5553760b957cfeb82083f2a6e68940693534830b
[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 \acrop{HDL}, 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 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 to 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, combined with a very concise way of specifying circuits is 
552 new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
553 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
554 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
555 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
556 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
557
558 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
559 purposes state and synchronicity, the clock is implied in the context of the 
560 research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of 
561 the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals 
562 as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this 
563 stream of values. The approach taken in this research is to make the current 
564 state an additional input and the updated state a part of the output of a 
565 function. This abstraction of state and time limits the descriptions to 
566 synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
567 add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
568 asynchronous systems.
569
570 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
571 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
572 prototype translator, which has the same name as the language: 
573 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
574 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
575 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
576 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
577
578 Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
579 the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
580 also been able to successfully translate non-trivial functional descriptions 
581 such as a streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating 
582 point numbers.
583
584 \section{Hardware description in Haskell}
585 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
586 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
587 various subsections, the relation between the language elements and their 
588 eventual netlist representation is also highlighted. 
589
590   \subsection{Function application}
591     Two basic syntactic elements of a functional program are functions
592     and function application. These have a single obvious translation to a 
593     netlist format: 
594     \begin{inparaenum}
595       \item every function is translated to a component, 
596       \item every function argument is translated to an input port,
597       \item the result value of a function is translated to an output port, 
598             and
599       \item function applications are translated to component instantiations.
600     \end{inparaenum} 
601     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
602     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
603     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
604     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
605     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
606     result of the application itself. Since every top level function generates 
607     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
608     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
609     % The separation in different components makes it easier for a developer 
610     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
611     % the \CLaSH\ compiler.
612
613     The short example (\ref{lst:code1}) demonstrated below gives an indication 
614     of the level of conciseness that can be achieved with functional hardware 
615     description languages when compared with the more traditional hardware 
616     description languages. The example is a combinational multiply-accumulate 
617     circuit that works for \emph{any} word length (this type of polymorphism 
618     will be further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding 
619     netlist is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
620     
621     \hspace{-1.7em}
622     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
623     \begin{code}
624     mac a b c = add (mul a b) c
625     \end{code}
626     \end{minipage}
627     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
628       \begin{example}
629       \label{lst:code1}
630       \end{example}
631     \end{minipage}
632     
633     \begin{figure}
634     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
635     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
636     \label{img:mac-comb}
637     \vspace{-1.5em}
638     \end{figure}
639     
640     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
641     (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
642     the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
643     Its corresponding netlist can be seen in \Cref{img:mac-comb-composite}.
644     
645     \hspace{-1.7em}
646     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
647     \begin{code}
648     mac a b c = (z, add z c)
649       where
650         z = mul a b
651     \end{code}
652     \end{minipage}
653     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
654       \begin{example}
655       \label{lst:code2}
656       \end{example}
657     \end{minipage}
658     
659     \begin{figure}
660     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
661     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
662     \label{img:mac-comb-composite}
663     \vspace{-1.5em}
664     \end{figure}
665
666   \subsection{Choice}
667     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
668     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
669     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
670     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
671     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
672     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
673     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
674     comparators and their combined output forms the selection port of the 
675     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
676     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
677     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
678     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
679     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
680     Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
681     (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
682     (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
683     sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
684     predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. The \hs{pred} 
685     variable is of the following, user-defined, enumeration datatype:
686     
687     \begin{code}
688     data Pred = Equal | NotEqual
689     \end{code}
690
691     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
692     depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
693     compared to \hs{Equal}, as an inequality immediately implies that 
694     \hs{pred} is \hs{NotEqual}.
695
696     \hspace{-1.7em}
697     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
698     \begin{code}    
699     sumif pred a b = case pred of
700       Equal -> case a == b of
701         True      -> a + b
702         False     -> 0
703       NotEqual  -> case a != b of
704         True      -> a + b
705         False     -> 0
706     \end{code}
707     \end{minipage}
708     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
709       \begin{example}
710       \label{lst:code3}
711       \end{example}
712     \end{minipage}
713
714     \hspace{-1.7em}
715     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
716     \begin{code}
717     sumif pred a b = 
718       if pred == Equal then 
719         if a == b then a + b else 0
720       else 
721         if a != b then a + b else 0
722     \end{code}
723     \end{minipage}
724     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
725       \begin{example}
726       \label{lst:code4}
727       \end{example}
728     \end{minipage}
729
730     \begin{figure}
731     \vspace{1em}
732     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
733     \caption{Choice - sumif}
734     \label{img:choice}
735     \vspace{-1.5em}
736     \end{figure}
737
738     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
739     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
740     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
741     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
742     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
743     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
744     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
745     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
746     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
747     multiplexers. A third version (\ref{lst:code5}) of the earlier example, 
748     now using both pattern matching and guards, can be seen below. The guard 
749     is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
750     assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to 
751     \hs{true}.
752     
753     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
754     naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
755     versions of the example.
756     
757     \hspace{-1.7em}
758     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
759     \begin{code}
760     sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
761                           | otherwise   = 0
762     sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
763                           | otherwise   = 0
764     \end{code}
765     \end{minipage}
766     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
767       \begin{example}
768       \label{lst:code5}
769       \end{example}
770     \end{minipage}
771
772     % \begin{figure}
773     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
774     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
775     % \label{img:choice}
776     % \end{figure}
777
778   \subsection{Types}
779     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
780     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
781     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
782     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
783     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
784     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
785     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
786     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
787     translate the user-defined types, which are described later on.
788
789     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
790     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
791     type signature. % (even if it is good practice to do so).
792     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
793     concrete/monomorphic types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
794     polymorphic functions to functions with concrete types.
795   
796     % Translation of two most basic functional concepts has been
797     % discussed: function application and choice. Before looking further
798     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
799     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
800     % descriptions will be discussed.
801     % 
802     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
803     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
804     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
805     % 
806     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
807     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
808     % define his own types, which will be translated into hardware types
809     % using translation rules that are discussed later on.
810
811   \subsubsection{Built-in types}
812     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
813     compiler:
814     \begin{xlist}
815       \item[\bf{Bit}]
816         the most basic type available. It can have two values:
817         \hs{Low} or \hs{High}. 
818         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
819       \item[\bf{Bool}]
820         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
821         or \hs{False}. 
822         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
823         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
824         % \hs{High}). 
825         Supporting the Bool type is required in order to support the
826         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
827         the condition.
828       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
829         these are types to represent integers and both are parametrizable in 
830         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
831         these types is \emph{wrap-around}.
832         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
833
834         % \begin{code}
835         % type Word32 = SizedWord D32
836         % \end{code}
837
838         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
839         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
840         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
841         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
842         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
843         % \texttt{signed} respectively.
844       \item[\bf{Vector}]
845         this is a vector type that can contain elements of any other type and
846         has a static length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
847         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
848         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
849         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
850         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
851         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
852         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
853         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
854         % be:
855
856         % \begin{code}
857         % type RegisterState = Vector D8 Word32
858         % \end{code}
859
860         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
861         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
862         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
863         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
864         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
865         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
866       \item[\bf{Index}]
867         this is another type to describe integers, but unlike the previous
868         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
869         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
870         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
871         implicitly zero. If a value of this type exceeds either bounds, an 
872         error will be thrown at simulation-time. The main purpose of the 
873         \hs{Index} type is to be used as an index into a \hs{Vector}.
874
875         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
876         % the 8 element vector above, we would do:
877
878         % \begin{code}
879         % type RegisterIndex = RangedWord D7
880         % \end{code}
881
882         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
883         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
884         % other words, this defines an unsigned word with values from
885         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
886         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
887         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
888     \end{xlist}
889
890   \subsubsection{User-defined types}
891     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
892     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
893     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
894     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
895     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
896     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
897     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
898     % compiler.
899
900     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
901     completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
902     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
903     and a type renaming requires an explicit conversion. Type synonyms and 
904     type renaming do not need any particular translation, a synonym or 
905     renamed type will just use the same representation as the original type. 
906     
907     For algebraic types, we can make the following distinctions:
908     \begin{xlist}
909       \item[\bf{Single constructor}]
910         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
911         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
912         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
913         as single constructor algebraic types (but with a bit of
914         syntactic sugar). An example of a single constructor type with 
915         multiple fields is the following pair of integers:
916         \begin{code}
917         data IntPair = IntPair Int Int
918         \end{code}
919         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
920         % for every field in the constructor.
921       \item[\bf{No fields}]
922         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
923         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
924         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
925         defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
926         for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
927         enumeration type is the type that represents the colors in a traffic 
928         light:
929         \begin{code}
930         data TrafficLight = Red | Orange | Green
931         \end{code}
932         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
933         % value for each constructor. This allows references to these 
934         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
935         % value.
936       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
937         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
938         one of these constructors has one or more fields are currently not 
939         supported.
940     \end{xlist}
941
942   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
943     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
944     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
945     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
946     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
947     without mention of any specific type and can be used transparently with 
948     any number of new types.
949
950     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
951     the following \hs{append} function, which appends an element to a
952     vector:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
953     with its type.}
954     
955     \begin{code}
956     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
957     \end{code}
958
959     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
960     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
961     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
962     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
963     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
964     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
965     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
966     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
967     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
968     functions, as we will see in the next section.
969
970     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
971     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
972     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
973     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
974     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
975     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
976     function, and class instances define the functionality for the specific 
977     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
978     contains all of Haskell's numerical operations. A designer can make use 
979     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
980     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
981     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
982     overloaded functions associated with the type class. 
983     
984     An example of a type signature that includes such a constraint if the 
985     signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
986     \begin{code}
987     sum :: Num a => [a|n] -> a
988     \end{code}
989
990     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
991     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
992     the compiler knows that the addition (+) operator is defined for that 
993     type. 
994     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
995     % class. 
996     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
997     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
998
999     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
1000     function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
1001     developer can also specify his own type classes and corresponding 
1002     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1003     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1004     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1005     any polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1006     polymorphic as the function is never applied and consequently there is no 
1007     way to determine the actual types for the type parameters. 
1008     
1009     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1010     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1011     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1012     operators of \hs{Eq}, and the comparison/order operators of \hs{Ord}.
1013
1014   \subsection{Higher-order functions \& values}
1015     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1016     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1017     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1018     value and be passed around, even as the argument of another
1019     function. The following example should clarify this concept:
1020     
1021     \hspace{-1.7em}
1022     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1023     %format not = "\mathit{not}"
1024     \begin{code}
1025     negateVector xs = map not xs
1026     \end{code}
1027     \end{minipage}
1028     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1029       \begin{example}
1030       \label{lst:code6}
1031       \end{example}
1032     \end{minipage}
1033
1034     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1035     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1036     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1037     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1038     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1039     elements in the vector.
1040
1041     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1042     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1043     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1044     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1045     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1046     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1047     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1048     input vector. All of these characteristics  can readily be inferred from 
1049     the type signature belonging to \hs{map}:
1050
1051     \begin{code}
1052     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1053     \end{code}
1054
1055     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1056     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1057     partial application and lambda abstraction. Partial application
1058     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1059     to a single argument, and the result will again be a function (but
1060     that takes one argument less). As an example, consider the following
1061     expression, that adds one to every element of a vector:
1062
1063     \hspace{-1.7em}
1064     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1065     \begin{code}
1066     map (add 1) xs
1067     \end{code}
1068     \end{minipage}
1069     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1070       \begin{example}
1071       \label{lst:code7}
1072       \end{example}
1073     \end{minipage}
1074
1075     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1076     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1077     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1078     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1079     expression, which again adds one to every element of a vector:
1080
1081     \hspace{-1.7em}
1082     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1083     \begin{code}
1084     map (\x -> x + 1) xs
1085     \end{code}
1086     \end{minipage}
1087     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1088       \begin{example}
1089       \label{lst:code8}
1090       \end{example}
1091     \end{minipage}
1092
1093     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1094     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1095     functions as arguments. This allows the circuit designer to use a 
1096     powerful amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1097     function: if a function-typed argument is not applied with an actual 
1098     function, no hardware can be generated.    
1099
1100     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1101
1102   \subsection{State}
1103     A very important concept in hardware is the concept of state. In a 
1104     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
1105     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1106     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1107     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1108
1109     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
1110     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1111     conditions:
1112     \begin{inparaenum}
1113       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1114       both cases, and
1115       \item that the function has no observable side-effects.
1116     \end{inparaenum}
1117     % This purity property is important for functional languages, since it 
1118     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1119     % correct for impure functions. 
1120     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1121     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1122     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1123     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1124     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1125     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1126     the current state an additional argument of the function, and the 
1127     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1128     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1129     
1130     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1131     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1132     \Cref{img:mac-state}:
1133     
1134     \hspace{-1.7em}
1135     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1136     \begin{code}
1137     macS (State c) a b = (State c', c')
1138       where
1139         c' = mac a b c
1140     \end{code}
1141     \end{minipage}
1142     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1143       \begin{example}
1144       \label{lst:code9}
1145       \end{example}
1146     \end{minipage}
1147     
1148     \begin{figure}
1149     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1150     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1151     \label{img:mac-state}
1152     \vspace{-1.5em}
1153     \end{figure}
1154     
1155     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1156     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1157     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1158     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1159     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1160     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1161     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1162     combination with the existing code and language features, such as all the 
1163     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1164     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1165     
1166     \hspace{-1.7em}
1167     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1168     \begin{code}
1169     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1170       where
1171         (s', o) = f s i
1172     \end{code}
1173     \end{minipage}
1174     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1175       \begin{example}
1176       \label{lst:code10}
1177       \end{example}
1178     \end{minipage}
1179     
1180     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1181     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1182     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1183     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1184     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1185     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1186     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1187     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1188     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1189     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1190     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1191     described earlier.
1192     
1193     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1194     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1195     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1196     Haskell interpreter. Both simulation paths are much faster than first 
1197     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1198     simulation.
1199     
1200 \section{The \CLaSH\ compiler}
1201 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1202 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1203 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1204 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1205
1206 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1207 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1208 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1209 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1210 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1211 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1212 \Cref{img:compilerpipeline}.
1213
1214 \begin{figure}
1215 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1216 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1217 \label{img:compilerpipeline}
1218 \vspace{-1.5em}
1219 \end{figure}
1220
1221 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1222 Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1223 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1224 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1225 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1226 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1227 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1228 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1229 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1230 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1231 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1232 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1233 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1234 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1235 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1236 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1237
1238 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1239 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1240 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1241 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
1242 \VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
1243
1244 \section{Use cases}
1245 \label{sec:usecases}
1246 \subsection{FIR Filter}
1247 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1248 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1249 basically the dot-product of two vectors:
1250
1251 \begin{equation}
1252 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1253 \end{equation}
1254
1255 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1256 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1257 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1258 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1259 shown below:
1260
1261 \begin{equation}
1262 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1263 \end{equation}
1264
1265 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1266 using higher-order functions:
1267
1268 \hspace{-1.7em}
1269 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1270 \begin{code}
1271 as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
1272 \end{code}
1273 \end{minipage}
1274 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1275   \begin{example}
1276   \label{lst:code13}
1277   \end{example}
1278 \end{minipage}
1279
1280 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1281 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1282 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1283 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1284
1285 The \hs{foldl1} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1286 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1287 function to the result of the first application and the next element in the 
1288 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1289 the \hs{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
1290 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1291 \hs{foldl1 (+)} function is summation.
1292 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1293 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1294 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1295 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1296 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1297 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1298 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1299 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1300 % transformation to code):
1301
1302 % \begin{equation}
1303 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1304 % \end{equation}
1305 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1306
1307 \hspace{-1.7em}
1308 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1309 \begin{code}
1310 fir (State (xs,hs)) x = 
1311   (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1312 \end{code}
1313 \end{minipage}
1314 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1315   \begin{example}
1316   \label{lst:code14}
1317   \end{example}
1318 \end{minipage}
1319
1320 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1321 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1322 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1323 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1324 code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1325 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1326 is shown below:
1327
1328 \hspace{-1.7em}
1329 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1330 \begin{code}
1331 x >> xs = x +> init xs  
1332 \end{code}
1333 \end{minipage}
1334 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1335   \begin{example}
1336   \label{lst:code15}
1337   \end{example}
1338 \end{minipage}
1339
1340 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1341 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1342 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1343 \Cref{img:4tapfir}.
1344
1345 \begin{figure}
1346 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1347 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1348 \label{img:4tapfir}
1349 \vspace{-1.5em}
1350 \end{figure}
1351
1352 \subsection{Higher-order CPU}
1353 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher order
1354 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1355 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1356 common operations.
1357
1358 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1359 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1360 previous outputs of each function units, along with the single data input the 
1361 \acro{CPU} has and two fixed initialization values.
1362
1363 Each of the function units has both its operands connected to all data
1364 sources, and can be programmed to select any data source for either
1365 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1366 opcode input to select the operation it performs. The output of the rightmost 
1367 function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
1368
1369 Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
1370 arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
1371 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1372 but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
1373 of two arguments that defines the operation.
1374
1375 \hspace{-1.7em}
1376 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1377 \begin{code}
1378 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1379   where
1380     in1     = inputs!addr1
1381     in2     = inputs!addr2
1382     regIn   = op in1 in2
1383 \end{code}
1384 \end{minipage}
1385 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1386   \begin{example}
1387   \label{lst:code16}
1388   \end{example}
1389 \end{minipage}
1390
1391 The \hs{multiop} function defines the operation that takes place in the
1392 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU}
1393 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1394 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1395 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1396 the bitwise xor of its operands.
1397
1398 \hspace{-1.7em}
1399 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1400 \begin{code}
1401 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1402
1403 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1404 multiop Shift   a b                 = shift a b
1405 multiop Xor     a b                 = xor a b
1406 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1407                       | otherwise   = 0
1408 \end{code}
1409 \end{minipage}
1410 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1411   \begin{example}
1412   \label{lst:code17}
1413   \end{example}
1414 \end{minipage}
1415
1416 The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1417 function four times, to create a different function unit each time. The
1418 first application is interesting, because it does not just pass a
1419 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1420 shows how the first function unit effectively gets an extra input,
1421 compared to the others.
1422
1423 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1424 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1425 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1426 their operand. The application of the function units to the \hs{inputs} and
1427 \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1428 a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1429 However, the prototype compiler does not currently support working with lists 
1430 of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1431
1432 \hspace{-1.7em}
1433 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1434 \begin{code}
1435 type CpuState = State [Word | 4]
1436
1437 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1438        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1439 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1440   where
1441     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1442               , fu add            inputs (addrs!1)
1443               , fu sub            inputs (addrs!2)
1444               , fu mul            inputs (addrs!3)
1445               ]
1446     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1447     out       =   head s'
1448 \end{code}
1449 \end{minipage}
1450 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1451   \begin{example}
1452   \label{lst:code18}
1453   \end{example}
1454 \end{minipage}
1455
1456 This is still a simple example, but it could form the basis
1457 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1458
1459 \section{Related work}
1460 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1461 description languages and highlights the advantages that this research has 
1462 over existing work.
1463
1464 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1465 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1466 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1467 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1468 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1469 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1470
1471 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1472 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1473 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1474 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1475 be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
1476 simulated in a \VHDL\ simulator. Certain aspects of HML, such as higher-order
1477 functions are however not supported by the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The 
1478 \CLaSH\ compiler on the other hand can correctly translate all of the language 
1479 constructs mentioned in this paper. % to a netlist format.
1480
1481 \begin{figure}
1482 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1483 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1484 \label{img:highordcpu}
1485 \vspace{-1.5em}
1486 \end{figure}
1487
1488 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1489 description languages have some sort of foundation in the functional 
1490 programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe 
1491 system-level executable specifications used to model the behavior of 
1492 superscalar microprocessors. Hawk specifications can be simulated; to the best 
1493 knowledge of the authors there is however no support for automated circuit 
1494 synthesis. 
1495
1496 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1497 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1498 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1499 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1500 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1501 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1502 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1503 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1504 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1505 explicit conversions, where function have to be wrapped in processes and 
1506 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1507 instantiations of components, also makes ForSyDe more verbose than \CLaSH.
1508
1509 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language, embedded in Haskell, and 
1510 focuses on the structural representation of hardware. Like \CLaSH, Lava has 
1511 support for polymorphic types and higher-order functions. Besides support for 
1512 simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with 
1513 formal method tools for formal verification. As discussed in the introduction, 
1514 taking the embedded language approach does not allow for Haskell's choice 
1515 elements to be captured within the circuit descriptions. In this respect 
1516 \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice elements, such as 
1517 \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized to choice elements 
1518 in the eventual circuit. Consequently, descriptions containing rich control 
1519 structures can be specified in a more user-friendly way in \CLaSH\ than possible within Lava, and are hence less error-prone.
1520
1521 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1522 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1523 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1524 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1525 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1526 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1527 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1528 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1529
1530 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1531 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1532 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1533 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1534 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1535 subprograms still require an explicit generic map, whereas types can be 
1536 automatically inferred, and function-values can be automatically propagated 
1537 by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally available) \VHDL\ 
1538 synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
1539
1540 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1541
1542 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1543 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1544 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1545
1546 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1547 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1548 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1549 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1550 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1551 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1552 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1553 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1554 %
1555 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1556 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1557 % displayed while in draft mode.
1558 %
1559 %\begin{figure}[!t]
1560 %\centering
1561 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1562 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1563 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1564 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1565 %\caption{Simulation Results}
1566 %\label{fig_sim}
1567 %\end{figure}
1568
1569 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1570 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1571
1572
1573 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1574 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1575 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1576 % \label for the overall figure must come after \caption.
1577 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1578 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1579 % used instead of \subfloat.
1580 %
1581 %\begin{figure*}[!t]
1582 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1583 %\label{fig_first_case}}
1584 %\hfil
1585 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1586 %\label{fig_second_case}}}
1587 %\caption{Simulation results}
1588 %\label{fig_sim}
1589 %\end{figure*}
1590 %
1591 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1592 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1593 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1594
1595
1596 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1597 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1598 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1599 % The \label must come after \caption as always.
1600 %
1601 %\begin{table}[!t]
1602 %% increase table row spacing, adjust to taste
1603 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1604 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1605 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1606 %\caption{An Example of a Table}
1607 %\label{table_example}
1608 %\centering
1609 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1610 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1611 %\begin{tabular}{|c||c|}
1612 %\hline
1613 %One & Two\\
1614 %\hline
1615 %Three & Four\\
1616 %\hline
1617 %\end{tabular}
1618 %\end{table}
1619
1620
1621 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1622 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1623 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1624 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1625 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1626 % command of the stfloats package.
1627
1628
1629
1630 \section{Conclusion}
1631 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1632 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1633 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1634 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1635 choice elements, such as pattern matching, that are well suited to describe 
1636 the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides being able 
1637 to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1638 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1639 polymorphic types and function-valued arguments.
1640
1641 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1642 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1643 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1644 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1645 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1646 languages do not offer.
1647
1648 \section{Future Work}
1649 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1650 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1651 usually very clear, one finds that dealing with unpacking, passing, receiving 
1652 and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
1653 of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
1654 abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
1655
1656 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1657 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1658 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1659 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1660 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1661 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1662 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1663 earlier mentioned properties do indeed exist.
1664
1665 % conference papers do not normally have an appendix
1666
1667
1668 % use section* for acknowledgement
1669 % \section*{Acknowledgment}
1670
1671 % The authors would like to thank...
1672
1673 % trigger a \newpage just before the given reference
1674 % number - used to balance the columns on the last page
1675 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1676 % the document is modified later
1677 % \IEEEtriggeratref{14}
1678 % The "triggered" command can be changed if desired:
1679 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1680
1681 % references section
1682
1683 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1684 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1685 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1686 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1687 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1688 \bibliographystyle{IEEEtran}
1689 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1690 \bibliography{clash}
1691 %
1692 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1693 % set second argument of \begin to the number of references
1694 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1695 % \begin{thebibliography}{1}
1696
1697 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1698 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1699 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1700
1701 % \end{thebibliography}
1702
1703
1704
1705
1706 % that's all folks
1707 \end{document}
1708
1709 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: