二元、BCD、環、Johnson）、移位暫存器、或序列偵測器
• 自狀圖或正則表達式實作有限狀機（Mealy 或 Moore）
• 於組合數據徑加時控儲存元（暫存器、管線階）
• 為 simulate-cpu-architecture 技能備有態組件（暫存器檔、程序計數器、控制 FSM）

輸入

• 必要：行為規——其一：狀圖、狀表、時序圖、欲偵之正則表達式、或欲時序行為之口述
• 必要：時鐘特——邊緣觸（上升／下降）或電平敏；單時鐘或多相
• 選擇性：Flip-flop 類之好（D、JK、T、或 SR）
• 選擇性：重置類——同步、異步、或無
• 選擇性：最大狀數或位寬之限
• 選擇性：時序之限（設定時、保持時、最大時鐘頻）

步驟

步驟一：辨記憶與狀需

定電路須憶何，須幾異狀：

1. 狀列舉：列電路須在之諸異狀。序列偵測器中，每狀代表朝目標序列之進。計數器中，每狀為一計數值。
2. 狀編碼：擇狀之二元編碼。
   • 二元編碼：N 狀用 ceil(log2(N)) 個 flip-flop。極小 flip-flop 數。
   • 獨熱編碼：N 狀用 N 個 flip-flop，每狀一。簡次態邏輯而代價為更多 flip-flop。
   • 格雷碼編碼：相鄰狀恰差一位。極小轉時之暫態閃爍。
3. 輸入與輸出之類：辨主輸入（外信號）、主輸出、內狀變（flip-flop 輸出）。Mealy 機中輸出依狀與輸入。Moore 機中輸出惟依狀。
4. Flip-flop 類之擇：依設計之需擇之。
   • D flip-flop：最簡——次態等於 D 輸入。最佳預設之擇。
   • JK flip-flop：最彈——J=K=1 翻轉。宜於計數器。
   • T flip-flop：翻轉類——T=1 時變態。二元計數器之自然。
   • SR 閂／flip-flop：Set-Reset——避 S=R=1 之況。新設計少好之。

## State Requirements
- **Number of states**: [N]
- **State encoding**: [binary / one-hot / Gray]
- **Flip-flops needed**: [count and type]
- **Machine type**: [Mealy / Moore]
- **Inputs**: [list with descriptions]
- **Outputs**: [list with descriptions]
- **Reset behavior**: [synchronous / asynchronous / none]

預期： 完整狀清單，編碼已擇、flip-flop 類已選，機已類為 Mealy 或 Moore。

失敗時： 若狀數自規不明，以過所有輸入序至電路記憶深度而列狀。若數超實用限（手設計超十六狀），考分解為更小互動之 FSM。

步驟二：構狀圖與轉表

將電路行為化為狀圖與等價之表：

1. 狀圖：畫有向圖，其中：
   • 每節為狀，以狀名（Moore 機亦以輸出值）為標。
   • 每邊為轉，以輸入條件（Mealy 機亦以輸出值）為標。
   • 每狀對每可能輸入組合須有外邊——無隱式之「留」轉。
2. 轉表：將圖化為表，列含當前狀、輸入、次態、輸出。
3. 可達查：自初始／重置狀起，驗諸狀皆可達於某輸入序。不可達狀示設計誤或當為 don't-care。
4. 狀極小化（選）：查等價狀——二狀等價若其對每輸入生同輸出且轉至等價次態。合等價狀以減 flip-flop 數。

## State Transition Table
| Present State | Input | Next State | Output |
|--------------|-------|------------|--------|
| S0           | 0     | S0         | 0      |
| S0           | 1     | S1         | 0      |
| S1           | 0     | S0         | 0      |
| S1           | 1     | S2         | 0      |
| ...          | ...   | ...        | ...    |

- **Unreachable states**: [list, or "none"]
- **Equivalent state pairs**: [list, or "none"]

預期： 完整狀轉表，覆每當前狀／輸入組合，諸狀皆可達於初態。

失敗時： 若轉表有缺，規不全。返需而解其曖昧。若有不可達狀，或加轉以達之，或移之並減狀編碼。

步驟三：推激勵方程

自轉表算 flip-flop 輸入方程（激勵方程）：

1. 編狀：轉表中以二元編碼代狀名。每位位置對應一 flip-flop。
2. 建每 flip-flop 真值表：每 flip-flop 建真值表，以當前狀位與輸入為輸入列、以所需 flip-flop 輸入為輸出列。
   • D flip-flop：D = 次態位（最簡）。
   • JK flip-flop：用激勵表：0->0 需 J=0,K=X；0->1 需 J=1,K=X；1->0 需 J=X,K=1；1->1 需 J=X,K=0。
   • T flip-flop：T = 當前狀 XOR 次態（位須變時 T=1）。
3. 極小化每方程：對每 flip-flop 輸入函用 evaluate-boolean-expression（K 圖或代數簡化）。自不可達狀之 don't-care 與 JK 激勵表之 X 項可顯減表達。
4. 推輸出方程：Moore 機中每輸出為當前狀位之函。Mealy 機中每輸出為當前狀位與輸入之函。

## Excitation Equations
- **Flip-flop type**: [D / JK / T]
- **State encoding**: [binary assignment table]

| Flip-Flop | Excitation Equation          |
|-----------|------------------------------|
| Q1        | D1 = [minimized expression]  |
| Q0        | D0 = [minimized expression]  |

## Output Equations
| Output | Equation                     |
|--------|------------------------------|
| Y      | [minimized expression]       |

預期： 極小化之激勵方程與輸出方程，諸 don't-care 已用。

失敗時： 若激勵方程似過繁，重考狀編碼。異編碼（如由二元轉獨熱、或重指狀碼）可顯簡組合邏輯。試至少二編碼並比文字數。

步驟四：閘級實作

自 flip-flop 與組合邏輯閘建全電路：

1. 置 flip-flop：每狀位實例化一 flip-flop。諸時鐘輸入皆連至系統時鐘。若指定，連重置輸入（異步重置直至 flip-flop 之 CLR/PRE 腳；同步重置為激勵邏輯之部）。
2. 建激勵邏輯：以 design-logic-circuit 技能將每激勵方程實作為組合電路。此邏輯之輸入為當前狀 flip-flop 輸出（Q、Q'）與主輸入。
3. 建輸出邏輯：將每輸出方程實作為組合邏輯。Moore 機中此邏輯只受狀位。Mealy 機中受狀位與主輸入。
4. 連電路：將激勵邏輯輸出連至 flip-flop D/JK/T 輸入。將輸出邏輯連至主輸出。
5. 加初始化：確電路於通電時達已知初態。此常意異步重置迫諸 flip-flop 為 0（或所編之初態）。

## Circuit Implementation
- **Flip-flops**: [count] x [type], [edge type]-triggered
- **Combinational gates for excitation**: [count and types]
- **Combinational gates for output**: [count and types]
- **Total gate count**: [flip-flops + combinational gates]
- **Reset mechanism**: [asynchronous CLR / synchronous mux / none]

預期： 完整閘級網表，含 flip-flop、激勵邏輯、輸出邏輯、時鐘分配、重置機制，每信號恰有一驅。

失敗時： 若實作 flip-flop 外有反饋，則已引組合環。同步時序電路中諸反饋須過 flip-flop。追犯路並改之過暫存器。

步驟五：以時序圖與狀序模擬驗

確電路跨多時鐘週期正確行為：

1. 擇測序：擇輸入序使每狀轉至少運一次。序列偵測器中含目標序、部分匹、重疊匹、無匹之運。
2. 畫時序圖：每時鐘週期記：
   • 時鐘邊緣（上升／下降）
   • 主輸入值（於活時鐘邊緣取樣）
   • 當前狀（時鐘邊緣前之 flip-flop 輸出）
   • 次態（時鐘邊緣後之 flip-flop 輸出）
   • 輸出值（輸出邏輯穩後有效）
3. 追狀序：驗狀序合步驟二之狀圖。每轉當循圖中之一邊。
4. 查時序限：驗：
   • 設定時：輸入於活時鐘邊緣前至少穩 t_setup。
   • 保持時：輸入於活時鐘邊緣後至少穩 t_hold。
   • 時鐘至輸出延：輸出於時鐘週期減下游邏輯設定時內穩。
5. 重置驗：確施重置時不論當前狀皆驅電路至初態。

## Timing Verification
| Cycle | Clock | Input | Present State | Next State | Output |
|-------|-------|-------|---------------|------------|--------|
| 0     | rst   | -     | -             | S0         | 0      |
| 1     | rise  | 1     | S0            | S1         | 0      |
| 2     | rise  | 1     | S1            | S2         | 0      |
| ...   | ...   | ...   | ...           | ...        | ...    |

- **All transitions match state diagram**: [Yes / No]
- **Setup/hold violations**: [None / list]
- **Reset verified**: [Yes / No]

預期： 時序圖中每週期合狀轉表，每週期輸出正，無時序違。

失敗時： 若某狀轉誤，追該當前狀與輸入組合之激勵邏輯。若輸出誤而轉正，錯於輸出邏輯。若電路入非意之狀，查重置不全或缺自未用狀碼之轉。

驗證

• 諸狀皆已列舉且自初態可達
• 狀編碼附指派表已錄
• 轉表覆每當前狀／輸入組合
• 激勵方程已極小化，諸 don't-care 已用
• 輸出方程正實作 Mealy 或 Moore 語義
• 每 flip-flop 之時鐘、重置、激勵輸入已連
• Flip-flop 外無組合反饋環
• 時序圖覆諸狀轉至少一次
• 重置驅電路至所錄之初態
• 設定與保持時之限已滿

常見陷阱

• 轉不全：忘指每狀每輸入之行。缺轉常致電路入未定或非意之狀。恆定諸輸入組合之行為。
• 未用狀碼：N 個 flip-flop 有 2^N 可能碼而或僅少有效狀。若電路偶入未用碼（因噪或通電），或鎖死。恆加自未用碼至重置狀之轉，或證其不可達。
• 混 Mealy 與 Moore 輸出：Mealy 機中輸入變時輸出即變（輸入至輸出之組合路）。Moore 機中輸出僅於時鐘邊緣變。一設計中混二模致時序險。
• 同步電路之異步輸入：未與時鐘同步之外信號或違設定／保持時，致亞穩。恆令異步輸入過雙 flip-flop 同步器後用於狀邏輯。
• SR 閂之 S=R=1 險：同時驅 Set 與 Reset 高置 SR 閂於未定。若用 SR 元，加邏輯保此組合不生，或轉 D 或 JK flip-flop。
• 多 flip-flop 設計之時鐘偏斜：時鐘於不同 flip-flop 於不同時至，一 flip-flop 或取他之陳資。入門設計假零偏斜；實硬用時鐘樹合成。

相關技能

• design-logic-circuit — 設計組合激勵與輸出邏輯塊
• simulate-cpu-architecture — 於 CPU 數據徑中用時序塊（暫存器、計數器、控制 FSM）
• model-markov-chain — 有限狀機與離散時馬爾可夫鏈共形式框架