Merge branch 'master' of http://git.stderr.nl/matthijs/master-project/paper
[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 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
69 %
70 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
71 % manually specify the path to it like:
72 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
73
74 % Some very useful LaTeX packages include:
75 % (uncomment the ones you want to load)
76
77 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
78 %
79 %\usepackage{ifpdf}
80 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
81 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
82 % usage:
83 % \ifpdf
84 %   % pdf code
85 % \else
86 %   % dvi code
87 % \fi
88 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
89 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
90 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
91 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
92 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
93 % have to be run twice to clear warning/error messages.
94
95
96
97 % *** CITATION PACKAGES ***
98 %
99 \usepackage{cite}
100 % cite.sty was written by Donald Arseneau
101 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
102 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
103 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
104 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
105 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
106 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
107 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
108 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
109 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
110 % not currently provide for hyperlinked citations.
111 % The latest version can be obtained at:
112 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
113 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
114
115
116
117
118
119
120 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
121 %
122 \ifCLASSINFOpdf
123   \usepackage[pdftex]{graphicx}
124   % declare the path(s) where your graphic files are
125   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
126   % and their extensions so you won't have to specify these with
127   % every instance of \includegraphics
128   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
129 \else
130   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
131   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
132   % driver is specified.
133   % \usepackage[dvips]{graphicx}
134   % declare the path(s) where your graphic files are
135   % \graphicspath{{../eps/}}
136   % and their extensions so you won't have to specify these with
137   % every instance of \includegraphics
138   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
139 \fi
140 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
141 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
142 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
143 % be obtained at: 
144 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
145 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
146 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
147 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
148 %
149 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
150 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
151 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
152 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
153 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
154 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
155 % well as large increases in file sizes.
156 %
157 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
158 % http://www.tug.org/applications/pdftex
159
160
161
162
163
164 % *** MATH PACKAGES ***
165 %
166 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
167 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
168 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
169 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
170 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
171 % it is possible that some math symbols, particularly those within
172 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
173 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
174 %
175 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
176 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
177 %\interdisplaylinepenalty=2500
178 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
179 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
180 % version and documentation can be obtained at:
181 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
182
183
184
185
186
187 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
188 %
189 %\usepackage{algorithmic}
190 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
191 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
192 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
193 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
194 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
195 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
196 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
197 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
198 % algorithmic.sty can be obtained at:
199 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
200 % There is also a support site at:
201 % http://algorithms.berlios.de/index.html
202 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
203 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
204 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
205
206
207
208
209 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
210 %
211 %\usepackage{array}
212 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
213 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
214 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
215 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
216 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
217 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
218 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
219 % latest version and documentation can be obtained at:
220 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
221
222
223 %\usepackage{mdwmath}
224 %\usepackage{mdwtab}
225 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
226 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
227 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
228 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
229 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
230
231
232 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
233 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
234 % quality.
235
236
237 %\usepackage{eqparbox}
238 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
239 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
240 % Available at:
241 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
242
243
244
245
246
247 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
248 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
249 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
250 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
251 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
252 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
253 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
254 % be obtained at:
255 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
256 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
257
258
259
260 %\usepackage[caption=false]{caption}
261 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
262 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
263 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
264 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
265 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
266 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
267 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
268 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
269 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
270 % the caption=false option directly:
271 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
272 %
273 % The latest version and documentation can be obtained at:
274 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
275 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
276 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
277
278
279
280
281 % *** FLOAT PACKAGES ***
282 %
283 %\usepackage{fixltx2e}
284 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
285 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
286 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
287 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
288 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
289 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
290 % figure. The latest version and documentation can be found at:
291 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
292
293
294
295 %\usepackage{stfloats}
296 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
297 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
298 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
299 % LaTeX2e). It also provides a command:
300 %\fnbelowfloat
301 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
302 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
303 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
304 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
305 % version and documentation can be obtained at:
306 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
307 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
308 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
309 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
310 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
311 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
312 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
313 % not format its papers in such ways.
314
315
316
317
318
319 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
320 %
321 %\usepackage{url}
322 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
323 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
324 % systems. The latest version can be obtained at:
325 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
326 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
327 % \url{my_url_here}.
328
329
330
331
332
333 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
334 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
335 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
336 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
337 % to submit to, of course. )
338
339 % correct bad hyphenation here
340 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
341
342 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
343 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
344 \def\acro#1{{\small{#1}}}
345 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
346 \def\GHC{\acro{GHC}}
347 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
348
349 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
350 % we'll get something more complex later on.
351 \def\hs#1{\texttt{#1}}
352 \def\quote#1{``{#1}"}
353
354 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
355   \begin{list}{}{%
356     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
357     \setlength{\labelsep}{0.5em}
358     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
359     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
360     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
361     \setlength{\rightmargin}{0pt}
362     \setlength{\listparindent}{\parindent}
363     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
364     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
365     }
366   }
367 {\end{list}}
368
369 \usepackage{paralist}
370 \usepackage{xcolor}
371 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
372
373 \usepackage{cleveref}
374 \crefname{figure}{figure}{figures}
375 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
376 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
377
378 \usepackage{epstopdf}
379
380 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
381
382 %include polycode.fmt
383 %include clash.fmt
384
385 \begin{document}
386 %
387 % paper title
388 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
389 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
390
391
392 % author names and affiliations
393 % use a multiple column layout for up to three different
394 % affiliations
395 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
396 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
397 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
398 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}}
399 % \and
400 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
401 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
402 % Springfield, USA\\
403 % Email: homer@thesimpsons.com}
404 % \and
405 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
406 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
407 % San Francisco, California 96678-2391\\
408 % Telephone: (800) 555--1212\\
409 % Fax: (888) 555--1212}}
410
411 % conference papers do not typically use \thanks and this command
412 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
413 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
414 % after \documentclass
415
416 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
417 % of the page, use this alternative format:
418
419 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
420 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
421 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
422 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
423 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
424 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
425 %Georgia Institute of Technology,
426 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
427 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
428 %Email: homer@thesimpsons.com}
429 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
430 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
431 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
432
433
434
435
436 % use for special paper notices
437 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
438
439
440
441
442 % make the title area
443 \maketitle
444
445
446 \begin{abstract}
447 %\boldmath
448 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
449 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. Circuit 
450 descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the prototype 
451 \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions are made in plain Haskell, 
452 simulations can also be compiled by a Haskell compiler.
453
454 The use of polymorphism and higher-order functions allow a circuit designer to 
455 describe more abstract and general specifications than are possible in the 
456 traditional hardware description languages.
457 \end{abstract}
458 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
459 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
460 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
461 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
462 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
463 % math in the abstract anyway.
464
465 % no keywords
466
467
468
469
470 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
471 % page as needed:
472 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
473 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
474 % \fi
475 %
476 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
477 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
478 \IEEEpeerreviewmaketitle
479
480
481 \section{Introduction}
482 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
483 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
484 Hardware description languages, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
485 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
486 programming language. These standard languages are very good at describing 
487 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
488 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
489 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
490 functional languages has been proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,
491 ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
492 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981, muFP,DAISY,FHDL}, 
493 a time which also saw the birth of the currently popular hardware description 
494 languages such as \VHDL. The merit of using a functional language to describe 
495 hardware comes from the fact that combinatorial circuits can be directly 
496 modeled as mathematical functions and that functional languages are very good 
497 at describing and composing mathematical functions.
498
499 In an attempt to decrease the amount of work involved with creating all the 
500 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional hardware 
501 description languages are embedded as a domain specific language inside the 
502 functional language Haskell \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}. This 
503 means that a developer is given a library of Haskell~\cite{Haskell} functions 
504 and types that together form the language primitives of the domain specific 
505 language. As a result of how the signals are modeled and abstracted, the 
506 functions used to describe a circuit also build a large domain-specific 
507 datatype (hidden from the designer) which can be further processed by an 
508 embedded compiler. This compiler actually runs in the same environment as the 
509 description; as a result compile-time and run-time become hard to define, as 
510 the embedded compiler is usually compiled by the same Haskell compiler as the 
511 circuit description itself.
512
513 The approach taken in this research is not to make another domain specific 
514 language embedded in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language 
515 itself for the purpose of describing hardware. By taking this approach, we can 
516 capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
517 (if-constructs, case-constructs, pattern matching, etc.), which are not 
518 available in the functional hardware description languages that are embedded 
519 in Haskell as a domain specific languages. As far as the authors know, such 
520 extensive support for choice-elements is new in the domain of functional 
521 hardware description languages. As the hardware descriptions are plain Haskell 
522 functions, these descriptions can be compiled for simulation using an 
523 optimizing Haskell compiler such as the Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
524
525 Where descriptions in a conventional hardware description language have an 
526 explicit clock for the purpose state and synchronicity, the clock is implied 
527 in this research. A developer describes the behavior of the hardware between 
528 clock cycles, as such, only synchronous systems can be described. Many 
529 functional hardware description model signals as a stream of all values over 
530 time; state is then modeled as a delay on this stream of values. The approach 
531 taken in this research is to make the current state of a circuit part of the 
532 input of the function and the updated state part of the output.
533
534 Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
535 functional hardware description language must eventually be converted into a 
536 netlist. This research also features a prototype translator called \CLaSH\ 
537 (pronounced: clash), which converts the Haskell code to equivalently behaving 
538 synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format 
539 by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
540
541 \section{Hardware description in Haskell}
542
543   \subsection{Function application}
544     The basic syntactic elements of a functional program are functions
545     and function application. These have a single obvious translation to a 
546     netlist format: 
547     \begin{inparaenum}
548       \item every function is translated to a component, 
549       \item every function argument is translated to an input port,
550       \item the result value of a function is translated to an output port, 
551             and
552       \item function applications are translated to component instantiations.
553     \end{inparaenum} 
554     The output port can have a complex type (such as a tuple), so having just 
555     a single output port does not pose any limitation. The arguments of a 
556     function applications are assigned to a signal, which are then mapped to
557     the corresponding input ports of the component. The output port of the 
558     function is also mapped to a signal, which is used as the result of the 
559     application itself.
560
561     Since every top level function generates its own component, the
562     hierarchy of function calls is reflected in the final netlist,% aswell, 
563     creating a hierarchical description of the hardware. This separation in 
564     different components makes the resulting \VHDL\ output easier to read and 
565     debug.
566
567     As an example we can see the netlist of the |mac| function in
568     \Cref{img:mac-comb}; the |mac| function applies both the |mul| and |add|
569     function to calculate $a * b + c$:
570     
571     \begin{code}
572     mac a b c = add (mul a b) c
573     \end{code}
574     
575     \begin{figure}
576     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
577     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate}
578     \label{img:mac-comb}
579     \end{figure}
580     
581     The result of using a complex input type can be seen in 
582     \cref{img:mac-comb-nocurry} where the |mac| function now uses a single
583     input tuple for the |a|, |b|, and |c| arguments:
584     
585     \begin{code}
586     mac (a, b, c) = add (mul a b) c
587     \end{code}
588     
589     \begin{figure}
590     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
591     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (complex input)}
592     \label{img:mac-comb-nocurry}
593     \end{figure}
594
595   \subsection{Choice}
596     In Haskell, choice can be achieved by a large set of language constructs, 
597     consisting of: \hs{case} constructs, \hs{if-then-else} constructs, 
598     pattern matching, and guards. The easiest of these are the \hs{case} 
599     constructs (\hs{if} expressions can be very directly translated to 
600     \hs{case} expressions). A \hs{case} construct is translated to a 
601     multiplexer, where the control value is linked to the selection port and 
602     the  output of each case is linked to the corresponding input port on the 
603     multiplexer.
604     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
605     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
606     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
607     We can see two versions of a contrived example below, the first 
608     using a \hs{case} construct and the other using a \hs{if-then-else} 
609     constructs, in the code below. 
610     
611     \begin{code}
612     sumif pred a b = case pred of
613       Eq ->   case a == b of
614         True    -> a + b
615         False   -> 0
616       Neq ->  case a != b of
617         True    -> a + b
618         False   -> 0
619     \end{code}
620
621     \begin{code}
622     sumif pred a b = 
623       if pred == Eq then 
624         if a == b then a + b else 0
625       else 
626         if a != b then a + b else 0
627     \end{code}
628
629     \begin{figure}
630     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
631     \caption{Choice - sumif}
632     \label{img:choice}
633     \end{figure}
634     
635     The example sums two values when they are equal or non-equal (depending on 
636     the predicate given) and returns 0 otherwise. Both versions of the example 
637     roughly correspond to the same netlist, which is depicted in 
638     \Cref{img:choice}.
639
640     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is pattern 
641     matching. A function can be defined in multiple clauses, where each clause 
642     specifies a pattern. When the arguments match the pattern, the 
643     corresponding clause will be used. Expressions can also contain guards, 
644     where the expression is only executed if the guard evaluates to true. Like 
645     \hs{if-then-else} constructs, pattern matching and guards have a 
646     (straightforward) translation to \hs{case} constructs and can as such be 
647     mapped to multiplexers. A third version of the earlier example, using both 
648     pattern matching and guards, can be seen below. The version using pattern 
649     matching and guards also has roughly the same netlist representation 
650     (\Cref{img:choice}) as the earlier two versions of the example.
651     
652     \begin{code}
653     sumif Eq a b    | a == b = a + b
654     sumif Neq a b   | a != b = a + b
655     sumif _ _ _     = 0
656     \end{code}
657
658     % \begin{figure}
659     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
660     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
661     % \label{img:choice}
662     % \end{figure}
663
664   \subsection{Types}
665     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
666     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
667     typing constructs have a clear translation to hardware, as such this 
668     section will only deal with the types that do have a clear correspondence 
669     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
670     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
671     those types for which a direct translation is defined within the \CLaSH\ 
672     compiler; the term user-defined types should not require any further 
673     elaboration. The translatable types are also inferable by the compiler, 
674     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
675     type signature.
676   
677     % Translation of two most basic functional concepts has been
678     % discussed: function application and choice. Before looking further
679     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
680     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
681     % descriptions will be discussed.
682     % 
683     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
684     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
685     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
686     % 
687     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
688     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
689     % define his own types, which will be translated into hardware types
690     % using translation rules that are discussed later on.
691
692   \subsubsection{Built-in types}
693     The following types have direct translation defined within the \CLaSH\
694     compiler:
695     \begin{xlist}
696       \item[\bf{Bit}]
697         This is the most basic type available. It can have two values:
698         \hs{Low} and \hs{High}. 
699         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
700       \item[\bf{Bool}]
701         This is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
702         and \hs{False}. 
703         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
704         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
705         % \hs{High}). 
706         Supporting the Bool type is required in order to support the
707         \hs{if-then-else} construct, which requires a \hs{Bool} value for 
708         the condition.
709       \item[\bf{SizedWord}, \bf{SizedInt}]
710         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
711         while a \hs{SizedInt} is signed. Both are parametrizable in their 
712         size. 
713         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
714
715         % \begin{code}
716         % type Word32 = SizedWord D32
717         % \end{code}
718
719         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
720         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
721         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
722         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
723         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
724         % \texttt{signed} respectively.
725       \item[\bf{Vector}]
726         This is a vector type that can contain elements of any other type and
727         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
728         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
729         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
730         the rest of paper is: \hs{[a|n]}. Where the \hs{a} is the element 
731         type, and \hs{n} is the length of the vector.
732         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
733         % be:
734
735         % \begin{code}
736         % type RegisterState = Vector D8 Word32
737         % \end{code}
738
739         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
740         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
741         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
742         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
743         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
744         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
745       \item[\bf{Index}]
746         This is another type to describe integers, but unlike the previous
747         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
748         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
749         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
750         implicitly zero. The main purpose of the \hs{Index} type is to be 
751         used as an index to a \hs{Vector}.
752
753         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
754         % the 8 element vector above, we would do:
755
756         % \begin{code}
757         % type RegisterIndex = RangedWord D7
758         % \end{code}
759
760         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
761         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
762         % other words, this defines an unsigned word with values from
763         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
764         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
765         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
766     \end{xlist}
767
768   \subsubsection{User-defined types}
769     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
770     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
771     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
772     \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
773     existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard Haskell. 
774     As it is currently unclear how these advanced type constructs correspond 
775     with hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ compiler
776
777     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
778     completely new type. Type synonyms and renaming constructs only define new 
779     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
780     and renaming constructs need explicit conversions. Therefore, these do not 
781     need any particular translation, a synonym or renamed type will just use 
782     the same representation as the original type. For algebraic types, we can 
783     make the following distinctions: 
784
785     \begin{xlist}
786       \item[\bf{Single constructor}]
787         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
788         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
789         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
790         as single constructor algebraic types  An example of a single 
791         constructor type is the following pair of integers:
792         \begin{code}
793         data IntPair = IntPair Int Int
794         \end{code}
795         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
796         % for every field in the constructor.
797       \item[\bf{No fields}]
798         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
799         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
800         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
801         defined as an enumeration type, but we have a fixed translation for 
802         that. An example of such an enum type is the type that represents the
803         colors in a traffic light:
804         \begin{code}
805         data TrafficLight = Red | Orange | Green
806         \end{code}
807         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
808         % value for each constructor. This allows references to these 
809         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
810         % value.
811       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
812         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
813         one of these constructors has one or more fields are not
814         currently supported.
815     \end{xlist}
816
817   \subsection{Polymorphism}
818     A powerful construct in most functional languages is polymorphism, it 
819     allows a function to handle values of different data types in a uniform 
820     way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}~\cite{polymorphism}, 
821     meaning functions can be written without mention of any specific type and 
822     can be used transparently with any number of new types.
823
824     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
825     the following \hs{append} function, which appends an element to a vector:
826     \begin{code}
827     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
828     \end{code}
829
830     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
831     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
832     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
833     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
834     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
835     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
836     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
837     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
838     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
839     functions, as we will see in the next section.
840
841     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
842     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
843     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
844     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
845     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
846     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
847     function, and class instances define the functionality for the specific 
848     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
849     contains all of Haskell's numerical operations. A developer can make use 
850     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
851     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
852     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
853     overloaded functions associated with the type class. 
854     
855     As an example we will take a look at type signature of the function 
856     \hs{sum}, which sums the values in a vector:
857     \begin{code}
858     sum :: Num a => [a|n] -> a
859     \end{code}
860
861     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
862     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
863     we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
864     \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
865     class, so we can use the addition operator on \hs{SizedWords} as
866     well as on \hs{SizedInts}.
867
868     In \CLaSH, parametric polymorphism is completely supported. Any function 
869     defined can have any number of unconstrained type parameters. The \CLaSH\ 
870     compiler will infer the type of every such argument depending on how the 
871     function is applied. There is one exception to this: The top level 
872     function that is translated, can not have any polymorphic arguments (as 
873     they are never applied, so there is no way to find out the actual types 
874     for the type parameters).
875
876     \CLaSH\ does not support user-defined type classes, but does use some
877     of the built-in type classes for its built-in function, such as: \hs{Num} 
878     for numerical operations, \hs{Eq} for the equality operators, and
879     \hs{Ord} for the comparison/order operators.
880
881   \subsection{Higher-order functions \& values}
882     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
883     the concept of \emph{higher-order functions}, or \emph{functions as
884     a first class value}. This allows a function to be treated as a
885     value and be passed around, even as the argument of another
886     function. The following example should clarify this concept:
887     
888     \begin{code}
889     negVector xs = map not xs
890     \end{code}
891
892     The code above defines a function \hs{negVector}, which takes a vector of
893     booleans, and returns a vector where all the values are negated. It 
894     achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
895     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
896     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
897     elements in the vector.
898
899     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
900     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
901     parametric polymorphic function: It does not pose any constraints on the 
902     type of the vector elements, other than that it must be the same type as 
903     the input type of the function passed to \hs{map}. The element type of the 
904     resulting vector is equal to the return type of the function passed, which 
905     need not necessarily be the same as the element type of the input vector. 
906     All of these characteristics  can readily be inferred from the type 
907     signature belonging to \hs{map}:
908
909     \begin{code}
910     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
911     \end{code}
912
913     So far, only functions have been used as higher-order values. In
914     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
915     partial application and lambda abstraction. Partial application
916     means that a function that takes multiple arguments can be applied
917     to a single argument, and the result will again be a function (but
918     that takes one argument less). As an example, consider the following
919     expression, that adds one to every element of a vector:
920
921     \begin{code}
922     map ((+) 1) xs
923     \end{code}
924
925     Here, the expression \hs{(+) 1} is the partial application of the
926     plus operator to the value \hs{1}, which is again a function that
927     adds one to its argument. A lambda expression allows one to introduce an 
928     anonymous function in any expression. Consider the following expression, 
929     which again adds one to every element of a vector:
930
931     \begin{code}
932     map (\x -> x + 1) xs
933     \end{code}
934
935     Finally, higher order arguments are not limited to just built-in
936     functions, but any function defined in \CLaSH\ can have function
937     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
938     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
939     code reuse.
940
941     \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
942
943   \subsection{State}
944     A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
945     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
946     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
947     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
948     combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
949
950     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
951     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
952     conditions:
953     \begin{inparaenum}
954       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
955       both cases, and
956       \item when the function is called, it should not have observable 
957       side-effects.
958     \end{inparaenum}
959     % This purity property is important for functional languages, since it 
960     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
961     % correct for impure functions. 
962     Pure functions are as such a perfect match or a combinatorial circuit, 
963     where the output solely depends on the  inputs. When a circuit has state 
964     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
965     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
966     % language would then lose many of it mathematical properties. 
967     In an effort to include the concept of state in pure 
968     functions, the current value of the state is made an argument of the  
969     function; the updated state becomes part of the result. In this sense the
970     descriptions made in \CLaSH are the describing the combinatorial parts of 
971     a mealy machine.
972     
973     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
974     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
975     \Cref{img:mac-state}:
976     
977     \begin{code}
978     macS (State c) a b = (State c', outp)
979       where
980         outp  = mac a b c
981         c'    = outp
982     \end{code}
983     
984     \begin{figure}
985     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
986     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
987     \label{img:mac-state}
988     \end{figure}
989     
990     The \hs{State} keyword indicates which arguments are part of the current 
991     state, and what part of the output is part of the updated state. This 
992     aspect will also reflected in the type signature of the function. 
993     Abstracting the state of a circuit in this way makes it very explicit: 
994     which variables are part of the state is completely determined by the 
995     type signature. This approach to state is well suited to be used in 
996     combination with the existing code and language features, such as all the 
997     choice constructs, as state values are just normal values. We can simulate 
998     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
999     
1000     \begin{code}
1001     run f s (i:inps) = o : (run f s' inps)
1002       where
1003         (s', o) = f s i
1004     \end{code}
1005     
1006     The \hs{run} function maps a list of inputs over the function that a 
1007     developer wants to simulate, passing the state to each new iteration. Each
1008     value in the input list corresponds to exactly one cycle of the (implicit) 
1009     clock. The result of the simulation is a list of outputs for every clock
1010     cycle. As both the \hs{run} function and the hardware description are 
1011     plain hardware, the complete simulation can be compiled by an optimizing
1012     Haskell compiler.
1013     
1014 \section{\CLaSH\ prototype}
1015
1016 The \CLaSH language as presented above can be translated to \VHDL using
1017 the prototype \CLaSH compiler. This compiler allows experimentation with
1018 the \CLaSH language and allows for running \CLaSH designs on actual FPGA
1019 hardware.
1020
1021 \comment{Add clash pipeline image}
1022 The prototype heavily uses \GHC, the Glasgow Haskell Compiler. Figure
1023 TODO shows the \CLaSH compiler pipeline. As you can see, the frontend
1024 is completely reused from \GHC, which allows the \CLaSH prototype to
1025 support most of the Haskell Language. The \GHC frontend produces the
1026 program in the \emph{Core} format, which is a very small, functional,
1027 typed language which is relatively easy to process.
1028
1029 The second step in the compilation process is \emph{normalization}. This
1030 step runs a number of \emph{meaning preserving} transformations on the
1031 Core program, to bring it into a \emph{normal form}. This normal form
1032 has a number of restrictions that make the program similar to hardware.
1033 In particular, a program in normal form no longer has any polymorphism
1034 or higher order functions.
1035
1036 The final step is a simple translation to \VHDL.
1037
1038 \section{Use cases}
1039 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1040 functions leads to a very natural description is a FIR filter, which is 
1041 basically the dot-product of two vectors:
1042
1043 \begin{equation}
1044 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1045 \end{equation}
1046
1047 A FIR filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1048 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1049 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a FIR 
1050 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1051 shown below:
1052
1053 \begin{equation}
1054 \mathbf{x}\bullet\mathbf{y} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i \cdot y_i } 
1055 \end{equation}
1056
1057 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1058 using higher-order functions:
1059
1060 \begin{code}
1061 xs *+* ys = foldl1 (+) (zipWith (*) xs hs)
1062 \end{code}
1063
1064 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1065 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1066 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1067 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]} $\equiv$ \hs{[3,8]}).
1068
1069 The \hs{foldl1} function takes a function, a single vector, and applies 
1070 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1071 function to the result of the first application and the next element from 
1072 the vector. This continues until the end of the vector is reached. The 
1073 result of the \hs{foldl1} function is the result of the last application.
1074 As you can see, the \hs{zipWith (*)} function is just pairwise 
1075 multiplication and the \hs{foldl1 (+)} function is just summation.
1076
1077 Returning to the actual FIR filter, we will slightly change the
1078 equation belong to it, so as to make the translation to code more obvious.
1079 What we will do is change the definition of the vector of input samples.
1080 So, instead of having the input sample received at time
1081 $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the current sample, and $x_i$
1082 stores the $ith$ previous sample. This changes the equation to the
1083 following (Note that this is completely equivalent to the original
1084 equation, just with a different definition of $x$ that will better suit
1085 the transformation to code):
1086
1087 \begin{equation}
1088 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1089 \end{equation}
1090
1091 Consider that the vector \hs{hs} contains the FIR coefficients and the 
1092 vector \hs{xs} contains the current input sample in front and older 
1093 samples behind. The function that shifts the input samples is shown below:
1094
1095 \begin{code}
1096 x >> xs = x +> tail xs  
1097 \end{code}
1098
1099 Where the \hs{tail} function returns all but the first element of a 
1100 vector, and the concatenate operator ($\succ$) adds a new element to the 
1101 left of a vector. The complete definition of the FIR filter then becomes:
1102
1103 \begin{code}
1104 fir (State (xs,hs)) x = (State (x >> xs,hs), xs *+* hs)
1105 \end{code}
1106
1107 The resulting netlist of a 4-taps FIR filter based on the above definition
1108 is depicted in \Cref{img:4tapfir}.
1109
1110 \begin{figure}
1111 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1112 \caption{4-taps FIR Filter}
1113 \label{img:4tapfir}
1114 \end{figure}
1115
1116 \section{Related work}
1117 Many functional hardware description languages have been developed over the 
1118 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1119 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1120 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1121 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1122 circuits, and has a particular focus on layout. 
1123
1124 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1125 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1126 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1127 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1128 be translated to \VHDL\ and that the translated description can than be 
1129 simulated in a \VHDL\ simulator. Also not all of the mentioned language 
1130 features of \acro{HML} could be translated to hardware. The \CLaSH\ compiler 
1131 on the other hand can correctly translate all of the language constructs 
1132 mentioned in this paper to a netlist format.
1133
1134 Like this work, many functional hardware description languages have some sort 
1135 of foundation in the functional programming language Haskell. 
1136 Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
1137 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
1138 specifications can be simulated, but there seems to be no support for 
1139 automated circuit synthesis. 
1140
1141 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1142 models, which can (manually) be transformed into an implementation model using 
1143 semantic preserving transformations. A designer can model systems using 
1144 heterogeneous models of computation, which include continuous time, 
1145 synchronous and untimed models of computation. Using so-called domain 
1146 interfaces a designer can simulate electronic systems which have both analog 
1147 as digital parts. ForSyDe has several simulation and  synthesis backends, 
1148 though synthesis is restricted to the synchronous subset of the ForSyDe 
1149 language. Unlike \CLaSH\ there is no support for the automated synthesis of description that contain polymorphism or higher-order functions.
1150
1151 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
1152 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
1153 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
1154 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
1155 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
1156 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
1157 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
1158 circuit he will have to explicitly instantiate a multiplexer-like component. 
1159
1160 In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, 
1161 such as case-statements and pattern matching, are synthesized to choice 
1162 elements in the eventual circuit. As such, richer control structures can both 
1163 be specified and synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages 
1164 mentioned in this section.
1165
1166 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
1167 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
1168 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to types, allowing a developer to describe 
1169 polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
1170 generic map, whereas types can be automatically inferred in \CLaSH.
1171
1172 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1173
1174 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1175 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1176 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1177
1178 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1179 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1180 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1181 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1182 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1183 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1184 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1185 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1186 %
1187 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1188 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1189 % displayed while in draft mode.
1190 %
1191 %\begin{figure}[!t]
1192 %\centering
1193 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1194 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1195 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1196 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1197 %\caption{Simulation Results}
1198 %\label{fig_sim}
1199 %\end{figure}
1200
1201 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1202 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1203
1204
1205 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1206 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1207 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1208 % \label for the overall figure must come after \caption.
1209 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1210 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1211 % used instead of \subfloat.
1212 %
1213 %\begin{figure*}[!t]
1214 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1215 %\label{fig_first_case}}
1216 %\hfil
1217 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1218 %\label{fig_second_case}}}
1219 %\caption{Simulation results}
1220 %\label{fig_sim}
1221 %\end{figure*}
1222 %
1223 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1224 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1225 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1226
1227
1228 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1229 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1230 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1231 % The \label must come after \caption as always.
1232 %
1233 %\begin{table}[!t]
1234 %% increase table row spacing, adjust to taste
1235 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1236 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1237 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1238 %\caption{An Example of a Table}
1239 %\label{table_example}
1240 %\centering
1241 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1242 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1243 %\begin{tabular}{|c||c|}
1244 %\hline
1245 %One & Two\\
1246 %\hline
1247 %Three & Four\\
1248 %\hline
1249 %\end{tabular}
1250 %\end{table}
1251
1252
1253 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1254 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1255 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1256 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1257 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1258 % command of the stfloats package.
1259
1260
1261
1262 \section{Conclusion}
1263 The conclusion goes here.
1264
1265
1266
1267
1268 % conference papers do not normally have an appendix
1269
1270
1271 % use section* for acknowledgement
1272 \section*{Acknowledgment}
1273
1274
1275 The authors would like to thank...
1276
1277
1278
1279
1280
1281 % trigger a \newpage just before the given reference
1282 % number - used to balance the columns on the last page
1283 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1284 % the document is modified later
1285 %\IEEEtriggeratref{8}
1286 % The "triggered" command can be changed if desired:
1287 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1288
1289 % references section
1290
1291 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1292 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1293 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1294 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1295 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1296 \bibliographystyle{IEEEtran}
1297 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1298 \bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
1299 %
1300 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1301 % set second argument of \begin to the number of references
1302 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1303 % \begin{thebibliography}{1}
1304
1305 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1306 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1307 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1308
1309 % \end{thebibliography}
1310
1311
1312
1313
1314 % that's all folks
1315 \end{document}
1316
1317 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: