Add acknowledgements.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Context.tex
1 \chapter[chap:context]{Context}
2
3     \placeintermezzo{}{
4       \defref{EDSL}
5       \startframedtext[width=8.5cm,background=box,frame=no]
6       \startalignment[center]
7         {\tfa Embedded domain-specific languages (\small{EDSL})}
8       \stopalignment
9       \blank[medium]
10      
11       \startcitedquotation[deursen00]
12       A domain-specific language (\small{DSL}) is a programming language
13       or executable specification language that offers, through
14       appropriate notations and abstractions, expressive power focused
15       on, and usually restricted to, a particular problem domain.
16       \stopcitedquotation
17
18       An embedded \small{DSL} is a \small{DSL} that is embedded in
19       another language. Haskell is commonly used to embed \small{DSL}s
20       in, which typically means a number of Haskell functions and types
21       are made available that can be called to construct a large value
22       of some domain-specific datatype (\eg, a circuit datatype). This
23       generated datatype can then be processed further by the
24       \small{EDSL} \quote{compiler} (which runs in the same environment
25       as the \small{EDSL} itself. The embedded language is then a, mostly
26       applicative, subset of Haskell where the library functions are the
27       primitives. Sometimes advanced Haskell features such as
28       polymorphism, higher-order values or type classes can be used in
29       the embedded language. \cite[hudak96]
30
31       For an \small{EDSL}, the definitions of compile-time and run-time
32       are typically fuzzy (and thus hard to define here), since the
33       \small{EDSL} \quote{compiler} is usually compiled by the same
34       Haskell compiler as the \small{EDSL} program itself.
35       \stopframedtext
36     }
37
38   An obvious question that arises when starting any research is \quote{Has
39   this not been done before?}. Using a functional language for describing hardware
40   is not a new idea at all. In fact, there has been research into functional
41   hardware description even before the conventional hardware description
42   languages were created. Examples of these are µFP \cite[sheeran83]\ and
43   Ruby \cite[jones90]. Functional languages were not nearly as advanced
44   as they are now, and functional hardware description never really got
45   off. 
46
47   Recently, there have been some renewed efforts, especially using the
48   Haskell functional language. Examples are Lava \cite[claessen00]\ (an
49   \small{EDSL}) and ForSyde \cite[sander04]\ (an \small{EDSL} using
50   Template Haskell). \cite[baaij09]\ has a more complete overview of the
51   current field.
52
53   We will now have a look at the existing hardware description languages,
54   both conventional and functional to see the fields in which Cλash is
55   operating.
56
57   \section{Conventional hardware description languages}
58     Considering that we already have some hardware description languages like
59     \small{VHDL} and Verilog, why would we need anything else? By introducing
60     the functional style to hardware description, we hope to obtain a hardware
61     description language that is:
62     \startitemize
63       \item More concise. Functional programs are known for their conciseness
64       and ability to provide reusable functions that are abstractions of
65       common patterns. This is largely enabled by features like an
66       advanced type system with polymorphism and higher-order functions.
67       \item Type-safer. Functional programs typically have a highly
68       expressive type system, which allows a programmer to more strictly
69       define limitations on values, making it easier to find violations
70       and thus bugs.
71       \item Easy to process. Functional languages have nice properties like
72       purity \refdef{purity} and single binding behavior, which make it easy
73       to apply program transformations and optimizations and could potentially
74       simplify program verification.
75     \stopitemize
76   
77   \section[sec:context:fhdls]{Existing functional hardware description languages}
78     As noted above, this path has been explored before. However, current
79     embedded functional hardware description languages (in particular
80     those using Haskell) are limited. Below a number of downsides are
81     sketched of the recent attempts using the Haskell language.
82     \cite[baaij09]\ has a more complete overview of these and other
83     languages.
84     
85     This list uses Lava and ForSyDe as examples, but tries to generalize
86     the conclusions to the techniques of embedding a \small{DSL} and
87     using Template Haskell.
88
89     \placeintermezzo{}{
90       \defref{Template Haskell}
91       \startframedtext[width=8.5cm,background=box,frame=no]
92       \startalignment[center]
93         {\tfa Template Haskell}
94       \stopalignment
95       \blank[medium]
96       
97       Template Haskell is an extension to the \GHC\ compiler that allows
98       a program to mark some parts to be evaluated \emph{at compile
99       time}. These \emph{templates} can then access the abstract syntax
100       tree (\small{AST}) of the program that is being compiled and
101       generate parts of this \small{AST}.
102
103       Template Haskell is a very powerful, but also complex mechanism.
104       It was intended to simplify the generation of some repetitive pieces
105       of code, but its introspection features have inspired all sorts of
106       applications, such as hardware description compilers.
107       \stopframedtext
108     }
109
110     \startitemize
111       \item Not all of Haskell's constructs can be captured by embedded domain
112       specific languages. For example, an \hs{if} or \hs{case}
113       expression is typically executed once when the Haskell description
114       is processed and only the result is reflected in the generated
115       data-structure (and thus in the final program). In Lava, for
116       example, conditional assignment can only be described by using
117       explicit multiplexer components, not using any of Haskell's
118       compact mechanisms (such as \hs{case} expressions or pattern
119       matching).
120
121       Also, sharing of variables (\eg, using the same variable twice
122       while only calculating it once) and cycles in circuits are
123       non-trivial to properly and safely translate (though there is some
124       work to fix this, but that has not been possible in a completely
125       reliable way yet \cite[gill09]).
126       \item Template Haskell makes descriptions verbose. Template
127       Haskell needs extra annotations to move things around between
128       \small{TH} and the normal program. When \small{TH} is combined
129       with an \small{EDSL} approach, it can get confusing when to use
130       \small{TH} and when not to.
131       \item Function hierarchies cannot be observed in an \small{EDSL}.
132       For example, Lava generates a single flat \VHDL\ architecture,
133       which has no structure whatsoever. Even though this is strictly
134       correct, it offers no support to the synthesis software about
135       which parts of the system can best be placed together and makes
136       debugging the system very hard.
137
138       It is possible to add explicit annotation to overcome this
139       limitation (ForSyDe does this using Template Haskell), but this
140       adds extra verbosity again.
141       \item Processing in Template Haskell can become very complex,
142       since it works on the Haskell \small{AST} directly. This means
143       that every part of the Haskell syntax that is used must be
144       supported explicitly by the Template Haskell code.
145       \in{Chapter}[chap:prototype] shows that working on a smaller
146       \small{AST} is much more efficient.
147     \stopitemize
148
149 % vim: set sw=2 sts=2 expandtab: