Rename cλash dir to clash so it behaves well within the ghc build tree
[matthijs/master-project/cλash.git] / clash / CLasH / Normalize / NormalizeTools.hs
diff --git a/clash/CLasH/Normalize/NormalizeTools.hs b/clash/CLasH/Normalize/NormalizeTools.hs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..cdb7ee0
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,245 @@
+-- 
+-- This module provides functions for program transformations.
+--
+module CLasH.Normalize.NormalizeTools where
+
+-- Standard modules
+import qualified Data.Monoid as Monoid
+import qualified Data.Either as Either
+import qualified Control.Monad as Monad
+import qualified Control.Monad.Trans.Writer as Writer
+import qualified Control.Monad.Trans.Class as Trans
+import qualified Data.Accessor.Monad.Trans.State as MonadState
+
+-- GHC API
+import CoreSyn
+import qualified Name
+import qualified Id
+import qualified CoreSubst
+import qualified Type
+import qualified CoreUtils
+import Outputable ( showSDoc, ppr, nest )
+
+-- Local imports
+import CLasH.Normalize.NormalizeTypes
+import CLasH.Translator.TranslatorTypes
+import CLasH.VHDL.Constants (builtinIds)
+import CLasH.Utils
+import qualified CLasH.Utils.Core.CoreTools as CoreTools
+import qualified CLasH.VHDL.VHDLTools as VHDLTools
+
+-- Apply the given transformation to all expressions in the given expression,
+-- including the expression itself.
+everywhere :: Transform -> Transform
+everywhere trans = applyboth (subeverywhere (everywhere trans)) trans
+
+data NormDbgLevel = 
+    NormDbgNone         -- ^ No debugging
+  | NormDbgFinal        -- ^ Print functions before / after normalization
+  | NormDbgApplied      -- ^ Print expressions before / after applying transformations
+  | NormDbgAll          -- ^ Print expressions when a transformation does not apply
+  deriving (Eq, Ord)
+normalize_debug = NormDbgFinal
+
+-- Applies a transform, optionally showing some debug output.
+apply :: (String, Transform) -> Transform
+apply (name, trans) ctx expr =  do
+    -- Apply the transformation and find out if it changed anything
+    (expr', any_changed) <- Writer.listen $ trans ctx expr
+    let changed = Monoid.getAny any_changed
+    -- If it changed, increase the transformation counter 
+    Monad.when changed $ Trans.lift (MonadState.modify tsTransformCounter (+1))
+    -- Prepare some debug strings
+    let before = showSDoc (nest 4 $ ppr expr) ++ "\nType: \n" ++ (showSDoc $ nest 4 $ ppr $ CoreUtils.exprType expr) ++ "\n"
+    let context = "Context: " ++ show ctx ++ "\n"
+    let after  = showSDoc (nest 4 $ ppr expr') ++ "\nType: \n" ++ (showSDoc $ nest 4 $ ppr $ CoreUtils.exprType expr') ++ "\n"
+    traceIf (normalize_debug >= NormDbgApplied && changed) ("Changes when applying transform " ++ name ++ " to:\n" ++ before ++ context ++ "Result:\n" ++ after) $ 
+     traceIf (normalize_debug >= NormDbgAll && not changed) ("No changes when applying transform " ++ name ++ " to:\n" ++ before  ++ context) $
+     return expr'
+
+-- Apply the first transformation, followed by the second transformation, and
+-- keep applying both for as long as expression still changes.
+applyboth :: Transform -> Transform -> Transform
+applyboth first second context expr = do
+  -- Apply the first
+  expr' <- first context expr
+  -- Apply the second
+  (expr'', changed) <- Writer.listen $ second context expr'
+  if Monoid.getAny $ changed
+    then
+      applyboth first second context expr'' 
+    else 
+      return expr''
+
+-- Apply the given transformation to all direct subexpressions (only), not the
+-- expression itself.
+subeverywhere :: Transform -> Transform
+subeverywhere trans c (App a b) = do
+  a' <- trans (AppFirst:c) a
+  b' <- trans (AppSecond:c) b
+  return $ App a' b'
+
+subeverywhere trans c (Let (NonRec b bexpr) expr) = do
+  bexpr' <- trans (LetBinding:c) bexpr
+  expr' <- trans (LetBody:c) expr
+  return $ Let (NonRec b bexpr') expr'
+
+subeverywhere trans c (Let (Rec binds) expr) = do
+  expr' <- trans (LetBody:c) expr
+  binds' <- mapM transbind binds
+  return $ Let (Rec binds') expr'
+  where
+    transbind :: (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad (CoreBndr, CoreExpr)
+    transbind (b, e) = do
+      e' <- trans (LetBinding:c) e
+      return (b, e')
+
+subeverywhere trans c (Lam x expr) = do
+  expr' <- trans (LambdaBody:c) expr
+  return $ Lam x expr'
+
+subeverywhere trans c (Case scrut b t alts) = do
+  scrut' <- trans (Other:c) scrut
+  alts' <- mapM transalt alts
+  return $ Case scrut' b t alts'
+  where
+    transalt :: CoreAlt -> TransformMonad CoreAlt
+    transalt (con, binders, expr) = do
+      expr' <- trans (Other:c) expr
+      return (con, binders, expr')
+
+subeverywhere trans c (Var x) = return $ Var x
+subeverywhere trans c (Lit x) = return $ Lit x
+subeverywhere trans c (Type x) = return $ Type x
+
+subeverywhere trans c (Cast expr ty) = do
+  expr' <- trans (Other:c) expr
+  return $ Cast expr' ty
+
+subeverywhere trans c expr = error $ "\nNormalizeTools.subeverywhere: Unsupported expression: " ++ show expr
+
+-- Runs each of the transforms repeatedly inside the State monad.
+dotransforms :: [(String, Transform)] -> CoreExpr -> TranslatorSession CoreExpr
+dotransforms transs expr = do
+  (expr', changed) <- Writer.runWriterT $ Monad.foldM (\e trans -> everywhere (apply trans) [] e) expr transs
+  if Monoid.getAny changed then dotransforms transs expr' else return expr'
+
+-- Inline all let bindings that satisfy the given condition
+inlinebind :: ((CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad Bool) -> Transform
+inlinebind condition context expr@(Let (Rec binds) res) = do
+    -- Find all bindings that adhere to the condition
+    res_eithers <- mapM docond binds
+    case Either.partitionEithers res_eithers of
+      -- No replaces? No change
+      ([], _) -> return expr
+      (replace, others) -> do
+        -- Substitute the to be replaced binders with their expression
+        newexpr <- do_substitute replace (Let (Rec others) res)
+        change newexpr
+  where 
+    -- Apply the condition to a let binding and return an Either
+    -- depending on whether it needs to be inlined or not.
+    docond :: (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad (Either (CoreBndr, CoreExpr) (CoreBndr, CoreExpr))
+    docond b = do
+      res <- condition b
+      return $ case res of True -> Left b; False -> Right b
+
+    -- Apply the given list of substitutions to the the given expression
+    do_substitute :: [(CoreBndr, CoreExpr)] -> CoreExpr -> TransformMonad CoreExpr
+    do_substitute [] expr = return expr
+    do_substitute ((bndr, val):reps) expr = do
+      -- Perform this substitution in the expression
+      expr' <- substitute_clone bndr val context expr
+      -- And in the substitution values we will be using next
+      reps' <- mapM (subs_bind bndr val) reps
+      -- And then perform the remaining substitutions
+      do_substitute reps' expr'
+   
+    -- Replace the given binder with the given expression in the
+    -- expression oft the given let binding
+    subs_bind :: CoreBndr -> CoreExpr -> (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad (CoreBndr, CoreExpr)
+    subs_bind bndr expr (b, v) = do
+      v' <- substitute_clone  bndr expr (LetBinding:context) v
+      return (b, v')
+
+
+-- Leave all other expressions unchanged
+inlinebind _ context expr = return expr
+
+-- Sets the changed flag in the TransformMonad, to signify that some
+-- transform has changed the result
+setChanged :: TransformMonad ()
+setChanged = Writer.tell (Monoid.Any True)
+
+-- Sets the changed flag and returns the given value.
+change :: a -> TransformMonad a
+change val = do
+  setChanged
+  return val
+
+-- Returns the given value and sets the changed flag if the bool given is
+-- True. Note that this will not unset the changed flag if the bool is False.
+changeif :: Bool -> a -> TransformMonad a
+changeif True val = change val
+changeif False val = return val
+
+-- | Creates a transformation that substitutes the given binder with the given
+-- expression (This can be a type variable, replace by a Type expression).
+-- Does not set the changed flag.
+substitute :: CoreBndr -> CoreExpr -> Transform
+-- Use CoreSubst to subst a type var in an expression
+substitute find repl context expr = do
+  let subst = CoreSubst.extendSubst CoreSubst.emptySubst find repl
+  return $ CoreSubst.substExpr subst expr 
+
+-- | Creates a transformation that substitutes the given binder with the given
+-- expression. This does only work for value expressions! All binders in the
+-- expression are cloned before the replacement, to guarantee uniqueness.
+substitute_clone :: CoreBndr -> CoreExpr -> Transform
+-- If we see the var to find, replace it by a uniqued version of repl
+substitute_clone find repl context (Var var) | find == var = do
+  repl' <- Trans.lift $ CoreTools.genUniques repl
+  change repl'
+
+-- For all other expressions, just look in subexpressions
+substitute_clone find repl context expr = subeverywhere (substitute_clone find repl) context expr
+
+-- Is the given expression representable at runtime, based on the type?
+isRepr :: (CoreTools.TypedThing t) => t -> TransformMonad Bool
+isRepr tything = Trans.lift (isRepr' tything)
+
+isRepr' :: (CoreTools.TypedThing t) => t -> TranslatorSession Bool
+isRepr' tything = case CoreTools.getType tything of
+  Nothing -> return False
+  Just ty -> MonadState.lift tsType $ VHDLTools.isReprType ty 
+
+is_local_var :: CoreSyn.CoreExpr -> TranslatorSession Bool
+is_local_var (CoreSyn.Var v) = do
+  bndrs <- getGlobalBinders
+  return $ v `notElem` bndrs
+is_local_var _ = return False
+
+-- Is the given binder defined by the user?
+isUserDefined :: CoreSyn.CoreBndr -> Bool
+-- System names are certain to not be user defined
+isUserDefined bndr | Name.isSystemName (Id.idName bndr) = False
+-- Builtin functions are usually not user-defined either (and would
+-- break currently if they are...)
+isUserDefined bndr = str `notElem` builtinIds
+  where
+    str = Name.getOccString bndr
+
+-- | Is the given binder normalizable? This means that its type signature can be
+-- represented in hardware, which should (?) guarantee that it can be made
+-- into hardware. This checks whether all the arguments and (optionally)
+-- the return value are
+-- representable.
+isNormalizeable :: 
+  Bool -- ^ Allow the result to be unrepresentable?
+  -> CoreBndr  -- ^ The binder to check
+  -> TranslatorSession Bool  -- ^ Is it normalizeable?
+isNormalizeable result_nonrep bndr = do
+  let ty = Id.idType bndr
+  let (arg_tys, res_ty) = Type.splitFunTys ty
+  let check_tys = if result_nonrep then arg_tys else (res_ty:arg_tys) 
+  andM $ mapM isRepr' check_tys