Show number of transformations per function.
[matthijs/master-project/cλash.git] / cλash / CLasH / Normalize.hs
index 0995dbd1fa9653708892d790e0fd4359c8f35579..2b5c8999147c03662ff5bf806cab27af9e992ff3 100644 (file)
@@ -13,31 +13,28 @@ 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 Id
 import qualified Var
+import qualified Name
 import qualified VarSet
-import qualified NameSet
 import qualified CoreFVs
-import qualified CoreUtils
+import qualified Class
 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 CLasH.VHDL.Constants (builtinIds)
 import qualified CLasH.Utils as Utils
 import CLasH.Utils.Core.CoreTools
 import CLasH.Utils.Core.BinderTools
@@ -48,32 +45,40 @@ import CLasH.Utils.Pretty
 --------------------------------
 
 --------------------------------
--- η abstraction
+-- η expansion
 --------------------------------
+-- Make sure all parameters to the normalized functions are named by top
+-- level lambda expressions. For this we apply η expansion to the
+-- function body (possibly enclosed in some lambda abstractions) while
+-- it has a function type. Eventually this will result in a function
+-- body consisting of a bunch of nested lambdas containing a
+-- non-function value (e.g., a complete application).
 eta, etatop :: Transform
-eta expr | is_fun expr && not (is_lam expr) = do
+eta c expr | is_fun expr && not (is_lam expr) && all (== LambdaBody) c = do
   let arg_ty = (fst . Type.splitFunTy . CoreUtils.exprType) expr
   id <- Trans.lift $ mkInternalVar "param" arg_ty
   change (Lam id (App expr (Var id)))
 -- Leave all other expressions unchanged
-eta e = return e
-etatop = notappargs ("eta", eta)
+eta e = return e
+etatop = everywhere ("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 c (App (Lam x expr) arg) | CoreSyn.isTyVar x = setChanged >> substitute x arg c expr
+                              | otherwise         = setChanged >> substitute_clone x arg c expr
 -- Propagate the application into the let
-beta (App (Let binds expr) arg) = change $ Let binds (App expr arg)
+beta (App (Let binds expr) arg) = change $ Let binds (App expr arg)
 -- Propagate the application into each of the alternatives
-beta (App (Case scrut b ty alts) arg) = change $ Case scrut b ty' alts'
+beta (App (Case scrut b ty alts) arg) = change $ Case scrut b ty' alts'
   where 
     alts' = map (\(con, bndrs, expr) -> (con, bndrs, (App expr arg))) alts
     ty' = CoreUtils.applyTypeToArg ty arg
 -- Leave all other expressions unchanged
-beta expr = return expr
+beta expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 betatop = everywhere ("beta", beta)
 
@@ -82,12 +87,12 @@ betatop = everywhere ("beta", beta)
 --------------------------------
 -- Try to move casts as much downward as possible.
 castprop, castproptop :: Transform
-castprop (Cast (Let binds expr) ty) = change $ Let binds (Cast expr ty)
-castprop expr@(Cast (Case scrut b _ alts) ty) = change (Case scrut b ty alts')
+castprop (Cast (Let binds expr) ty) = change $ Let binds (Cast expr ty)
+castprop expr@(Cast (Case scrut b _ alts) ty) = change (Case scrut b ty alts')
   where
     alts' = map (\(con, bndrs, expr) -> (con, bndrs, (Cast expr ty))) alts
 -- Leave all other expressions unchanged
-castprop expr = return expr
+castprop expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 castproptop = everywhere ("castprop", castprop)
 
@@ -96,7 +101,7 @@ castproptop = everywhere ("castprop", castprop)
 -- perhaps for others as well.
 --------------------------------
 castsimpl, castsimpltop :: Transform
-castsimpl expr@(Cast val ty) = do
+castsimpl expr@(Cast val ty) = do
   -- Don't extract values that are already simpl
   local_var <- Trans.lift $ is_local_var val
   -- Don't extract values that are not representable, to prevent loops with
@@ -111,64 +116,69 @@ castsimpl expr@(Cast val ty) = do
     else
       return expr
 -- Leave all other expressions unchanged
-castsimpl expr = return expr
+castsimpl expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 castsimpltop = everywhere ("castsimpl", castsimpl)
 
+--------------------------------
+-- Ensure that a function that just returns another function (or rather,
+-- another top-level binder) is still properly normalized. This is a temporary
+-- solution, we should probably integrate this pass with lambdasimpl and
+-- letsimpl instead.
+--------------------------------
+retvalsimpl c expr@(Let (Rec binds) body) | all (== LambdaBody) c = do
+  -- Don't extract values that are already a local variable, to prevent
+  -- loops with ourselves.
+  local_var <- Trans.lift $ is_local_var body
+  -- Don't extract values that are not representable, to prevent loops with
+  -- inlinenonrep
+  repr <- isRepr body
+  if not local_var && repr
+    then do
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor body "res" 
+      change $ Let (Rec ((id, body):binds)) (Var id)
+    else
+      return expr
+
+retvalsimpl c expr | all (== LambdaBody) c && not (is_lam expr) && not (is_let expr) = do
+  local_var <- Trans.lift $ is_local_var expr
+  repr <- isRepr expr
+  if not local_var && repr
+    then do
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor expr "res" 
+      change $ Let (Rec [(id, expr)]) (Var id)
+    else
+      return expr
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+retvalsimpl c expr = return expr
+-- Perform this transform everywhere
+retvalsimpltop = everywhere ("retvalsimpl", retvalsimpl)
+
 --------------------------------
 -- let derecursification
 --------------------------------
 letderec, letderectop :: Transform
-letderec expr@(Let (Rec binds) res) = case liftable of
+letderec expr@(Let (Rec binds) res) = case liftable of
   -- Nothing is liftable, just return
   [] -> return expr
   -- Something can be lifted, generate a new let expression
-  _ -> change $ MkCore.mkCoreLets newbinds res
+  _ -> change $ mkNonRecLets liftable (Let (Rec nonliftable) res)
   where
     -- Make a list of all the binders bound in this recursive let
     bndrs = map fst binds
     -- See which bindings are liftable
     (liftable, nonliftable) = List.partition canlift binds
-    -- Create nonrec bindings for each liftable binding and a single recursive
-    -- binding for all others
-    newbinds = (map (uncurry NonRec) liftable) ++ [Rec nonliftable]
     -- Any expression that does not use any of the binders in this recursive let
     -- can be lifted into a nonrec let. It can't use its own binder either,
     -- since that would mean the binding is self-recursive and should be in a
     -- single bind recursive let.
     canlift (bndr, e) = not $ expr_uses_binders bndrs e
 -- Leave all other expressions unchanged
-letderec expr = return expr
+letderec expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 letderectop = everywhere ("letderec", letderec)
 
---------------------------------
--- let simplification
---------------------------------
-letsimpl, letsimpltop :: Transform
--- Don't simplify a let that evaluates to another let, since this is already
--- normal form (and would cause infinite loops with letflat below).
-letsimpl expr@(Let _ (Let _ _)) = return expr
--- Put the "in ..." value of a let in its own binding, but not when the
--- expression is already a local variable, or not representable (to prevent loops with inlinenonrep).
-letsimpl expr@(Let binds res) = do
-  repr <- isRepr res
-  local_var <- Trans.lift $ is_local_var res
-  if not local_var && repr
-    then do
-      -- If the result is not a local var already (to prevent loops with
-      -- ourselves), extract it.
-      id <- Trans.lift $ mkBinderFor res "foo"
-      change $ Let binds (Let (NonRec id  res) (Var id))
-    else
-      -- If the result is already a local var, don't extract it.
-      return expr
-
--- Leave all other expressions unchanged
-letsimpl expr = return expr
--- Perform this transform everywhere
-letsimpltop = everywhere ("letsimpl", letsimpl)
-
 --------------------------------
 -- let flattening
 --------------------------------
@@ -178,10 +188,25 @@ letsimpltop = everywhere ("letsimpl", letsimpl)
 -- to:
 -- let b' = expr' in (let b = res' in res)
 letflat, letflattop :: Transform
-letflat (Let (NonRec b (Let (NonRec b' expr')  res')) res) = 
-  change $ Let (NonRec b' expr') (Let (NonRec b res') res)
+-- Turn a nonrec let that binds a let into two nested lets.
+letflat c (Let (NonRec b (Let binds  res')) res) = 
+  change $ Let binds (Let (NonRec b res') res)
+letflat c (Let (Rec binds) expr) = do
+  -- Flatten each binding.
+  binds' <- Utils.concatM $ Monad.mapM flatbind binds
+  -- Return the new let. We don't use change here, since possibly nothing has
+  -- changed. If anything has changed, flatbind has already flagged that
+  -- change.
+  return $ Let (Rec binds') expr
+  where
+    -- Turns a binding of a let into a multiple bindings, or any other binding
+    -- into a list with just that binding
+    flatbind :: (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
+    flatbind (b, Let (Rec binds) expr) = change ((b, expr):binds)
+    flatbind (b, Let (NonRec b' expr') expr) = change [(b, expr), (b', expr')]
+    flatbind (b, expr) = return [(b, expr)]
 -- Leave all other expressions unchanged
-letflat expr = return expr
+letflat expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 letflattop = everywhere ("letflat", letflat)
 
@@ -190,9 +215,9 @@ letflattop = everywhere ("letflat", letflat)
 --------------------------------
 -- Remove empty (recursive) lets
 letremove, letremovetop :: Transform
-letremove (Let (Rec []) res) = change $ res
+letremove c (Let (Rec []) res) = change res
 -- Leave all other expressions unchanged
-letremove expr = return expr
+letremove expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 letremovetop = everywhere ("letremove", letremove)
 
@@ -207,7 +232,12 @@ letremovesimpletop = everywhere ("letremovesimple", inlinebind (\(b, e) -> Trans
 -- Unused let binding removal
 --------------------------------
 letremoveunused, letremoveunusedtop :: Transform
-letremoveunused expr@(Let (Rec binds) res) = do
+letremoveunused c expr@(Let (NonRec b bound) res) = do
+  let used = expr_uses_binders [b] res
+  if used
+    then return expr
+    else change res
+letremoveunused c expr@(Let (Rec binds) res) = do
   -- Filter out all unused binds.
   let binds' = filter dobind binds
   -- Only set the changed flag if binds got removed
@@ -218,9 +248,10 @@ letremoveunused expr@(Let (Rec binds) res) = do
       -- expressions
       dobind (bndr, _) = any (expr_uses_binders [bndr]) (res:bound_exprs)
 -- Leave all other expressions unchanged
-letremoveunused expr = return expr
+letremoveunused expr = return expr
 letremoveunusedtop = everywhere ("letremoveunused", letremoveunused)
 
+{-
 --------------------------------
 -- Identical let binding merging
 --------------------------------
@@ -228,10 +259,10 @@ letremoveunusedtop = everywhere ("letremoveunused", letremoveunused)
 -- TODO: We would very much like to use GHC's CSE module for this, but that
 -- doesn't track if something changed or not, so we can't use it properly.
 letmerge, letmergetop :: Transform
-letmerge expr@(Let _ _) = do
+letmerge expr@(Let _ _) = do
   let (binds, res) = flattenLets expr
   binds' <- domerge binds
-  return $ MkCore.mkCoreLets (map (uncurry NonRec) binds') res
+  return $ mkNonRecLets binds' res
   where
     domerge :: [(CoreBndr, CoreExpr)] -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
     domerge [] = return []
@@ -249,38 +280,202 @@ letmerge expr@(Let _ _) = do
       -- Different expressions? Don't change
       | otherwise = return (b2, e2)
 -- Leave all other expressions unchanged
-letmerge expr = return expr
+letmerge expr = return expr
 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 simple top level bindings. Simple
+-- currently means that the body is only a single application (though
+-- the complexity of the arguments is not currently checked) or that the
+-- normalized form only contains a single binding. This should catch 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)
+--
+-- These useless wrappers are created by GHC automatically. If we don't
+-- inline them, we get loads of useless components cluttering the
+-- generated VHDL.
+--
+-- Note that the inlining could also inline simple functions defined by
+-- the user, not just GHC generated functions. It turns out to be near
+-- impossible to reliably determine what functions are generated and
+-- what functions are user-defined. Instead of guessing (which will
+-- inline less than we want) we will just inline all simple functions.
+--
+-- Only functions that are actually completely applied and bound by a
+-- variable in a let expression are inlined. These are the expressions
+-- that will eventually generate instantiations of trivial components.
+-- By not inlining any other reference, we also prevent looping problems
+-- with funextract and inlinedict.
+inlinetoplevel, inlinetopleveltop :: Transform
+inlinetoplevel (LetBinding:_) expr | not (is_fun expr) =
+  case collectArgs expr of
+       (Var f, args) -> do
+         body_maybe <- needsInline f
+         case body_maybe of
+               Just body -> do
+                       -- Regenerate all uniques in the to-be-inlined expression
+                       body_uniqued <- Trans.lift $ genUniques body
+                       -- And replace the variable reference with the unique'd body.
+                       change (mkApps body_uniqued args)
+                       -- No need to inline
+               Nothing -> return expr
+       -- This is not an application of a binder, leave it unchanged.
+       _ -> return expr
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+inlinetoplevel c expr = return expr
+inlinetopleveltop = everywhere ("inlinetoplevel", inlinetoplevel)
+  
+-- | Does the given binder need to be inlined? If so, return the body to
+-- be used for inlining.
+needsInline :: CoreBndr -> TransformMonad (Maybe CoreExpr)
+needsInline f = do
+  body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
+  case body_maybe of
+    -- No body available?
+    Nothing -> return Nothing
+    Just body -> case CoreSyn.collectArgs body of
+      -- The body is some (top level) binder applied to 0 or more
+      -- arguments. That should be simple enough to inline.
+      (Var f, args) -> return $ Just body
+      -- Body is more complicated, try normalizing it
+      _ -> do
+        norm_maybe <- Trans.lift $ getNormalized_maybe f
+        case norm_maybe of
+          -- Noth normalizeable
+          Nothing -> return Nothing 
+          Just norm -> case splitNormalized norm of
+            -- The function has just a single binding, so that's simple
+            -- enough to inline.
+            (args, [bind], res) -> return $ Just norm
+            -- More complicated function, don't inline
+            _ -> return Nothing
+            
+--------------------------------
+-- Dictionary inlining
+--------------------------------
+-- Inline all top level dictionaries, that are in a position where
+-- classopresolution can actually resolve them. This makes this
+-- transformation look similar to classoperesolution below, but we'll
+-- keep them separated for clarity. By not inlining other dictionaries,
+-- we prevent expression sizes exploding when huge type level integer
+-- dictionaries are inlined which can never be expanded (in casts, for
+-- example).
+inlinedict c expr@(App (App (Var sel) ty) (Var dict)) | not is_builtin && is_classop = do
+  body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind dict
+  case body_maybe of
+    -- No body available (no source available, or a local variable /
+    -- argument)
+    Nothing -> return expr
+    Just body -> change (App (App (Var sel) ty) body)
+  where
+    -- Is this a builtin function / method?
+    is_builtin = elem (Name.getOccString sel) builtinIds
+    -- Are we dealing with a class operation selector?
+    is_classop = Maybe.isJust (Id.isClassOpId_maybe sel)
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+inlinedict c expr = return expr
+inlinedicttop = everywhere ("inlinedict", inlinedict)
+
+--------------------------------
+-- ClassOp resolution
+--------------------------------
+-- Resolves any class operation to the actual operation whenever
+-- possible. Class methods (as well as parent dictionary selectors) are
+-- special "functions" that take a type and a dictionary and evaluate to
+-- the corresponding method. A dictionary is nothing more than a
+-- special dataconstructor applied to the type the dictionary is for,
+-- each of the superclasses and all of the class method definitions for
+-- that particular type. Since dictionaries all always inlined (top
+-- levels dictionaries are inlined by inlinedict, local dictionaries are
+-- inlined by inlinenonrep), we will eventually have something like:
+--
+--   baz
+--     @ CLasH.HardwareTypes.Bit
+--     (D:Baz @ CLasH.HardwareTypes.Bit bitbaz)
+--
+-- Here, baz is the method selector for the baz method, while
+-- D:Baz is the dictionary constructor for the Baz and bitbaz is the baz
+-- method defined in the Baz Bit instance declaration.
+--
+-- To resolve this, we can look at the ClassOp IdInfo from the baz Id,
+-- which contains the Class it is defined for. From the Class, we can
+-- get a list of all selectors (both parent class selectors as well as
+-- method selectors). Since the arguments to D:Baz (after the type
+-- argument) correspond exactly to this list, we then look up baz in
+-- that list and replace the entire expression by the corresponding 
+-- argument to D:Baz.
+--
+-- We don't resolve methods that have a builtin translation (such as
+-- ==), since the actual implementation is not always (easily)
+-- translateable. For example, when deriving ==, GHC generates code
+-- using $con2tag functions to translate a datacon to an int and compare
+-- that with GHC.Prim.==# . Better to avoid that for now.
+classopresolution, classopresolutiontop :: Transform
+classopresolution c expr@(App (App (Var sel) ty) dict) | not is_builtin =
+  case Id.isClassOpId_maybe sel of
+    -- Not a class op selector
+    Nothing -> return expr
+    Just cls -> case collectArgs dict of
+      (_, []) -> return expr -- Dict is not an application (e.g., not inlined yet)
+      (Var dictdc, (ty':selectors)) | not (Maybe.isJust (Id.isDataConId_maybe dictdc)) -> return expr -- Dictionary is not a datacon yet (but e.g., a top level binder)
+                                | tyargs_neq ty ty' -> error $ "Normalize.classopresolution: Applying class selector to dictionary without matching type?\n" ++ pprString expr
+                                | otherwise ->
+        let selector_ids = Class.classSelIds cls in
+        -- Find the selector used in the class' list of selectors
+        case List.elemIndex sel selector_ids of
+          Nothing -> error $ "Normalize.classopresolution: Selector not found in class' selector list? This should not happen!\nExpression: " ++ pprString expr ++ "\nClass: " ++ show cls ++ "\nSelectors: " ++ show selector_ids
+          -- Get the corresponding argument from the dictionary
+          Just n -> change (selectors!!n)
+      (_, _) -> return expr -- Not applying a variable? Don't touch
+  where
+    -- Compare two type arguments, returning True if they are _not_
+    -- equal
+    tyargs_neq (Type ty1) (Type ty2) = not $ Type.coreEqType ty1 ty2
+    tyargs_neq _ _ = True
+    -- Is this a builtin function / method?
+    is_builtin = elem (Name.getOccString sel) builtinIds
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+classopresolution c expr = return expr
+-- Perform this transform everywhere
+classopresolutiontop = everywhere ("classopresolution", classopresolution)
+
 --------------------------------
 -- Scrutinee simplification
 --------------------------------
 scrutsimpl,scrutsimpltop :: Transform
 -- Don't touch scrutinees that are already simple
-scrutsimpl expr@(Case (Var _) _ _ _) = return expr
+scrutsimpl expr@(Case (Var _) _ _ _) = return expr
 -- Replace all other cases with a let that binds the scrutinee and a new
 -- simple scrutinee, but only when the scrutinee is representable (to prevent
 -- loops with inlinenonrep, though I don't think a non-representable scrutinee
 -- will be supported anyway...) 
-scrutsimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
+scrutsimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
   repr <- isRepr scrut
   if repr
     then do
@@ -289,10 +484,35 @@ scrutsimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
     else
       return expr
 -- Leave all other expressions unchanged
-scrutsimpl expr = return expr
+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 c (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) c expr
+      return (con, bndrs, expr')
+    wild = MkCore.mkWildBinder (Id.idType bndr)
+-- Leave all other expressions unchanged
+scrutbndrremove c expr = return expr
+scrutbndrremovetop = everywhere ("scrutbndrremove", scrutbndrremove)
+
 --------------------------------
 -- Case binder wildening
 --------------------------------
@@ -300,24 +520,27 @@ casesimpl, casesimpltop :: Transform
 -- This is already a selector case (or, if x does not appear in bndrs, a very
 -- simple case statement that will be removed by caseremove below). Just leave
 -- it be.
-casesimpl expr@(Case scrut b ty [(con, bndrs, Var x)]) = return expr
+casesimpl expr@(Case scrut b ty [(con, bndrs, Var x)]) = return expr
 -- Make sure that all case alternatives have only wild binders and simple
 -- expressions.
 -- This is done by creating a new let binding for each non-wild binder, which
 -- is bound to a new simple selector case statement and for each complex
 -- expression. We do this only for representable types, to prevent loops with
 -- inlinenonrep.
-casesimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
+casesimpl c expr@(Case scrut bndr ty alts) | not bndr_used = do
   (bindingss, alts') <- (Monad.liftM unzip) $ mapM doalt alts
   let bindings = concat bindingss
   -- Replace the case with a let with bindings and a case
-  let newlet = (Let (Rec bindings) (Case scrut b ty alts'))
+  let newlet = mkNonRecLets bindings (Case scrut bndr ty alts')
   -- If there are no non-wild binders, or this case is already a simple
   -- selector (i.e., a single alt with exactly one binding), already a simple
   -- selector altan no bindings (i.e., no wild binders in the original case),
   -- don't change anything, otherwise, replace the case.
   if null bindings then return expr else change newlet 
   where
+  -- Check if the scrutinee binder is used
+  is_used (_, _, expr) = expr_uses_binders [bndr] expr
+  bndr_used = or $ map is_used alts
   -- Generate a single wild binder, since they are all the same
   wild = MkCore.mkWildBinder
   -- Wilden the binders of one alt, producing a list of bindings as a
@@ -330,11 +553,11 @@ 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')
-    let bindings = Maybe.catMaybes (exprbinding_maybe : bindings_maybe)
+    let bindings = Maybe.catMaybes (bindings_maybe ++ [exprbinding_maybe])
     return (bindings, newalt)
     where
       -- Make wild alternatives for each binder
@@ -346,7 +569,7 @@ casesimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
       -- binding containing a case expression.
       dobndr :: CoreBndr -> Int -> TransformMonad (CoreBndr, Maybe (CoreBndr, CoreExpr))
       dobndr b i = do
-        repr <- isRepr (Var b)
+        repr <- isRepr b
         -- Is b wild (e.g., not a free var of expr. Since b is only in scope
         -- in expr, this means that b is unused if expr does not use it.)
         let wild = not (VarSet.elemVarSet b free_vars)
@@ -381,12 +604,12 @@ 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)
 -- Leave all other expressions unchanged
-casesimpl expr = return expr
+casesimpl expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 casesimpltop = everywhere ("casesimpl", casesimpl)
 
@@ -397,11 +620,11 @@ casesimpltop = everywhere ("casesimpl", casesimpl)
 -- binders.
 caseremove, caseremovetop :: Transform
 -- Replace a useless case by the value of its single alternative
-caseremove (Case scrut b ty [(con, bndrs, expr)]) | not usesvars = change expr
+caseremove (Case scrut b ty [(con, bndrs, expr)]) | not usesvars = change expr
     -- Find if any of the binders are used by expr
-    where usesvars = (not . VarSet.isEmptyVarSet . (CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` bndrs))) expr
+    where usesvars = (not . VarSet.isEmptyVarSet . (CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` b:bndrs))) expr
 -- Leave all other expressions unchanged
-caseremove expr = return expr
+caseremove expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 caseremovetop = everywhere ("caseremove", caseremove)
 
@@ -412,7 +635,7 @@ caseremovetop = everywhere ("caseremove", caseremove)
 appsimpl, appsimpltop :: Transform
 -- Simplify all representable arguments. Do this by introducing a new Let
 -- that binds the argument and passing the new binder in the application.
-appsimpl expr@(App f arg) = do
+appsimpl expr@(App f arg) = do
   -- Check runtime representability
   repr <- isRepr arg
   local_var <- Trans.lift $ is_local_var arg
@@ -423,7 +646,7 @@ appsimpl expr@(App f arg) = do
     else -- Leave non-representable arguments unchanged
       return expr
 -- Leave all other expressions unchanged
-appsimpl expr = return expr
+appsimpl expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 appsimpltop = everywhere ("appsimpl", appsimpl)
 
@@ -437,7 +660,7 @@ argprop, argproptop :: Transform
 -- Transform any application of a named function (i.e., skip applications of
 -- lambda's). Also skip applications that have arguments with free type
 -- variables, since we can't inline those.
-argprop expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
+argprop expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
   -- Find the body of the function called
   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
   case body_maybe of
@@ -455,6 +678,12 @@ 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
@@ -479,7 +708,7 @@ 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
@@ -495,17 +724,25 @@ 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
           -- to a new id and just pass that new id to the old function body.
           return ([arg], [id], mkReferenceTo id) 
 -- Leave all other expressions unchanged
-argprop expr = return expr
+argprop expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 argproptop = everywhere ("argprop", argprop)
 
@@ -518,7 +755,7 @@ argproptop = everywhere ("argprop", argprop)
 -- apply map to a lambda expression This will not conflict with inlinenonrep,
 -- since that only inlines local let bindings, not top level bindings.
 funextract, funextracttop :: Transform
-funextract expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
+funextract expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
   case body_maybe of
     -- We don't have a function body for f, so we can perform this transform.
@@ -556,7 +793,7 @@ funextract expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
     doarg arg = return arg
 
 -- Leave all other expressions unchanged
-funextract expr = return expr
+funextract expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 funextracttop = everywhere ("funextract", funextract)
 
@@ -568,22 +805,43 @@ funextracttop = everywhere ("funextract", funextract)
 
 
 -- What transforms to run?
-transforms = [argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letderectop, letremovetop, letsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letmergetop, letremoveunusedtop, castsimpltop]
+transforms = [inlinedicttop, inlinetopleveltop, classopresolutiontop, argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letderectop, letremovetop, retvalsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, scrutbndrremovetop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letremoveunusedtop, castsimpltop]
 
--- | 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 ::
@@ -592,23 +850,16 @@ normalizeExpr ::
   -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr -- ^ The normalized expression
 
 normalizeExpr what expr = do
+      startcount <- MonadState.get tsTransformCounter 
+      expr_uniqued <- genUniques expr
       -- Normalize this expression
-      trace (what ++ " before normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr ) ++ "\n") $ return ()
-      expr' <- dotransforms transforms expr
+      trace (what ++ " before normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr_uniqued ) ++ "\n") $ return ()
+      expr' <- dotransforms transforms expr_uniqued
+      endcount <- MonadState.get tsTransformCounter 
       trace ("\n" ++ what ++ " after normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr')) $ return ()
+      trace ("\nNeeded " ++ show (endcount - startcount) ++ " transformations to normalize " ++ what) $ 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 ::