12ab1d968c9161f821c1cb8c3be4b4128eb52e3b
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66
67 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
68 \IEEEoverridecommandlockouts
69 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75 % Some very useful LaTeX packages include:
76 % (uncomment the ones you want to load)
77
78 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
79 %
80 %\usepackage{ifpdf}
81 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
82 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
83 % usage:
84 % \ifpdf
85 %   % pdf code
86 % \else
87 %   % dvi code
88 % \fi
89 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
90 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
91 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
92 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
93 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
94 % have to be run twice to clear warning/error messages.
95
96
97
98 % *** CITATION PACKAGES ***
99 %
100 \usepackage{cite}
101 % cite.sty was written by Donald Arseneau
102 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
103 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
104 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
105 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
106 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
107 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
108 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
109 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
110 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
111 % not currently provide for hyperlinked citations.
112 % The latest version can be obtained at:
113 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
114 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
115
116
117
118
119
120
121 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
122 %
123 \ifCLASSINFOpdf
124   \usepackage[pdftex]{graphicx}
125   % declare the path(s) where your graphic files are
126   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
127   % and their extensions so you won't have to specify these with
128   % every instance of \includegraphics
129   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
130 \else
131   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
132   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
133   % driver is specified.
134   % \usepackage[dvips]{graphicx}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   % \graphicspath{{../eps/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
140 \fi
141 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
142 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
143 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
144 % be obtained at: 
145 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
146 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
147 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
148 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
149 %
150 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
151 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
152 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
153 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
154 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
155 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
156 % well as large increases in file sizes.
157 %
158 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
159 % http://www.tug.org/applications/pdftex
160
161
162
163
164
165 % *** MATH PACKAGES ***
166 %
167 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
168 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
169 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
170 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
171 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
172 % it is possible that some math symbols, particularly those within
173 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
174 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
175 %
176 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
177 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
178 %\interdisplaylinepenalty=2500
179 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
180 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
181 % version and documentation can be obtained at:
182 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
183
184
185
186
187
188 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
189 %
190 %\usepackage{algorithmic}
191 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
192 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
193 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
194 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
195 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
196 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
197 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
198 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
199 % algorithmic.sty can be obtained at:
200 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
201 % There is also a support site at:
202 % http://algorithms.berlios.de/index.html
203 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
204 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
205 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
206
207
208
209
210 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
211 %
212 %\usepackage{array}
213 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
214 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
215 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
216 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
217 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
218 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
219 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
220 % latest version and documentation can be obtained at:
221 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
222
223
224 %\usepackage{mdwmath}
225 %\usepackage{mdwtab}
226 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
227 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
228 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
229 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
231
232
233 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
234 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
235 % quality.
236
237
238 %\usepackage{eqparbox}
239 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
240 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
241 % Available at:
242 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
243
244
245
246
247
248 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
249 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
250 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
251 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
252 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
253 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
254 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
255 % be obtained at:
256 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
257 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
258
259
260
261 %\usepackage[caption=false]{caption}
262 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
263 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
264 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
265 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
266 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
267 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
268 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
269 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
270 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
271 % the caption=false option directly:
272 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
273 %
274 % The latest version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
276 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
277 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
278
279
280
281
282 % *** FLOAT PACKAGES ***
283 %
284 %\usepackage{fixltx2e}
285 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
286 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
287 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
288 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
289 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
290 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
291 % figure. The latest version and documentation can be found at:
292 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
293
294
295
296 %\usepackage{stfloats}
297 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
298 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
299 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
300 % LaTeX2e). It also provides a command:
301 %\fnbelowfloat
302 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
303 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
304 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
305 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
306 % version and documentation can be obtained at:
307 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
308 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
309 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
310 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
311 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
312 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
313 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
314 % not format its papers in such ways.
315
316
317
318
319
320 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
321 %
322 %\usepackage{url}
323 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
324 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
325 % systems. The latest version can be obtained at:
326 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
327 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
328 % \url{my_url_here}.
329
330
331
332
333
334 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
335 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
336 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
337 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
338 % to submit to, of course. )
339
340 % correct bad hyphenation here
341 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
342
343 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
344 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
345 \def\acro#1{{\small{#1}}}
346 \def\acrop#1{\acro{#1}s}
347 \def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
348 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
349 \def\GHC{\acro{GHC}}
350 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
351 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
352
353 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
354 % we'll get something more complex later on.
355 \def\hs#1{\texttt{#1}}
356 \def\quote#1{``{#1}"}
357
358 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
359   \begin{list}{}{%
360     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
361     \setlength{\labelsep}{0.5em}
362     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
363     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
364     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
365     \setlength{\rightmargin}{0pt}
366     \setlength{\listparindent}{\parindent}
367     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
368     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
369     }
370   }
371 {\end{list}}
372
373 \usepackage{paralist}
374 \usepackage{xcolor}
375 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
376
377 \usepackage{cleveref}
378 \crefname{figure}{figure}{figures}
379 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
380 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
381
382 \usepackage{epstopdf}
383
384 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
385
386 %include polycode.fmt
387 %include clash.fmt
388
389 \newcounter{Codecount}
390 \setcounter{Codecount}{0}
391
392 \newenvironment{example}
393   {
394     \refstepcounter{equation}
395   }
396   {
397       \begin{flushright}
398       (\arabic{equation})
399       \end{flushright}
400   }
401
402 \begin{document}
403 %
404 % paper title
405 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
406 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
407
408
409 % author names and affiliations
410 % use a multiple column layout for up to three different
411 % affiliations
412 \author{\IEEEauthorblockN{Matthijs Kooijman, Christiaan P.R. Baaij, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
413 \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
414 Department of EEMCS, University of Twente\\
415 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
416 matthijs@@stdin.nl, c.p.r.baaij@@utwente.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 % \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 }
419 % \and
420 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
421 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
422 % Springfield, USA\\
423 % Email: homer@thesimpsons.com}
424 % \and
425 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
426 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
427 % San Francisco, California 96678-2391\\
428 % Telephone: (800) 555--1212\\
429 % Fax: (888) 555--1212}}
430
431 % conference papers do not typically use \thanks and this command
432 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
433 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
434 % after \documentclass
435
436 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
437 % of the page, use this alternative format:
438
439 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
440 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
441 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
442 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
443 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
444 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
445 %Georgia Institute of Technology,
446 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
447 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
448 %Email: homer@thesimpsons.com}
449 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
450 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
451 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
452
453
454
455
456 % use for special paper notices
457 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
458
459
460
461
462 % make the title area
463 \maketitle
464
465 \begin{abstract}
466 %\boldmath
467 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
468 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
469 Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
470 generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
471 natural way than possible in a traditional hardware description language.
472
473 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
474 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
475 test input are also valid Haskell, complete simulations can be compiled as an 
476 executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
477 analysis.
478
479 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
480 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
481 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
482 % mealy machine.
483 \end{abstract}
484 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
485 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
486 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
487 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
488 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
489 % math in the abstract anyway.
490
491 % no keywords
492
493
494
495
496 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
497 % page as needed:
498 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
499 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
500 % \fi
501 %
502 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
503 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
504 \IEEEpeerreviewmaketitle
505
506 \section{Introduction}
507 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have allowed the productivity of 
508 hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
509 Traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
510 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
511 `programming' language. These standard languages are very good at describing 
512 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
513 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
514 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
515 functional languages has been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,
516 T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using 
517 functional languages for hardware descriptions started in the early 1980s 
518 \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a time which also saw the birth of the 
519 currently popular hardware description languages, such as \VHDL. Functional 
520 languages are especially well suited to describe hardware because 
521 combinational circuits can be directly modeled as mathematical functions and
522 functional languages are very good at describing and composing these 
523 mathematical functions.
524
525 In an attempt to decrease the amount of work involved in creating all the 
526 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
527 \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are embedded as a domain 
528 specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
529 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
530 functions and types that together form the language primitives of the 
531 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
532 process any signals, they instead compose a large domain-specific datatype 
533 (which is usually hidden from the designer). This datatype is then further 
534 processed by an embedded circuit compiler which can perform for example 
535 simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{if}-expressions, 
536 \hs{case}-expressions, etc.) are evaluated at the time the domain-specific 
537 datatype is being build, they are no longer visible to the embedded compiler 
538 that processes the datatype. Consequently, it is impossible the capture 
539 Haskell's choice elements within a circuit description when taking the 
540 embedded language approach. This does not mean that circuits specified in an 
541 embedded language can not contain choice, just that choice elements only 
542 exists as functions, e.g. a multiplexer function, and not as language 
543 elements.
544
545 The approach taken in this research is not to make another \acro{DSL} embedded 
546 in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for 
547 the purpose of describing hardware. By taking this approach, this research 
548 \emph{can} capture certain language constructs, such as Haskell's choice 
549 elements, within circuit descriptions. To the best knowledge of the authors, 
550 supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array of 
551 choice-elements is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
552 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
553 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
554 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
555 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
556
557 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
558 purposes state and synchronicity, the clock is implied in the context of the 
559 research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of 
560 the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals 
561 as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this 
562 stream of values. The approach taken in this research is to make the current 
563 state an additional input and the updated state a part of the output of a 
564 function. This abstraction of state and time limits the descriptions to 
565 synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
566 add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
567 asynchronous systems.
568
569 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
570 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
571 prototype translator, which has the same name as the language: 
572 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
573 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
574 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
575 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
576
577 Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
578 the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
579 also been able to successfully translate non-trivial functional descriptions 
580 such as a streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating 
581 point numbers.
582
583 \section{Hardware description in Haskell}
584 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
585 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
586 various subsections, the relation between the language elements and their 
587 eventual netlist representation is also highlighted. 
588
589   \subsection{Function application}
590     Two basic syntactic elements of a functional program are functions
591     and function application. These have a single obvious translation to a 
592     netlist format: 
593     \begin{inparaenum}
594       \item every function is translated to a component, 
595       \item every function argument is translated to an input port,
596       \item the result value of a function is translated to an output port, 
597             and
598       \item function applications are translated to component instantiations.
599     \end{inparaenum} 
600     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
601     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
602     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
603     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
604     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
605     result of the application itself. Since every top level function generates 
606     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
607     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
608     % The separation in different components makes it easier for a developer 
609     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
610     % the \CLaSH\ compiler.
611
612     The short example (\ref{lst:code1}) demonstrated below gives an indication 
613     of the level of conciseness that can be achieved with functional hardware 
614     description languages when compared with the more traditional hardware 
615     description languages. The example is a combinational multiply-accumulate 
616     circuit that works for \emph{any} word length (this type of polymorphism 
617     will be further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding 
618     netlist is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
619     
620     \hspace{-1.7em}
621     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
622     \begin{code}
623     mac a b c = add (mul a b) c
624     \end{code}
625     \end{minipage}
626     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
627       \begin{example}
628       \label{lst:code1}
629       \end{example}
630     \end{minipage}
631     
632     \begin{figure}
633     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
634     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
635     \label{img:mac-comb}
636     \vspace{-1.5em}
637     \end{figure}
638     
639     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
640     (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
641     the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
642     Its corresponding netlist can be seen in \Cref{img:mac-comb-composite}.
643     
644     \hspace{-1.7em}
645     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
646     \begin{code}
647     mac a b c = (z, add z c)
648       where
649         z = mul a b
650     \end{code}
651     \end{minipage}
652     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
653       \begin{example}
654       \label{lst:code2}
655       \end{example}
656     \end{minipage}
657     
658     \begin{figure}
659     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
660     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
661     \label{img:mac-comb-composite}
662     \vspace{-1.5em}
663     \end{figure}
664
665   \subsection{Choice}
666     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
667     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
668     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
669     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
670     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
671     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
672     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
673     comparators and their combined output forms the selection port of the 
674     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
675     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
676     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
677     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
678     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
679     Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
680     (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
681     (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
682     sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
683     predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. The \hs{pred} 
684     variable is of the following, user-defined, enumeration datatype:
685     
686     \begin{code}
687     data Pred = Equal | NotEqual
688     \end{code}
689
690     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
691     depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
692     compared to \hs{Equal}, as an inequality immediately implies that 
693     \hs{pred} is \hs{NotEqual}.
694
695     \hspace{-1.7em}
696     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
697     \begin{code}    
698     sumif pred a b = case pred of
699       Equal -> case a == b of
700         True      -> a + b
701         False     -> 0
702       NotEqual  -> case a != b of
703         True      -> a + b
704         False     -> 0
705     \end{code}
706     \end{minipage}
707     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
708       \begin{example}
709       \label{lst:code3}
710       \end{example}
711     \end{minipage}
712
713     \hspace{-1.7em}
714     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
715     \begin{code}
716     sumif pred a b = 
717       if pred == Equal then 
718         if a == b then a + b else 0
719       else 
720         if a != b then a + b else 0
721     \end{code}
722     \end{minipage}
723     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
724       \begin{example}
725       \label{lst:code4}
726       \end{example}
727     \end{minipage}
728
729     \begin{figure}
730     \vspace{1em}
731     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
732     \caption{Choice - sumif}
733     \label{img:choice}
734     \vspace{-1.5em}
735     \end{figure}
736
737     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
738     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
739     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
740     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
741     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
742     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
743     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
744     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
745     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
746     multiplexers. A third version (\ref{lst:code5}) of the earlier example, 
747     now using both pattern matching and guards, can be seen below. The guard 
748     is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
749     assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to 
750     \hs{true}.
751     
752     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
753     naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
754     versions of the example.
755     
756     \hspace{-1.7em}
757     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
758     \begin{code}
759     sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
760                           | otherwise   = 0
761     sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
762                           | otherwise   = 0
763     \end{code}
764     \end{minipage}
765     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
766       \begin{example}
767       \label{lst:code5}
768       \end{example}
769     \end{minipage}
770
771     % \begin{figure}
772     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
773     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
774     % \label{img:choice}
775     % \end{figure}
776
777   \subsection{Types}
778     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
779     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
780     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
781     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
782     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
783     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
784     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
785     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
786     translate the user-defined types, which are described later on.
787
788     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
789     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
790     type signature. % (even if it is good practice to do so).
791     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
792     concrete/monomorphic types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
793     polymorphic functions to functions with concrete types.
794   
795     % Translation of two most basic functional concepts has been
796     % discussed: function application and choice. Before looking further
797     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
798     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
799     % descriptions will be discussed.
800     % 
801     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
802     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
803     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
804     % 
805     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
806     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
807     % define his own types, which will be translated into hardware types
808     % using translation rules that are discussed later on.
809
810   \subsubsection{Built-in types}
811     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
812     compiler:
813     \begin{xlist}
814       \item[\bf{Bit}]
815         the most basic type available. It can have two values:
816         \hs{Low} or \hs{High}. 
817         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
818       \item[\bf{Bool}]
819         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
820         or \hs{False}. 
821         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
822         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
823         % \hs{High}). 
824         Supporting the Bool type is required in order to support the
825         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
826         the condition.
827       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
828         these are types to represent integers and both are parametrizable in 
829         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
830         these types is \emph{wrap-around}.
831         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
832
833         % \begin{code}
834         % type Word32 = SizedWord D32
835         % \end{code}
836
837         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
838         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
839         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
840         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
841         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
842         % \texttt{signed} respectively.
843       \item[\bf{Vector}]
844         this is a vector type that can contain elements of any other type and
845         has a static length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
846         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
847         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
848         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
849         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
850         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
851         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
852         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
853         % be:
854
855         % \begin{code}
856         % type RegisterState = Vector D8 Word32
857         % \end{code}
858
859         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
860         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
861         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
862         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
863         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
864         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
865       \item[\bf{Index}]
866         this is another type to describe integers, but unlike the previous
867         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
868         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
869         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
870         implicitly zero. If a value of this type exceeds either bounds, an 
871         error will be thrown at simulation-time. The main purpose of the 
872         \hs{Index} type is to be used as an index into a \hs{Vector}.
873
874         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
875         % the 8 element vector above, we would do:
876
877         % \begin{code}
878         % type RegisterIndex = RangedWord D7
879         % \end{code}
880
881         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
882         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
883         % other words, this defines an unsigned word with values from
884         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
885         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
886         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
887     \end{xlist}
888
889   \subsubsection{User-defined types}
890     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
891     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
892     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
893     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
894     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
895     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
896     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
897     % compiler.
898
899     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
900     completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
901     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
902     and a type renaming requires an explicit conversion. Type synonyms and 
903     type renaming do not need any particular translation, a synonym or 
904     renamed type will just use the same representation as the original type. 
905     
906     For algebraic types, we can make the following distinctions:
907     \begin{xlist}
908       \item[\bf{Single constructor}]
909         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
910         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
911         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
912         as single constructor algebraic types (but with a bit of
913         syntactic sugar). An example of a single constructor type with 
914         multiple fields is the following pair of integers:
915         \begin{code}
916         data IntPair = IntPair Int Int
917         \end{code}
918         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
919         % for every field in the constructor.
920       \item[\bf{No fields}]
921         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
922         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
923         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
924         defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
925         for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
926         enumeration type is the type that represents the colors in a traffic 
927         light:
928         \begin{code}
929         data TrafficLight = Red | Orange | Green
930         \end{code}
931         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
932         % value for each constructor. This allows references to these 
933         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
934         % value.
935       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
936         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
937         one of these constructors has one or more fields are currently not 
938         supported.
939     \end{xlist}
940
941   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
942     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
943     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
944     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
945     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
946     without mention of any specific type and can be used transparently with 
947     any number of new types.
948
949     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
950     the following \hs{append} function, which appends an element to a
951     vector:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
952     with its type.}
953     
954     \begin{code}
955     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
956     \end{code}
957
958     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
959     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
960     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
961     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
962     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
963     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
964     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
965     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
966     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
967     functions, as we will see in the next section.
968
969     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
970     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
971     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
972     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
973     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
974     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
975     function, and class instances define the functionality for the specific 
976     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
977     contains all of Haskell's numerical operations. A designer can make use 
978     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
979     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
980     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
981     overloaded functions associated with the type class. 
982     
983     An example of a type signature that includes such a constraint if the 
984     signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
985     \begin{code}
986     sum :: Num a => [a|n] -> a
987     \end{code}
988
989     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
990     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
991     the compiler knows that the addition (+) operator is defined for that 
992     type. 
993     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
994     % class. 
995     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
996     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
997
998     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
999     function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
1000     developer can also specify his own type classes and corresponding 
1001     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1002     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1003     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1004     any polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1005     polymorphic as the function is never applied and consequently there is no 
1006     way to determine the actual types for the type parameters. 
1007     
1008     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1009     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1010     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1011     operators of \hs{Eq}, and the comparison/order operators of \hs{Ord}.
1012
1013   \subsection{Higher-order functions \& values}
1014     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1015     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1016     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1017     value and be passed around, even as the argument of another
1018     function. The following example should clarify this concept:
1019     
1020     \hspace{-1.7em}
1021     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1022     %format not = "\mathit{not}"
1023     \begin{code}
1024     negateVector xs = map not xs
1025     \end{code}
1026     \end{minipage}
1027     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1028       \begin{example}
1029       \label{lst:code6}
1030       \end{example}
1031     \end{minipage}
1032
1033     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1034     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1035     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1036     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1037     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1038     elements in the vector.
1039
1040     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1041     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1042     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1043     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1044     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1045     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1046     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1047     input vector. All of these characteristics  can readily be inferred from 
1048     the type signature belonging to \hs{map}:
1049
1050     \begin{code}
1051     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1052     \end{code}
1053
1054     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1055     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1056     partial application and lambda abstraction. Partial application
1057     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1058     to a single argument, and the result will again be a function (but
1059     that takes one argument less). As an example, consider the following
1060     expression, that adds one to every element of a vector:
1061
1062     \hspace{-1.7em}
1063     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1064     \begin{code}
1065     map (add 1) xs
1066     \end{code}
1067     \end{minipage}
1068     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1069       \begin{example}
1070       \label{lst:code7}
1071       \end{example}
1072     \end{minipage}
1073
1074     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1075     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1076     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1077     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1078     expression, which again adds one to every element of a vector:
1079
1080     \hspace{-1.7em}
1081     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1082     \begin{code}
1083     map (\x -> x + 1) xs
1084     \end{code}
1085     \end{minipage}
1086     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1087       \begin{example}
1088       \label{lst:code8}
1089       \end{example}
1090     \end{minipage}
1091
1092     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1093     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1094     functions as arguments. This allows the circuit designer to use a 
1095     powerful amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1096     function: if a function-typed argument is not applied with an actual 
1097     function, no hardware can be generated.    
1098
1099     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1100
1101   \subsection{State}
1102     A very important concept in hardware is the concept of state. In a 
1103     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
1104     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1105     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1106     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1107
1108     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
1109     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1110     conditions:
1111     \begin{inparaenum}
1112       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1113       both cases, and
1114       \item that the function has no observable side-effects.
1115     \end{inparaenum}
1116     % This purity property is important for functional languages, since it 
1117     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1118     % correct for impure functions. 
1119     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1120     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1121     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1122     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1123     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1124     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1125     the current state an additional argument of the function, and the 
1126     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1127     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1128     
1129     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1130     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1131     \Cref{img:mac-state}:
1132     
1133     \hspace{-1.7em}
1134     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1135     \begin{code}
1136     macS (State c) a b = (State c', c')
1137       where
1138         c' = mac a b c
1139     \end{code}
1140     \end{minipage}
1141     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1142       \begin{example}
1143       \label{lst:code9}
1144       \end{example}
1145     \end{minipage}
1146     
1147     \begin{figure}
1148     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1149     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1150     \label{img:mac-state}
1151     \vspace{-1.5em}
1152     \end{figure}
1153     
1154     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1155     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1156     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1157     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1158     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1159     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1160     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1161     combination with the existing code and language features, such as all the 
1162     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1163     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1164     
1165     \hspace{-1.7em}
1166     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1167     \begin{code}
1168     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1169       where
1170         (s', o) = f s i
1171     \end{code}
1172     \end{minipage}
1173     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1174       \begin{example}
1175       \label{lst:code10}
1176       \end{example}
1177     \end{minipage}
1178     
1179     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1180     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1181     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1182     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1183     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1184     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1185     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1186     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1187     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1188     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1189     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1190     described earlier.
1191     
1192     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1193     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1194     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1195     Haskell interpreter. Both simulation paths are much faster than first 
1196     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1197     simulation.
1198     
1199 \section{The \CLaSH\ compiler}
1200 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1201 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1202 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1203 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1204
1205 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1206 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1207 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1208 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1209 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1210 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1211 \Cref{img:compilerpipeline}.
1212
1213 \begin{figure}
1214 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1215 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1216 \label{img:compilerpipeline}
1217 \vspace{-1.5em}
1218 \end{figure}
1219
1220 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1221 Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1222 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1223 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1224 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1225 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1226 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1227 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1228 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1229 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1230 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1231 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1232 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1233 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1234 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1235 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1236
1237 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1238 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1239 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1240 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
1241 \VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
1242
1243 \section{Use cases}
1244 \label{sec:usecases}
1245 \subsection{FIR Filter}
1246 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1247 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1248 basically the dot-product of two vectors:
1249
1250 \begin{equation}
1251 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1252 \end{equation}
1253
1254 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1255 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1256 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1257 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1258 shown below:
1259
1260 \begin{equation}
1261 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1262 \end{equation}
1263
1264 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1265 using higher-order functions:
1266
1267 \hspace{-1.7em}
1268 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1269 \begin{code}
1270 as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
1271 \end{code}
1272 \end{minipage}
1273 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1274   \begin{example}
1275   \label{lst:code13}
1276   \end{example}
1277 \end{minipage}
1278
1279 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1280 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1281 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1282 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1283
1284 The \hs{foldl1} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1285 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1286 function to the result of the first application and the next element in the 
1287 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1288 the \hs{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
1289 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1290 \hs{foldl1 (+)} function is summation.
1291 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1292 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1293 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1294 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1295 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1296 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1297 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1298 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1299 % transformation to code):
1300
1301 % \begin{equation}
1302 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1303 % \end{equation}
1304 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1305
1306 \hspace{-1.7em}
1307 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1308 \begin{code}
1309 fir (State (xs,hs)) x = 
1310   (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1311 \end{code}
1312 \end{minipage}
1313 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1314   \begin{example}
1315   \label{lst:code14}
1316   \end{example}
1317 \end{minipage}
1318
1319 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1320 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1321 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1322 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1323 code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1324 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1325 is shown below:
1326
1327 \hspace{-1.7em}
1328 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1329 \begin{code}
1330 x >> xs = x +> init xs  
1331 \end{code}
1332 \end{minipage}
1333 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1334   \begin{example}
1335   \label{lst:code15}
1336   \end{example}
1337 \end{minipage}
1338
1339 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1340 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1341 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1342 \Cref{img:4tapfir}.
1343
1344 \begin{figure}
1345 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1346 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1347 \label{img:4tapfir}
1348 \vspace{-1.5em}
1349 \end{figure}
1350
1351 \subsection{Higher-order CPU}
1352 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher order
1353 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1354 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1355 common operations.
1356
1357 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1358 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1359 previous outputs of each function units, along with the single data input the 
1360 \acro{CPU} has and two fixed initialization values.
1361
1362 Each of the function units has both its operands connected to all data
1363 sources, and can be programmed to select any data source for either
1364 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1365 opcode input to select the operation it performs. The output of the rightmost 
1366 function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
1367
1368 Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
1369 arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
1370 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1371 but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
1372 of two arguments that defines the operation.
1373
1374 \hspace{-1.7em}
1375 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1376 \begin{code}
1377 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1378   where
1379     in1     = inputs!addr1
1380     in2     = inputs!addr2
1381     regIn   = op in1 in2
1382 \end{code}
1383 \end{minipage}
1384 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1385   \begin{example}
1386   \label{lst:code16}
1387   \end{example}
1388 \end{minipage}
1389
1390 The \hs{multiop} function defines the operation that takes place in the
1391 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU}
1392 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1393 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1394 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1395 the bitwise xor of its operands.
1396
1397 \hspace{-1.7em}
1398 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1399 \begin{code}
1400 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1401
1402 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1403 multiop Shift   a b                 = shift a b
1404 multiop Xor     a b                 = xor a b
1405 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1406                       | otherwise   = 0
1407 \end{code}
1408 \end{minipage}
1409 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1410   \begin{example}
1411   \label{lst:code17}
1412   \end{example}
1413 \end{minipage}
1414
1415 The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1416 function four times, to create a different function unit each time. The
1417 first application is interesting, because it does not just pass a
1418 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1419 shows how the first function unit effectively gets an extra input,
1420 compared to the others.
1421
1422 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1423 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1424 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1425 their operand. The application of the function units to the \hs{inputs} and
1426 \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1427 a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1428 However, the prototype compiler does not currently support working with lists 
1429 of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1430
1431 \hspace{-1.7em}
1432 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1433 \begin{code}
1434 type CpuState = State [Word | 4]
1435
1436 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1437        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1438 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1439   where
1440     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1441               , fu add            inputs (addrs!1)
1442               , fu sub            inputs (addrs!2)
1443               , fu mul            inputs (addrs!3)
1444               ]
1445     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1446     out       =   head s'
1447 \end{code}
1448 \end{minipage}
1449 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1450   \begin{example}
1451   \label{lst:code18}
1452   \end{example}
1453 \end{minipage}
1454
1455 This is still a simple example, but it could form the basis
1456 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1457
1458 \section{Related work}
1459 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1460 description languages and highlights the advantages that this research has 
1461 over existing work.
1462
1463 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1464 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1465 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1466 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1467 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1468 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1469
1470 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1471 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1472 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1473 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1474 be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
1475 simulated in a \VHDL\ simulator. Certain aspects of HML, such as higher-order
1476 functions are however not supported by the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The 
1477 \CLaSH\ compiler on the other hand can correctly translate all of the language 
1478 constructs mentioned in this paper. % to a netlist format.
1479
1480 \begin{figure}
1481 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1482 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1483 \label{img:highordcpu}
1484 \vspace{-1.5em}
1485 \end{figure}
1486
1487 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1488 description languages have some sort of foundation in the functional 
1489 programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe 
1490 system-level executable specifications used to model the behavior of 
1491 superscalar microprocessors. Hawk specifications can be simulated; to the best 
1492 knowledge of the authors there is however no support for automated circuit 
1493 synthesis. 
1494
1495 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1496 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1497 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1498 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1499 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1500 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1501 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1502 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1503 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1504 explicit conversions, where function have to be wrapped in processes and 
1505 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1506 instantiations of components, also makes ForSyDe more verbose than \CLaSH.
1507
1508 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language, embedded in Haskell, and 
1509 focuses on the structural representation of hardware. Like \CLaSH, Lava has 
1510 support for polymorphic types and higher-order functions. Besides support for 
1511 simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with 
1512 formal method tools for formal verification. As discussed in the introduction, 
1513 taking the embedded language approach does not allow for Haskell's choice 
1514 elements to be captured within the circuit descriptions. In this respect 
1515 \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice elements, such as 
1516 \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized to choice elements 
1517 in the eventual circuit. Consequently, descriptions containing rich control 
1518 structures can be specified in a more user-friendly way in \CLaSH\ than possible within Lava, and are hence less error-prone.
1519
1520 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1521 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1522 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1523 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1524 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1525 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1526 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1527 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1528
1529 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1530 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1531 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1532 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1533 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1534 subprograms still require an explicit generic map, whereas types can be 
1535 automatically inferred, and function-values can be automatically propagated 
1536 by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally available) \VHDL\ 
1537 synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
1538
1539 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1540
1541 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1542 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1543 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1544
1545 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1546 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1547 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1548 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1549 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1550 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1551 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1552 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1553 %
1554 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1555 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1556 % displayed while in draft mode.
1557 %
1558 %\begin{figure}[!t]
1559 %\centering
1560 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1561 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1562 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1563 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1564 %\caption{Simulation Results}
1565 %\label{fig_sim}
1566 %\end{figure}
1567
1568 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1569 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1570
1571
1572 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1573 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1574 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1575 % \label for the overall figure must come after \caption.
1576 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1577 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1578 % used instead of \subfloat.
1579 %
1580 %\begin{figure*}[!t]
1581 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1582 %\label{fig_first_case}}
1583 %\hfil
1584 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1585 %\label{fig_second_case}}}
1586 %\caption{Simulation results}
1587 %\label{fig_sim}
1588 %\end{figure*}
1589 %
1590 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1591 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1592 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1593
1594
1595 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1596 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1597 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1598 % The \label must come after \caption as always.
1599 %
1600 %\begin{table}[!t]
1601 %% increase table row spacing, adjust to taste
1602 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1603 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1604 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1605 %\caption{An Example of a Table}
1606 %\label{table_example}
1607 %\centering
1608 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1609 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1610 %\begin{tabular}{|c||c|}
1611 %\hline
1612 %One & Two\\
1613 %\hline
1614 %Three & Four\\
1615 %\hline
1616 %\end{tabular}
1617 %\end{table}
1618
1619
1620 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1621 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1622 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1623 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1624 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1625 % command of the stfloats package.
1626
1627
1628
1629 \section{Conclusion}
1630 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1631 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1632 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1633 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1634 choice elements, such as pattern matching, that are well suited to describe 
1635 the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides being able 
1636 to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1637 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1638 polymorphic types and function-valued arguments.
1639
1640 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1641 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1642 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1643 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1644 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1645 languages do not offer.
1646
1647 \section{Future Work}
1648 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1649 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1650 usually very clear, one finds that dealing with unpacking, passing, receiving 
1651 and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
1652 of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
1653 abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
1654
1655 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1656 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1657 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1658 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1659 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1660 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1661 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1662 earlier mentioned properties do indeed exist.
1663
1664 % conference papers do not normally have an appendix
1665
1666
1667 % use section* for acknowledgement
1668 % \section*{Acknowledgment}
1669
1670 % The authors would like to thank...
1671
1672 % trigger a \newpage just before the given reference
1673 % number - used to balance the columns on the last page
1674 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1675 % the document is modified later
1676 % \IEEEtriggeratref{14}
1677 % The "triggered" command can be changed if desired:
1678 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1679
1680 % references section
1681
1682 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1683 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1684 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1685 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1686 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1687 \bibliographystyle{IEEEtran}
1688 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1689 \bibliography{clash}
1690 %
1691 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1692 % set second argument of \begin to the number of references
1693 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1694 % \begin{thebibliography}{1}
1695
1696 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1697 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1698 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1699
1700 % \end{thebibliography}
1701
1702
1703
1704
1705 % that's all folks
1706 \end{document}
1707
1708 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: