5819c83dd48d7da7398a0c20748dd62278d876d2
[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 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
67 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73 % Some very useful LaTeX packages include:
74 % (uncomment the ones you want to load)
75
76 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
77 %
78 %\usepackage{ifpdf}
79 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
80 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
81 % usage:
82 % \ifpdf
83 %   % pdf code
84 % \else
85 %   % dvi code
86 % \fi
87 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
88 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
89 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
90 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
91 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
92 % have to be run twice to clear warning/error messages.
93
94
95
96
97
98
99 % *** CITATION PACKAGES ***
100 %
101 \usepackage{cite}
102 % cite.sty was written by Donald Arseneau
103 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
104 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
105 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
106 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
107 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
108 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
109 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
110 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
111 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
112 % not currently provide for hyperlinked citations.
113 % The latest version can be obtained at:
114 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
115 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
116
117
118
119
120
121
122 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
123 %
124 \ifCLASSINFOpdf
125   \usepackage[pdftex]{graphicx}
126   % declare the path(s) where your graphic files are
127   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
128   % and their extensions so you won't have to specify these with
129   % every instance of \includegraphics
130   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
131 \else
132   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
133   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
134   % driver is specified.
135   % \usepackage[dvips]{graphicx}
136   % declare the path(s) where your graphic files are
137   % \graphicspath{{../eps/}}
138   % and their extensions so you won't have to specify these with
139   % every instance of \includegraphics
140   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
141 \fi
142 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
143 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
144 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
145 % be obtained at: 
146 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
147 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
148 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
149 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
150 %
151 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
152 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
153 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
154 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
155 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
156 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
157 % well as large increases in file sizes.
158 %
159 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
160 % http://www.tug.org/applications/pdftex
161
162
163
164
165
166 % *** MATH PACKAGES ***
167 %
168 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
169 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
170 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
171 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
172 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
173 % it is possible that some math symbols, particularly those within
174 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
175 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
176 %
177 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
178 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
179 %\interdisplaylinepenalty=2500
180 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
181 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
182 % version and documentation can be obtained at:
183 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
184
185
186
187
188
189 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
190 %
191 %\usepackage{algorithmic}
192 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
193 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
194 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
195 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
196 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
197 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
198 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
199 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
200 % algorithmic.sty can be obtained at:
201 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
202 % There is also a support site at:
203 % http://algorithms.berlios.de/index.html
204 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
205 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
207
208
209
210
211 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
212 %
213 %\usepackage{array}
214 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
215 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
216 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
217 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
218 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
219 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
220 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
221 % latest version and documentation can be obtained at:
222 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
223
224
225 %\usepackage{mdwmath}
226 %\usepackage{mdwtab}
227 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
228 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
229 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
230 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
231 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
232
233
234 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
235 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
236 % quality.
237
238
239 %\usepackage{eqparbox}
240 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
241 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
242 % Available at:
243 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
244
245
246
247
248
249 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
250 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
251 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
252 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
253 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
254 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
255 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
256 % be obtained at:
257 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
258 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
259
260
261
262 %\usepackage[caption=false]{caption}
263 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
264 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
265 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
266 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
267 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
268 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
269 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
270 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
271 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
272 % the caption=false option directly:
273 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
274 %
275 % The latest version and documentation can be obtained at:
276 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
277 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
278 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
279
280
281
282
283 % *** FLOAT PACKAGES ***
284 %
285 %\usepackage{fixltx2e}
286 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
287 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
288 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
289 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
290 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
291 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
292 % figure. The latest version and documentation can be found at:
293 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
294
295
296
297 %\usepackage{stfloats}
298 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
299 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
300 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
301 % LaTeX2e). It also provides a command:
302 %\fnbelowfloat
303 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
304 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
305 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
306 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
307 % version and documentation can be obtained at:
308 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
309 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
310 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
311 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
312 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
313 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
314 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
315 % not format its papers in such ways.
316
317
318
319
320
321 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
322 %
323 %\usepackage{url}
324 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
325 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
326 % systems. The latest version can be obtained at:
327 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
328 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
329 % \url{my_url_here}.
330
331
332
333
334
335 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
336 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
337 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
338 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
339 % to submit to, of course. )
340
341 % correct bad hyphenation here
342 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
343
344 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
345 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
346 \def\acro#1{{\small{#1}}}
347 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
348 \def\GHC{\acro{GHC}}
349 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
350
351 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
352 % we'll get something more complex later on.
353 \def\hs#1{\texttt{#1}}
354 \def\quote#1{``{#1}"}
355
356 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
357   \begin{list}{}{%
358     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
359     \setlength{\labelsep}{0.5cm}
360     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
361     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
362     \setlength{\rightmargin}{0pt}
363     \setlength{\listparindent}{\parindent}
364     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
365     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
366     }
367   }
368 {\end{list}}
369
370 \usepackage{paralist}
371 \usepackage{xcolor}
372 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
373
374 %include polycode.fmt
375 %include clash.fmt
376
377 \begin{document}
378 %
379 % paper title
380 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
381 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
382
383
384 % author names and affiliations
385 % use a multiple column layout for up to three different
386 % affiliations
387 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
388 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
389 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
390 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl}}
391 % \and
392 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
393 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
394 % Springfield, USA\\
395 % Email: homer@thesimpsons.com}
396 % \and
397 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
398 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
399 % San Francisco, California 96678-2391\\
400 % Telephone: (800) 555--1212\\
401 % Fax: (888) 555--1212}}
402
403 % conference papers do not typically use \thanks and this command
404 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
405 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
406 % after \documentclass
407
408 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
409 % of the page, use this alternative format:
410
411 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
412 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
413 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
414 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
415 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
416 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
417 %Georgia Institute of Technology,
418 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
419 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
420 %Email: homer@thesimpsons.com}
421 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
422 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
423 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
424
425
426
427
428 % use for special paper notices
429 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
430
431
432
433
434 % make the title area
435 \maketitle
436
437
438 \begin{abstract}
439 %\boldmath
440 The abstract goes here.
441 \end{abstract}
442 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
443 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
444 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
445 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
446 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
447 % math in the abstract anyway.
448
449 % no keywords
450
451
452
453
454 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
455 % page as needed:
456 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
457 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
458 % \fi
459 %
460 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
461 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
462 \IEEEpeerreviewmaketitle
463
464
465 \section{Introduction}
466 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
467 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
468 Hardware description languages, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
469 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
470 programming language. These standard languages are very good at describing 
471 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
472 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
473 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
474 functional languages has been proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,
475 ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
476 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981, muFP,DAISY,FHDL}, 
477 a time which also saw the birth of the currently popular hardware description 
478 languages such as \VHDL. The merit of using a functional language to describe 
479 hardware comes from the fact that basic combinatorial circuits are equivalent 
480 to mathematical functions and that functional languages are very good at 
481 describing and composing mathematical functions.
482
483 In an attempt to decrease the amount of work involved with creating all the 
484 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional hardware 
485 description languages are embedded as a domain specific language inside the 
486 functional language Haskell \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}. This 
487 means that a developer is given a library of Haskell~\cite{Haskell} functions 
488 and types that together form the language primitives of the domain specific 
489 language. As a result of how the signals are modeled and abstracted, the 
490 functions used to describe a circuit also build a large domain-specific 
491 datatype (hidden from the designer) which can be further processed by an 
492 embedded compiler. This compiler actually runs in the same environment as the 
493 description; as a result compile-time and run-time become hard to define, as 
494 the embedded compiler is usually compiled by the same Haskell compiler as the 
495 circuit description itself.
496
497 The approach taken in this research is not to make another domain specific 
498 language embedded in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language 
499 itself for the purpose of describing hardware. By taking this approach, we can 
500 capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
501 (if-constructs, case-constructs, pattern matching, etc.), which are not 
502 available in the functional hardware description languages that are embedded 
503 in Haskell as a domain specific languages. As far as the authors know, such 
504 extensive support for choice-elements is new in the domain of functional 
505 hardware description language. As the hardware descriptions are plain Haskell 
506 functions, these descriptions can be compiled for simulation using using the 
507 optimizing Haskell compiler \GHC.
508
509 Where descriptions in a conventional hardware description language have an 
510 explicit clock for the purpose state and synchronicity, the clock is implied 
511 in this research. The functions describe the behavior of the hardware between 
512 clock cycles, as such, only synchronous systems can be described. Many 
513 functional hardware description models signals as a stream of all values over 
514 time; state is then modeled as a delay on this stream of values. The approach 
515 taken in this research is to make the current state of a circuit part of the 
516 input of the function and the updated state part of the output.
517
518 Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
519 functional hardware description language must eventually be converted into a 
520 netlist. This research also features a prototype translator called \CLaSH\ 
521 (pronounced: clash), which converts the Haskell code to equivalently behaving 
522 synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format 
523 by an optimizing \VHDL\ synthesis tools.
524
525 \section{Hardware description in Haskell}
526
527   \subsection{Function application}
528     The basic syntactic elements of a functional program are functions
529     and function application. These have a single obvious \VHDL\
530     translation: each top level function becomes a hardware component,
531     where each argument is an input port and the result value is the
532     (single) output port. This output port can have a complex type (such
533     as a tuple), so having just a single output port does not create a
534     limitation.
535
536     Each function application in turn becomes a component instantiation.
537     Here, the result of each argument expression is assigned to a
538     signal, which is mapped to the corresponding input port. The output
539     port of the function is also mapped to a signal, which is used as
540     the result of the application itself.
541
542     Since every top level function generates its own component, the
543     hierarchy of function calls is reflected in the final \VHDL\
544     output as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the
545     hardware.  This separation in different components makes the
546     resulting \VHDL\ output easier to read and debug.
547
548     Example that defines the \texttt{mac} function by applying the
549     \texttt{add} and \texttt{mul} functions to calculate $a * b + c$:
550
551 \begin{code}
552 mac a b c = add (mul a b) c
553 \end{code}
554
555 \begin{figure}
556 \centerline{\includegraphics{mac}}
557 \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (curried)}
558 \label{img:mac-comb}
559 \end{figure}
560
561 \begin{figure}
562 \centerline{\includegraphics{mac-nocurry}}
563 \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (uncurried)}
564 \label{img:mac-comb-nocurry}
565 \end{figure}
566
567   \subsection{Choices}
568     Although describing components and connections allows describing a
569     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
570     choice. We need some way to be able to choose between values based
571     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
572     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
573
574     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
575     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
576     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
577     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
578     conditions use equality comparisons against the constructors in the
579     \hs{case} expressions.
580
581     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
582     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
583     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
584     pattern, the corresponding clause will be used.
585
586     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
587     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
588     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
589     guard.
590
591     Contrived example that sums two values when they are equal or
592     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
593     otherwise. This shows three implementations, one using and if
594     expression, one using only case expressions and one using pattern
595     matching and guards.
596
597     \begin{code}
598     sumif pred a b =  if  pred == Eq && a == b ||
599                           pred == Neq && a != b
600                       then  a + b
601                       else  0
602
603     sumif pred a b = case pred of
604       Eq ->   case a == b of
605         True    -> a + b
606         False   -> 0
607       Neq ->  case a != b of
608         True    -> a + b
609         False   -> 0
610
611     sumif Eq a b    | a == b = a + b
612     sumif Neq a b   | a != b = a + b
613     sumif _ _ _     = 0
614     \end{code}
615
616   \comment{TODO: Pretty picture}
617
618   \subsection{Types}
619     Translation of two most basic functional concepts has been
620     discussed: function application and choice. Before looking further
621     into less obvious concepts like higher-order expressions and
622     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
623     descriptions will be discussed.
624
625     Some way is needed to translate every value used to its hardware
626     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
627     every \emph{type} used in a hardware description is needed.
628
629     The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
630     translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
631     define his own types, which will be translated into hardware types
632     using translation rules that are discussed later on.
633
634   \subsection{Built-in types}
635     \begin{xlist}
636       \item[\hs{Bit}]
637         This is the most basic type available. It can have two values:
638         \hs{Low} and \hs{High}. It is mapped directly onto the
639         \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
640       \item[\hs{Bool}]
641         This is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
642         and \hs{False}. It is translated to \texttt{std\_logic} exactly
643         like the \hs{Bit} type (where a value of \hs{True} corresponds
644         to a value of \hs{High}). Supporting the Bool type is
645         particularly useful to support \hs{if ... then ... else ...}
646         expressions, which always have a \hs{Bool} value for the
647         condition.
648       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
649         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
650         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
651         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
652         follows:
653
654         \begin{code}
655         type Word32 = SizedWord D32
656         \end{code}
657
658         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
659         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
660         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
661         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These types are 
662         translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and \texttt{signed} 
663         respectively.
664       \item[\hs{Vector}]
665         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
666         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
667         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
668         contained in it. The state type of an 8 element register bank would 
669         then for example be:
670
671         \begin{code}
672         type RegisterState = Vector D8 Word32
673         \end{code}
674
675         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
676         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
677         type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
678         (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
679         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
680         vector is translated to a \VHDL\ array type.
681       \item[\hs{RangedWord}]
682         This is another type to describe integers, but unlike the previous
683         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
684         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
685         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
686         implicitly zero. The main purpose of the \hs{RangedWord} type is to be 
687         used as an index to a \hs{Vector}.
688
689         \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
690         the 8 element vector above, we would do:
691
692         \begin{code}
693         type RegisterIndex = RangedWord D7
694         \end{code}
695
696         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
697         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
698         other words, this defines an unsigned word with values from
699         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
700         8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated to 
701         the \texttt{unsigned} \VHDL type.
702     \end{xlist}
703
704   \subsection{User-defined types}
705     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
706     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
707     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
708     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
709     existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard
710     Haskell. These are not currently supported.
711
712     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
713     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
714     below. Type synonyms and renamings only define new names for
715     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
716     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
717     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
718     just use the same representation as the original type. The
719     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
720     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
721
722     For algebraic types, we can make the following distinction: 
723
724     \begin{xlist}
725       \item[\bf{Single constructor}]
726         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
727         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
728         record-like structure. An example of such a type is the following pair 
729         of integers:
730
731 \begin{code}
732 data IntPair = IntPair Int Int
733 \end{code}
734
735         Haskell's builtin tuple types are also defined as single
736         constructor algebraic types and are translated according to this
737         rule by the \CLaSH\ compiler. These types are translated to \VHDL\ 
738         record types, with one field for every field in the constructor.
739       \item[\bf{No fields}]
740         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
741         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
742         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
743         defined as an enumeration type, but we have a fixed translation for 
744         that. These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
745         value for each constructor. This allows references to these 
746         constructors to be translated to the corresponding enumeration value.
747       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
748         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
749         one of these constructors has one or more fields are not
750         currently supported.
751     \end{xlist}
752
753   \subsection{Polymorphic functions}
754     A powerful construct in most functional language is polymorphism.
755     This means the arguments of a function (and consequentially, values
756     within the function as well) do not need to have a fixed type.
757     Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning a
758     function's type can be parameterized with another type.
759
760     As an example of a polymorphic function, consider the following
761     \hs{append} function's type:
762     
763     TODO: Use vectors instead of lists?
764
765     \begin{code}
766     append :: [a] -> a -> [a]
767     \end{code}
768
769     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
770     all. This means that append can append an element to a list,
771     regardless of the type of the elements in the list (but the element
772     added must match the elements in the list, since there is only one
773     \hs{a}).
774
775     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to
776     make operations work on a vector without knowing exactly what elements
777     are inside, routing signals without knowing exactly what kinds of
778     signals these are, or working with a vector without knowing exactly
779     how long it is. Polymorphism also plays an important role in most
780     higher order functions, as we will see in the next section.
781
782     The previous example showed unconstrained polymorphism (TODO: How is
783     this really called?): \hs{a} can have \emph{any} type. Furthermore,
784     Haskell supports limiting the types of a type parameter to specific
785     class of types. An example of such a type class is the \hs{Num}
786     class, which contains all of Haskell's numerical types.
787
788     Now, take the addition operator, which has the following type:
789
790     \begin{code}
791     (+) :: Num a => a -> a -> a
792     \end{code}
793
794     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
795     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}.
796     Our numerical built-in types are also instances of the \hs{Num}
797     class, so we can use the addition operator on \hs{SizedWords} as
798     well as on {SizedInts}.
799
800     In \CLaSH, unconstrained polymorphism is completely supported. Any
801     function defined can have any number of unconstrained type
802     parameters. The \CLaSH compiler will infer the type of every such
803     argument depending on how the function is applied. There is one
804     exception to this: The top level function that is translated, can
805     not have any polymorphic arguments (since it is never applied, so
806     there is no way to find out the actual types for the type
807     parameters).
808
809     \CLaSH does not support user-defined type classes, but does use some
810     of the builtin ones for its builtin functions (like \hs{Num} and
811     \hs{Eq}).
812
813   \subsection{State}
814     A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
815     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
816     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
817     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
818     combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
819
820     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
821     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
822     conditions:
823     \begin{inparaenum}
824       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
825       both cases, and
826       \item when the function is called, it should not have observable 
827       side-effects.
828     \end{inparaenum}
829     This purity property is important for functional languages, since it 
830     enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
831     correct for impure functions. Pure functions are as such a perfect match 
832     for a combinatorial circuit, where the output solely depends on the 
833     inputs. When a circuit has state however, it can no longer be simply
834     described by a pure function. Simply removing the purity property is not a 
835     valid option, as the language would then lose many of it mathematical 
836     properties. In an effort to include the concept of state in pure 
837     functions, the current value of the state is made an argument of the  
838     function; the updated state becomes part of the result.
