Add dictionary inlining transformation.
[matthijs/master-project/cλash.git] / cλash / CLasH / Normalize.hs
index 1f0509da5a2ee674aae1117c9150615794152638..4c04e8557553d4044944749b0b49a85c699e779a 100644 (file)
@@ -13,32 +13,25 @@ import qualified List
 import qualified "transformers" Control.Monad.Trans as Trans
 import qualified Control.Monad as Monad
 import qualified Control.Monad.Trans.Writer as Writer
-import qualified Data.Map as Map
+import qualified Data.Accessor.Monad.Trans.State as MonadState
 import qualified Data.Monoid as Monoid
-import Data.Accessor
+import qualified Data.Map as Map
 
 -- GHC API
 import CoreSyn
-import qualified UniqSupply
 import qualified CoreUtils
 import qualified Type
-import qualified TcType
-import qualified Name
 import qualified Id
 import qualified Var
 import qualified VarSet
-import qualified NameSet
 import qualified CoreFVs
-import qualified CoreUtils
 import qualified MkCore
-import qualified HscTypes
 import Outputable ( showSDoc, ppr, nest )
 
 -- Local imports
 import CLasH.Normalize.NormalizeTypes
 import CLasH.Translator.TranslatorTypes
 import CLasH.Normalize.NormalizeTools
-import CLasH.VHDL.VHDLTypes
 import qualified CLasH.Utils as Utils
 import CLasH.Utils.Core.CoreTools
 import CLasH.Utils.Core.BinderTools
@@ -64,8 +57,10 @@ etatop = notappargs ("eta", eta)
 -- β-reduction
 --------------------------------
 beta, betatop :: Transform
--- Substitute arg for x in expr
-beta (App (Lam x expr) arg) = change $ substitute [(x, arg)] expr
+-- Substitute arg for x in expr. For value lambda's, also clone before
+-- substitution.
+beta (App (Lam x expr) arg) | CoreSyn.isTyVar x = setChanged >> substitute x arg expr
+                            | otherwise      = setChanged >> substitute_clone x arg expr
 -- Propagate the application into the let
 beta (App (Let binds expr) arg) = change $ Let binds (App expr arg)
 -- Propagate the application into each of the alternatives
@@ -233,7 +228,7 @@ letflattop = everywhere ("letflat", letflat)
 --------------------------------
 -- Remove empty (recursive) lets
 letremove, letremovetop :: Transform
-letremove (Let (Rec []) res) = change res
+letremove (Let (Rec []) res) = change res
 -- Leave all other expressions unchanged
 letremove expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
@@ -303,44 +298,59 @@ letmergetop = everywhere ("letmerge", letmerge)
 -}
 
 --------------------------------
--- Function inlining
+-- Non-representable binding inlining
 --------------------------------
--- Remove a = B bindings, with B :: a -> b, or B :: forall x . T, from let
--- expressions everywhere. This means that any value that still needs to be
--- applied to something else (polymorphic values need to be applied to a
--- Type) will be inlined, and will eventually be applied to all their
--- arguments.
+-- Remove a = B bindings, with B of a non-representable type, from let
+-- expressions everywhere. This means that any value that we can't generate a
+-- signal for, will be inlined and hopefully turned into something we can
+-- represent.
 --
 -- This is a tricky function, which is prone to create loops in the
 -- transformations. To fix this, we make sure that no transformation will
--- create a new let binding with a function type. These other transformations
--- will just not work on those function-typed values at first, but the other
--- transformations (in particular β-reduction) should make sure that the type
--- of those values eventually becomes primitive.
+-- create a new let binding with a non-representable type. These other
+-- transformations will just not work on those function-typed values at first,
+-- but the other transformations (in particular β-reduction) should make sure
+-- that the type of those values eventually becomes representable.
 inlinenonreptop :: Transform
 inlinenonreptop = everywhere ("inlinenonrep", inlinebind ((Monad.liftM not) . isRepr . snd))
 
+--------------------------------
+-- Top level function inlining
+--------------------------------
+-- This transformation inlines top level bindings that have been generated by
+-- the compiler and are really simple. Really simple currently means that the
+-- normalized form only contains a single binding, which catches most of the
+-- cases where a top level function is created that simply calls a type class
+-- method with a type and dictionary argument, e.g.
+--   fromInteger = GHC.Num.fromInteger (SizedWord D8) $dNum
+-- which is later called using simply
+--   fromInteger (smallInteger 10)
+-- By inlining such calls to simple, compiler generated functions, we prevent
+-- huge amounts of trivial components in the VHDL output, which the user never
+-- wanted. We never inline user-defined functions, since we want to preserve
+-- all structure defined by the user. Currently this includes all functions
+-- that were created by funextract, since we would get loops otherwise.
+--
+-- Note that "defined by the compiler" isn't completely watertight, since GHC
+-- doesn't seem to set all those names as "system names", we apply some
+-- guessing here.
 inlinetoplevel, inlinetopleveltop :: Transform
 -- Any system name is candidate for inlining. Never inline user-defined
--- functions, to preserver structure.
+-- functions, to preserve structure.
 inlinetoplevel expr@(Var f) | not $ isUserDefined f = do
-  norm <- isNormalizeable f
-  -- See if this is a top level binding for which we have a body
-  body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
-  if norm && Maybe.isJust body_maybe
-    then do
-      -- Get the normalized version
-      norm <- Trans.lift $ getNormalized f
-      if needsInline norm 
-        then do
-          -- Regenerate all uniques in the to-be-inlined expression
-          norm_uniqued <- Trans.lift $ genUniques norm
-          change norm_uniqued
-        else
-          return expr
-    else
+  norm_maybe <- Trans.lift $ getNormalized_maybe f
+  case norm_maybe of
       -- No body or not normalizeable.
-      return expr
+    Nothing -> return expr
+    Just norm -> if needsInline norm then do
+        -- Regenerate all uniques in the to-be-inlined expression
+        norm_uniqued <- Trans.lift $ genUniques norm
+        -- And replace the variable reference with the unique'd body.
+        change norm_uniqued
+      else
+        -- No need to inline
+        return expr
+
 -- Leave all other expressions unchanged
 inlinetoplevel expr = return expr
 inlinetopleveltop = everywhere ("inlinetoplevel", inlinetoplevel)
@@ -354,6 +364,22 @@ needsInline expr = case splitNormalized expr of
   (args, [bind], res) -> True
   _ -> False
 
+
+--------------------------------
+-- Dictionary inlining
+--------------------------------
+-- Inline all top level dictionaries, so we can use them to resolve
+-- class methods based on the dictionary passed. 
+inlinedict expr@(Var f) | Id.isDictId f = do
+  body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
+  case body_maybe of
+    Nothing -> return expr
+    Just body -> change body
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+inlinedict expr = return expr
+inlinedicttop = everywhere ("inlinedict", inlinedict)
+
 --------------------------------
 -- Scrutinee simplification
 --------------------------------
@@ -377,6 +403,31 @@ scrutsimpl expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 scrutsimpltop = everywhere ("scrutsimpl", scrutsimpl)
 
+--------------------------------
+-- Scrutinee binder removal
+--------------------------------
+-- A case expression can have an extra binder, to which the scrutinee is bound
+-- after bringing it to WHNF. This is used for forcing evaluation of strict
+-- arguments. Since strictness does not matter for us (rather, everything is
+-- sort of strict), this binder is ignored when generating VHDL, and must thus
+-- be wild in the normal form.
+scrutbndrremove, scrutbndrremovetop :: Transform
+-- If the scrutinee is already simple, and the bndr is not wild yet, replace
+-- all occurences of the binder with the scrutinee variable.
+scrutbndrremove (Case (Var scrut) bndr ty alts) | bndr_used = do
+    alts' <- mapM subs_bndr alts
+    change $ Case (Var scrut) wild ty alts'
+  where
+    is_used (_, _, expr) = expr_uses_binders [bndr] expr
+    bndr_used = or $ map is_used alts
+    subs_bndr (con, bndrs, expr) = do
+      expr' <- substitute bndr (Var scrut) expr
+      return (con, bndrs, expr')
+    wild = MkCore.mkWildBinder (Id.idType bndr)
+-- Leave all other expressions unchanged
+scrutbndrremove expr = return expr
+scrutbndrremovetop = everywhere ("scrutbndrremove", scrutbndrremove)
+
 --------------------------------
 -- Case binder wildening
 --------------------------------
@@ -414,7 +465,7 @@ casesimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
     -- Extract a complex expression, if possible. For this we check if any of
     -- the new list of bndrs are used by expr. We can't use free_vars here,
     -- since that looks at the old bndrs.
-    let uses_bndrs = not $ VarSet.isEmptyVarSet $ CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` newbndrs) expr
+    let uses_bndrs = not $ VarSet.isEmptyVarSet $ CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` newbndrs) expr
     (exprbinding_maybe, expr') <- doexpr expr uses_bndrs
     -- Create a new alternative
     let newalt = (con, newbndrs, expr')
@@ -465,7 +516,7 @@ casesimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
             id <- Trans.lift $ mkBinderFor expr "caseval"
             -- We don't flag a change here, since casevalsimpl will do that above
             -- based on Just we return here.
-            return (Just (id, expr), Var id)
+            return (Just (id, expr), Var id)
           else
             -- Don't simplify anything else
             return (Nothing, expr)
@@ -539,6 +590,12 @@ argprop expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
           let newbody = MkCore.mkCoreLams newparams (MkCore.mkCoreApps body oldargs)
           -- Create a new function with the same name but a new body
           newf <- Trans.lift $ mkFunction f newbody
+
+          Trans.lift $ MonadState.modify tsInitStates (\ismap ->
+            let init_state_maybe = Map.lookup f ismap in
+            case init_state_maybe of
+              Nothing -> ismap
+              Just init_state -> Map.insert newf init_state ismap)
           -- Replace the original application with one of the new function to the
           -- new arguments.
           change $ MkCore.mkCoreApps (Var newf) newargs
@@ -563,7 +620,7 @@ argprop expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
     doarg arg = do
       repr <- isRepr arg
       bndrs <- Trans.lift getGlobalBinders
-      let interesting var = Var.isLocalVar var && (not $ var `elem` bndrs)
+      let interesting var = Var.isLocalVar var && (var `notElem` bndrs)
       if not repr && not (is_var arg && interesting (exprToVar arg)) && not (has_free_tyvars arg) 
         then do
           -- Propagate all complex arguments that are not representable, but not
@@ -579,10 +636,18 @@ argprop expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
           let free_vars = VarSet.varSetElems $ CoreFVs.exprSomeFreeVars interesting arg
           -- Mark the current expression as changed
           setChanged
+          -- TODO: Clone the free_vars (and update references in arg), since
+          -- this might cause conflicts if two arguments that are propagated
+          -- share a free variable. Also, we are now introducing new variables
+          -- into a function that are not fresh, which violates the binder
+          -- uniqueness invariant.
           return (map Var free_vars, free_vars, arg)
         else do
           -- Representable types will not be propagated, and arguments with free
           -- type variables will be propagated later.
+          -- Note that we implicitly remove any type variables in the type of
+          -- the original argument by using the type of the actual argument
+          -- for the new formal parameter.
           -- TODO: preserve original naming?
           id <- Trans.lift $ mkBinderFor arg "param"
           -- Just pass the original argument to the new function, which binds it
@@ -671,22 +736,43 @@ simplrestop expr = do
 
 
 -- What transforms to run?
-transforms = [inlinetopleveltop, argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letderectop, letremovetop, letsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letremoveunusedtop, castsimpltop, lambdasimpltop, simplrestop]
+transforms = [inlinedicttop, inlinetopleveltop, argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letderectop, letremovetop, letsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, scrutbndrremovetop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letremoveunusedtop, castsimpltop, lambdasimpltop, simplrestop]
 
--- | Returns the normalized version of the given function.
+-- | Returns the normalized version of the given function, or an error
+-- if it is not a known global binder.
 getNormalized ::
   CoreBndr -- ^ The function to get
   -> TranslatorSession CoreExpr -- The normalized function body
-
-getNormalized bndr = Utils.makeCached bndr tsNormalized $ do
-  if is_poly (Var bndr)
-    then
-      -- This should really only happen at the top level... TODO: Give
-      -- a different error if this happens down in the recursion.
-      error $ "\nNormalize.normalizeBind: Function " ++ show bndr ++ " is polymorphic, can't normalize"
-    else do
-      expr <- getBinding bndr
-      normalizeExpr (show bndr) expr
+getNormalized bndr = do
+  norm <- getNormalized_maybe bndr
+  return $ Maybe.fromMaybe
+    (error $ "Normalize.getNormalized: Unknown or non-representable function requested: " ++ show bndr)
+    norm
+
+-- | Returns the normalized version of the given function, or Nothing
+-- when the binder is not a known global binder or is not normalizeable.
+getNormalized_maybe ::
+  CoreBndr -- ^ The function to get
+  -> TranslatorSession (Maybe CoreExpr) -- The normalized function body
+
+getNormalized_maybe bndr = do
+    expr_maybe <- getGlobalBind bndr
+    normalizeable <- isNormalizeable' bndr
+    if not normalizeable || Maybe.isNothing expr_maybe
+      then
+        -- Binder not normalizeable or not found
+        return Nothing
+      else if is_poly (Var bndr)
+        then
+          -- This should really only happen at the top level... TODO: Give
+          -- a different error if this happens down in the recursion.
+          error $ "\nNormalize.normalizeBind: Function " ++ show bndr ++ " is polymorphic, can't normalize"
+        else do
+          -- Binder found and is monomorphic. Normalize the expression
+          -- and cache the result.
+          normalized <- Utils.makeCached bndr tsNormalized $ 
+            normalizeExpr (show bndr) (Maybe.fromJust expr_maybe)
+          return (Just normalized)
 
 -- | Normalize an expression
 normalizeExpr ::
@@ -702,17 +788,6 @@ normalizeExpr what expr = do
       trace ("\n" ++ what ++ " after normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr')) $ return ()
       return expr'
 
--- | Get the value that is bound to the given binder at top level. Fails when
---   there is no such binding.
-getBinding ::
-  CoreBndr -- ^ The binder to get the expression for
-  -> TranslatorSession CoreExpr -- ^ The value bound to the binder
-
-getBinding bndr = Utils.makeCached bndr tsBindings $ do
-  -- If the binding isn't in the "cache" (bindings map), then we can't create
-  -- it out of thin air, so return an error.
-  error $ "Normalize.getBinding: Unknown function requested: " ++ show bndr
-
 -- | Split a normalized expression into the argument binders, top level
 --   bindings and the result binder.
 splitNormalized ::