839     
840     A simple example is the description of an accumulator circuit:
841     \begin{code}
842     acc :: Word -> State Word -> (State Word, Word)
843     acc inp (State s) = (State s', outp)
844       where
845         outp  = s + inp
846         s'    = outp
847     \end{code}
848     This approach makes the state of a function very explicit: which variables 
849     are part of the state is completely determined by the type signature. This 
850     approach to state is well suited to be used in combination with the 
851     existing code and language features, such as all the choice constructs, as 
852     state values are just normal values.
853 \section{\CLaSH\ prototype}
854
855 foo\par bar
856
857 \section{Related work}
858 Many functional hardware description languages have been developed over the 
859 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
860 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
861 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
862 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
863 circuits, and has a particular focus on layout. \acro{HML}~\cite{HML2} is a 
864 hardware modeling language based on the strict functional language 
865 \acro{ML}, and has support for polymorphic types and higher-order functions. 
866 Published work suggests that there is no direct simulation support for 
867 \acro{HML}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
868
869 Like this work, many functional hardware description languages have some sort 
870 of foundation in the functional programming language Haskell. 
871 Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
872 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
873 specifications can be simulated, but there seems to be no support for 
874 automated circuit synthesis. The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell 
875 to specify abstract system models, which can (manually) be transformed into an 
876 implementation model using semantic preserving transformations. ForSyDe has 
877 several simulation and synthesis backends, though synthesis is restricted to 
878 the synchronous subset of the ForSyDe language.
879
880 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
881 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
882 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
883 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
884 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
885 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
886 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
887 circuit he will have to specify this explicitly as a component. In this 
888 respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, such as 
889 case-statements and pattern matching, are synthesized to choice elements in the 
890 eventual circuit. As such, richer control structures can both be specified and 
891 synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages mentioned in this 
892 section.
893
894 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
895 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
896 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 has 
897 support to specify types as generics, thus allowing a developer to describe 
898 polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
899 generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in 
900 \CLaSH.
901
902 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
903
904 % A functional language designed specifically for hardware design is 
905 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
906 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
907
908 % An example of a floating figure using the graphicx package.
909 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
910 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
911 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
912 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
913 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
914 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
915 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
916 %
917 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
918 % option should be used if it is desired that the figures are to be
919 % displayed while in draft mode.
920 %
921 %\begin{figure}[!t]
922 %\centering
923 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
924 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
925 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
926 % via \DeclareGraphicsExtensions.
927 %\caption{Simulation Results}
928 %\label{fig_sim}
929 %\end{figure}
930
931 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
932 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
933
934
935 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
936 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
937 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
938 % \label for the overall figure must come after \caption.
939 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
940 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
941 % used instead of \subfloat.
942 %
943 %\begin{figure*}[!t]
944 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
945 %\label{fig_first_case}}
946 %\hfil
947 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
948 %\label{fig_second_case}}}
949 %\caption{Simulation results}
950 %\label{fig_sim}
951 %\end{figure*}
952 %
953 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
954 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
955 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
956
957
958 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
959 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
960 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
961 % The \label must come after \caption as always.
962 %
963 %\begin{table}[!t]
964 %% increase table row spacing, adjust to taste
965 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
966 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
967 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
968 %\caption{An Example of a Table}
969 %\label{table_example}
970 %\centering
971 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
972 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
973 %\begin{tabular}{|c||c|}
974 %\hline
975 %One & Two\\
976 %\hline
977 %Three & Four\\
978 %\hline
979 %\end{tabular}
980 %\end{table}
981
982
983 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
984 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
985 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
986 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
987 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
988 % command of the stfloats package.
989
990
991
992 \section{Conclusion}
993 The conclusion goes here.
994
995
996
997
998 % conference papers do not normally have an appendix
999
1000
1001 % use section* for acknowledgement
1002 \section*{Acknowledgment}
1003
1004
1005 The authors would like to thank...
1006
1007
1008
1009
1010
1011 % trigger a \newpage just before the given reference
1012 % number - used to balance the columns on the last page
1013 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1014 % the document is modified later
1015 %\IEEEtriggeratref{8}
1016 % The "triggered" command can be changed if desired:
1017 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1018
1019 % references section
1020
1021 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1022 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1023 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1024 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1025 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1026 \bibliographystyle{IEEEtran}
1027 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1028 \bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
1029 %
1030 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1031 % set second argument of \begin to the number of references
1032 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1033 % \begin{thebibliography}{1}
1034
1035 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1036 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1037 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1038
1039 % \end{thebibliography}
1040
1041
1042
1043
1044 % that's all folks
1045 \end{document}
1046
1047 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: