Update to include jan's, arjan's and marco's comments. Also format for blind review
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66
67 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
68 \IEEEoverridecommandlockouts
69 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75 % Some very useful LaTeX packages include:
76 % (uncomment the ones you want to load)
77
78 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
79 %
80 %\usepackage{ifpdf}
81 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
82 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
83 % usage:
84 % \ifpdf
85 %   % pdf code
86 % \else
87 %   % dvi code
88 % \fi
89 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
90 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
91 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
92 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
93 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
94 % have to be run twice to clear warning/error messages.
95
96
97
98 % *** CITATION PACKAGES ***
99 %
100 \usepackage{cite}
101 % cite.sty was written by Donald Arseneau
102 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
103 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
104 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
105 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
106 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
107 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
108 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
109 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
110 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
111 % not currently provide for hyperlinked citations.
112 % The latest version can be obtained at:
113 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
114 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
115
116
117
118
119
120
121 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
122 %
123 \ifCLASSINFOpdf
124   \usepackage[pdftex]{graphicx}
125   % declare the path(s) where your graphic files are
126   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
127   % and their extensions so you won't have to specify these with
128   % every instance of \includegraphics
129   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
130 \else
131   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
132   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
133   % driver is specified.
134   % \usepackage[dvips]{graphicx}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   % \graphicspath{{../eps/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
140 \fi
141 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
142 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
143 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
144 % be obtained at: 
145 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
146 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
147 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
148 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
149 %
150 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
151 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
152 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
153 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
154 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
155 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
156 % well as large increases in file sizes.
157 %
158 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
159 % http://www.tug.org/applications/pdftex
160
161
162
163
164
165 % *** MATH PACKAGES ***
166 %
167 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
168 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
169 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
170 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
171 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
172 % it is possible that some math symbols, particularly those within
173 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
174 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
175 %
176 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
177 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
178 %\interdisplaylinepenalty=2500
179 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
180 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
181 % version and documentation can be obtained at:
182 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
183
184
185
186
187
188 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
189 %
190 %\usepackage{algorithmic}
191 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
192 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
193 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
194 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
195 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
196 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
197 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
198 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
199 % algorithmic.sty can be obtained at:
200 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
201 % There is also a support site at:
202 % http://algorithms.berlios.de/index.html
203 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
204 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
205 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
206
207
208
209
210 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
211 %
212 %\usepackage{array}
213 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
214 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
215 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
216 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
217 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
218 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
219 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
220 % latest version and documentation can be obtained at:
221 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
222
223
224 %\usepackage{mdwmath}
225 %\usepackage{mdwtab}
226 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
227 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
228 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
229 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
231
232
233 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
234 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
235 % quality.
236
237
238 %\usepackage{eqparbox}
239 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
240 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
241 % Available at:
242 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
243
244
245
246
247
248 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
249 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
250 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
251 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
252 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
253 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
254 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
255 % be obtained at:
256 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
257 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
258
259
260
261 %\usepackage[caption=false]{caption}
262 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
263 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
264 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
265 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
266 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
267 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
268 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
269 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
270 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
271 % the caption=false option directly:
272 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
273 %
274 % The latest version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
276 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
277 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
278
279
280
281
282 % *** FLOAT PACKAGES ***
283 %
284 %\usepackage{fixltx2e}
285 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
286 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
287 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
288 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
289 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
290 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
291 % figure. The latest version and documentation can be found at:
292 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
293
294
295
296 %\usepackage{stfloats}
297 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
298 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
299 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
300 % LaTeX2e). It also provides a command:
301 %\fnbelowfloat
302 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
303 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
304 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
305 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
306 % version and documentation can be obtained at:
307 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
308 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
309 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
310 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
311 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
312 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
313 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
314 % not format its papers in such ways.
315
316
317
318
319
320 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
321 %
322 \usepackage{url}
323 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
324 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
325 % systems. The latest version can be obtained at:
326 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
327 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
328 % \url{my_url_here}.
329
330
331
332
333
334 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
335 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
336 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
337 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
338 % to submit to, of course. )
339
340 % correct bad hyphenation here
341 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
342
343 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
344 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
345 \def\acro#1{{\small{#1}}}
346 \def\acrop#1{\acro{#1}s}
347 \def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
348 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
349 \def\GHC{\acro{GHC}}
350 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
351 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
352
353 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
354 % we'll get something more complex later on.
355 \def\hs#1{\texttt{#1}}
356 \def\quote#1{``{#1}"}
357
358 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
359   \begin{list}{}{%
360     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
361     \setlength{\labelsep}{0.5em}
362     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
363     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
364     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
365     \setlength{\rightmargin}{0pt}
366     \setlength{\listparindent}{\parindent}
367     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
368     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
369     }
370   }
371 {\end{list}}
372
373 \usepackage{paralist}
374 \usepackage{xcolor}
375 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
376
377 \usepackage{cleveref}
378 \crefname{figure}{figure}{figures}
379 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
380 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
381
382 \usepackage{epstopdf}
383
384 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
385
386 %include polycode.fmt
387 %include clash.fmt
388
389 \newcounter{Codecount}
390 \setcounter{Codecount}{0}
391
392 \newenvironment{example}
393   {
394     \refstepcounter{equation}
395   }
396   {
397       \begin{flushright}
398       (\arabic{equation})
399       \end{flushright}
400   }
401
402 \begin{document}
403 %
404 % paper title
405 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
406 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
407
408
409 % author names and affiliations
410 % use a multiple column layout for up to three different
411 % affiliations
412 % \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Arjan Boeijink, Marco Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
413 % \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
414 % Department of EEMCS, University of Twente\\
415 % P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
416 % c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 % \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 % }
419
420 \author{\IEEEauthorblockN{Blind Review}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
421 \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
422 \\
423 \\
424 \\
425 }
426 \thanks{Supported through: hidden for blind review}
427 }
428
429 % \and
430 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
431 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
432 % Springfield, USA\\
433 % Email: homer@thesimpsons.com}
434 % \and
435 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
436 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
437 % San Francisco, California 96678-2391\\
438 % Telephone: (800) 555--1212\\
439 % Fax: (888) 555--1212}}
440
441 % conference papers do not typically use \thanks and this command
442 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
443 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
444 % after \documentclass
445
446 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
447 % of the page, use this alternative format:
448
449 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
450 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
451 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
452 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
453 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
454 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
455 %Georgia Institute of Technology,
456 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
457 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
458 %Email: homer@thesimpsons.com}
459 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
460 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
461 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
462
463
464
465
466 % use for special paper notices
467 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
468
469
470
471
472 % make the title area
473 \maketitle
474
475 \begin{abstract}
476 %\boldmath
477 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
478 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
479 Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
480 generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
481 natural way than possible with the language elements found in the traditional 
482 hardware description languages.
483
484 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
485 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
486 test input are also valid Haskell, complete simulations can be done by a 
487 Haskell compiler or interpreter, allowing high-speed simulation and analysis.
488
489 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
490 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
491 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
492 % mealy machine.
493 \end{abstract}
494 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
495 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
496 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
497 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
498 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
499 % math in the abstract anyway.
500
501 % no keywords
502
503
504
505
506 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
507 % page as needed:
508 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
509 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
510 % \fi
511 %
512 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
513 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
514 \IEEEpeerreviewmaketitle
515
516 \section{Introduction}
517 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have not allowed the productivity 
518 of hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
519 While traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
520 Verilog~\cite{Verilog}, are very good at describing detailed hardware 
521 properties such as timing behavior, they are generally cumbersome in 
522 expressing the higher-level abstractions needed for today's large and complex 
523 circuit designs. In an attempt to raise the abstraction level of the 
524 descriptions, a great number of approaches based on functional languages have 
525 been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
526 Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
527 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a 
528 time which also saw the birth of the currently popular \acrop{HDL}, such as 
529 \VHDL. Functional languages are especially well suited to describe hardware 
530 because combinational circuits can be directly modeled as mathematical 
531 functions and functional languages are very good at describing and composing 
532 these functions.
533
534 In an attempt to reduce the effort involved with prototyping a new 
535 language, such as creating all the required tooling like parsers and 
536 type-checkers, many functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are 
537 embedded as a domain specific language (\acro{DSL}) within the functional 
538 language Haskell \cite{Haskell}. This means that a developer is given a 
539 library of Haskell functions and types that together form the language 
540 primitives of the \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a 
541 circuit do not actually process any signals, they instead compose a large 
542 graph (which is usually hidden from the designer). This graph is then further processed by an embedded circuit compiler which can perform e.g. simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, pattern-matching, etc.) are evaluated at the time the graph is being build, they are no longer visible to the embedded compiler that processes the datatype. Consequently, it is impossible to capture Haskell's choice elements within a circuit description when taking the embedded language approach. This does not mean that circuits specified in an embedded language can not contain choice, just that choice elements only exists as functions, e.g. a multiplexer function, and not as syntactic elements of the language itself.
543
544 This research is uses (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this approach, this research \emph{can} capture certain language constructs, like all of Haskell's choice elements, within circuit descriptions. Advanced features of Haskell, such as polymorphic typing and higher-order functions, are also supported.
545
546 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
547 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
548 % is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
549 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
550 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
551 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
552 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
553
554 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
555 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions 
556 and research presented in this paper. A circuit designer describes the 
557 behavior of the hardware between clock cycles, as a transition from the 
558 current state to the next. Many functional \acrop{HDL} model signals as a 
559 stream of values over time; state is then modeled as a delay on this stream of 
560 values. Descriptions presented in this research make the current state an 
561 additional input and the updated state a part of their output. This 
562 abstraction of state and time limits the descriptions to synchronous hardware. 
563 However, there is room with the language to eventually add an abstraction 
564 mechanism that allows modeling of asynchronous and multi-clock systems.
565
566 Likewise as with the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a 
567 functional \acro{HDL} must eventually be converted into a netlist. This 
568 research also features a prototype compiler, which has the same name as the 
569 language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous 
570 Hardware, where \acrotiny{CAES} % the acronyom of our chair.} 
571 is hidden for blind review.} 
572 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
573 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
574 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
575
576 To the best knowledge of the authors, \CLaSH\ is the only (functional) 
577 \acro{HDL} that allows circuit specification to be written in a very concise 
578 way and at the same time support such advanced features as polymorphic typing, 
579 user-defined higher-order functions and pattern matching.
580
581 The next section will describe the language elements of \CLaSH, and \Cref{sec:compiler} gives a high-level overview of the \CLaSH\ compiler. \Cref{sec:usecases} discusses two use-cases, a \acro{FIR} filter, and a higher-order \acro{CPU} design. At the end, \Cref{sec:relatedwork} compares \CLaSH\ to existing (functional) \acrop{HDL}, conclusions are given in \Cref{sec:conclusion}, and future work is discussed in \Cref{sec:futurework}.
582  
583 \section{Hardware description in Haskell}
584 This section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the support 
585 of these elements within the \CLaSH\ compiler. In various subsections, the 
586 relation between the language elements and their eventual netlist 
587 representation is also highlighted. 
588
589   \subsection{Function application}
590     Two basic elements of a functional program are functions and function 
591     application. These have a single obvious translation to a netlist format: 
592     \begin{inparaenum}
593       \item every function is translated to a component, 
594       \item every function argument is translated to an input port,
595       \item the result value of a function is translated to an output port, 
596             and
597       \item function applications are translated to component instantiations.
598     \end{inparaenum} 
599     The result value can have a composite type (such as a tuple), so the fact 
600     that a function has just a single result value does not pose any 
601     limitation. The actual arguments of a function application are assigned to 
602     signals, which are then mapped to the corresponding input ports of the 
603     component. The output port of the function is also mapped to a signal, 
604     which is used as the result of the application itself. Since every top 
605     level function generates its own component, the hierarchy of function 
606     calls is reflected in the final netlist. 
607     %, creating a hierarchical description of the hardware. 
608     % The separation in different components makes it easier for a developer 
609     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
610     % the \CLaSH\ compiler.
611
612     The short example below (\ref{code:mac}) gives a demonstration of 
613     the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared with 
614     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
615     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
616     type of polymorphism will be further elaborated in 
617     \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist is depicted in 
618     \Cref{img:mac-comb}.
619     
620     \hspace{-1.7em}
621     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
622     \begin{code}
623     mac a b c = add (mul a b) c
624     \end{code}
625     \end{minipage}
626     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
627       \begin{example}
628       \label{code:mac}
629       \end{example}
630     \end{minipage}
631     
632     \begin{figure}
633     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
634     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
635     \label{img:mac-comb}
636     \vspace{-1.5em}
637     \end{figure}
638     
639     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
640     (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit not only 
641     returns the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
642     result (see \Cref{img:mac-comb-composite}, where the double arrow suggests 
643     the composite output).
644     
645     \hspace{-1.7em}
646     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
647     \begin{code}
648     mac a b c = (z, add z c)
649       where
650         z = mul a b
651     \end{code}
652     \end{minipage}
653     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
654       \begin{example}
655       \label{code:mac-composite}
656       \end{example}
657     \end{minipage}
658     \vspace{-1.5em}
659     
660     \begin{figure}
661     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
662     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
663     \label{img:mac-comb-composite}
664     \vspace{-1.5em}
665     \end{figure}
666
667   \subsection{Choice}
668     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
669     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
670     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
671     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
672     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
673     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
674     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
675     comparators, and their combined output forms the selection port of the 
676     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
677     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
678     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
679     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
680     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
681     
682     % Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
683     % (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
684     % (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
685     % sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
686     % predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. 
687     
688     A code example (\ref{code:counter1}) that uses a \hs{case} expression and 
689     \hs{if-then-else} expressions is shown below. The function counts up or 
690     down depending on the \hs{direction} variable, and has a \hs{bound} 
691     variable that determines both the upper bound and wrap-around point of the 
692     counter. The \hs{direction} variable is of the following, user-defined, 
693     enumeration datatype:
694     
695     \begin{code}
696     data Direction = Up | Down
697     \end{code}
698
699     The naive netlist corresponding to this example is depicted in 
700     \Cref{img:counter}. Note that the \hs{direction} variable is only
701     compared to \hs{Up}, as an inequality immediately implies that 
702     \hs{direction} is \hs{Down} (as derived by the compiler).
703
704     \hspace{-1.7em}
705     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
706     \begin{code}    
707     counter bound direction x = case direction of
708         Up    -> if   x < bound   then 
709                       x + 1       else 
710                       0
711         Down  -> if   x > 0       then 
712                       x - 1       else 
713                       bound
714     \end{code}
715     \end{minipage}
716     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
717       \begin{example}
718       \label{code:counter1}
719       \end{example}
720     \end{minipage}
721     
722     % \hspace{-1.7em}
723     % \begin{minipage}{0.93\linewidth}
724     % \begin{code}
725     % sumif pred a b = 
726     %   if pred == Equal then 
727     %     if a == b then a + b else 0
728     %   else 
729     %     if a != b then a + b else 0
730     % \end{code}
731     % \end{minipage}
732     % \begin{minipage}{0.07\linewidth}
733     %   \begin{example}
734     %   \label{lst:code4}
735     %   \end{example}
736     % \end{minipage}
737
738     % \begin{figure}
739     % \vspace{1em}
740     % \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
741     % \caption{Choice - sumif}
742     % \label{img:choice}
743     % \vspace{-1.5em}
744     % \end{figure}
745
746     \begin{figure}
747     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
748     \caption{Counter netlist}
749     \label{img:counter}
750     \vspace{-1.5em}
751     \end{figure}
752
753     A \emph{user-friendly} and also powerful form of choice that is not found 
754     in the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
755     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
756     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
757     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
758     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
759     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
760     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
761     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
762     multiplexers. A second version (\ref{code:counter2}) of the earlier 
763     example, now using both pattern matching and guards, can be seen below. 
764     The guard is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and 
765     precedes the assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards 
766     always evaluate to \hs{true}.
767     
768     The second version corresponds to the same naive netlist representation 
769     (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
770     
771     \hspace{-1.7em}
772     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
773     \begin{code}
774     counter bound Up    x  | x < bound  = x + 1
775                            | otherwise  = 0
776                            
777     counter bound Down  x  | x > 0      = x - 1
778                            | otherwise  = bound
779     \end{code}
780     \end{minipage}
781     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
782       \begin{example}
783       \label{code:counter2}
784       \end{example}
785     \end{minipage}
786
787     % \begin{figure}
788     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
789     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
790     % \label{img:choice}
791     % \end{figure}
792
793   \subsection{Types}
794     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
795     variable or function is determined at compile-time. Not all of 
796     Haskell's typing constructs have a clear translation to hardware, this 
797     section therefor only deals with the types that do have a clear 
798     correspondence to hardware. The translatable types are divided into two 
799     categories: \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in 
800     types are those types for which a fixed translation is defined within the 
801     \CLaSH\ compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
802     translate the user-defined types, which are described later on.
803
804     Type annotations (entities in \VHDL) are optional, since the \CLaSH\ 
805     compiler can derive them, when the top-level function \emph{is} annotated
806     with its type.    
807   
808     % Translation of two most basic functional concepts has been
809     % discussed: function application and choice. Before looking further
810     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
811     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
812     % descriptions will be discussed.
813     % 
814     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
815     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
816     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
817     % 
818     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
819     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
820     % define his own types, which will be translated into hardware types
821     % using translation rules that are discussed later on.
822
823   \subsubsection{Built-in types}
824     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
825     compiler:
826     \begin{xlist}
827       \item[\bf{Bit}]
828         the most basic type available. It can have two values:
829         \hs{Low} or \hs{High}. 
830         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
831       \item[\bf{Bool}]
832         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
833         or \hs{False}. 
834         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
835         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
836         % \hs{High}). 
837         Supporting the Bool type is required in order to support the
838         \hs{if-then-else} expression.
839       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
840         these are types to represent integers, and both are parametrizable in 
841         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
842         these types is \emph{wrap-around}.
843         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
844
845         % \begin{code}
846         % type Word32 = SizedWord D32
847         % \end{code}
848
849         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
850         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
851         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
852         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
853         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
854         % \texttt{signed} respectively.
855       \item[\bf{Vector}]
856         this type can contain elements of any type and has a static length. 
857         The \hs{Vector} type constructor takes two arguments: the length of 
858         the vector and the type of the elements contained in it. The 
859         short-hand notation used for the vector type in the rest of paper is: 
860         \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element type, and \hs{n} is the length 
861         of the vector. 
862         % Note that this is a notation used in this paper only, vectors are 
863         % slightly more verbose in real \CLaSH\ descriptions.
864         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
865         % be:
866
867         % \begin{code}
868         % type RegisterState = Vector D8 Word32
869         % \end{code}
870
871         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
872         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
873         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
874         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
875         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
876         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
877       \item[\bf{Index}]
878         the main purpose of the \hs{Index} type is to be used as an index into 
879         a \hs{Vector}, and has an integer range from zero to a specified upper 
880         bound.
881         % This means that its range is not limited to powers of two, but 
882         % can be any number.  
883         If a value of this type exceeds either bounds, an error will be thrown 
884         during simulation. 
885
886         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
887         % the 8 element vector above, we would do:
888
889         % \begin{code}
890         % type RegisterIndex = RangedWord D7
891         % \end{code}
892
893         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
894         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
895         % other words, this defines an unsigned word with values from
896         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
897         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
898         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
899     \end{xlist}
900
901   \subsubsection{User-defined types}
902     % There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
903     % data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
904     % keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
905     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
906     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
907     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
908     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
909     % compiler.
910     A designer may define a completely new type by an algebraic datatype 
911     declaration using the \hs{data} keyword. Type synonyms can be introduced 
912     using the \hs{type} keyword.
913     % Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
914     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
915     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
916     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
917     Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym will 
918     use the same representation as the original type. 
919     
920     Algebraic datatypes can be categorized as follows:
921     \begin{xlist}
922       \item[\bf{Single constructor}]
923         datatypes with a single constructor with one or more fields allow 
924         values to be packed together in a record-like structure. Haskell's 
925         built-in tuple types are also defined as single constructor algebraic 
926         types (using a bit of syntactic sugar). An example of a  single 
927         constructor type with multiple fields is the following pair of 
928         integers:
929         \begin{code}
930         data IntPair = IntPair Int Int
931         \end{code}
932         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
933         % for every field in the constructor.
934       \item[\bf{Multiple constructors, No fields}]
935         datatypes with multiple constructors, but without any fields are 
936         enumeration types. 
937         % Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an enumeration 
938         % type, but that there is a fixed translation for that type within the 
939         % \CLaSH\ compiler. 
940         An example of an enumeration type definition is:
941         \begin{code}
942         data TrafficLight = Red | Orange | Green
943         \end{code}
944         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
945         % value for each constructor. This allows references to these 
946         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
947         % value.
948       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
949         datatypes with multiple constructors, where at least
950         one of these constructors has one or more fields are currently not 
951         supported. Additional research is required to optimize the overlap of
952         fields belonging to the different constructors.
953     \end{xlist}
954
955   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
956     A powerful feature of some programming languages is polymorphism, it 
957     allows a function to handle values of different data types in a uniform 
958     way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning that 
959     functions can be written without mentioning specific types, and that they 
960     can be used for arbitrary types.
961
962     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
963     the following \hs{first} function, which returns the first element of a 
964     tuple:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
965     with its type.}
966     
967     \begin{code}
968     first :: (a,b) -> a
969     \end{code}
970
971     This type is parameterized in \hs{a} and \hs{b}, which can both 
972     represent any type that is supported by the \CLaSH\ compiler. This means 
973     that \hs{first} works for any tuple, regardless of what elements it 
974     contains. This kind of polymorphism is extremely useful in hardware 
975     designs, for example when routing signals without knowing their exact 
976     type, or specifying vector operations that work on vectors of any length 
977     and element type. Polymorphism also plays an important role in most higher 
978     order functions, as will be shown in the next section.
979
980     % Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
981     % polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
982     % functions which can be applied to arguments of different types, but 
983     % which behave differently depending on the type of the argument to which 
984     % they are applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through 
985     % the use of \emph{type classes}, where a class definition provides the 
986     % general interface of a function, and class \emph{instances} define the 
987     % functionality for the specific types. An example of such a type class is 
988     % the \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical 
989     % operations. A designer can make use of this ad-hoc polymorphism by 
990     % adding a \emph{constraint} to a parametrically polymorphic type 
991     % variable. Such a constraint indicates that the type variable can only be 
992     % instantiated to a type whose members supports the overloaded functions 
993     % associated with the type class. 
994     
995     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc polymorphism}, which refers
996     to functions that can be applied to arguments of a limited set to types.
997     Furthermore, how such functions work may depend on the type of their
998     arguments. For example, addition only works for numeric types, and it 
999     works differently for e.g. integers and complex numbers.
1000     
1001     In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of \emph{type
1002     classes}, where a class definition provides the general interface of a 
1003     function, and class \emph{instances} define the functionality for the 
1004     specific types. For example, all numeric operators are gathered in the 
1005     \hs{Num} class, so every type that wants to use those operators must be
1006     made an instance of \hs{Num}.
1007     
1008     By prefixing a type signature with class constraints, the constrained type 
1009     parameters are forced to belong to that type class. For example, the 
1010     arguments of the \hs{add} function must belong to the \hs{Num} type class 
1011     because the \hs{add} function adds them with the (+) operator:
1012     
1013     \begin{code}
1014     add :: Num a => a -> a -> a
1015     add a b = a + b
1016     \end{code}
1017     
1018     % An example of a type signature that includes such a constraint if the 
1019     % signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
1020     % \begin{code}
1021     % sum :: Num a => [a|n] -> a
1022     % \end{code}
1023     % 
1024     % This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
1025     % types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so 
1026     % that the compiler knows that the addition (+) operator is defined for 
1027     % that type.
1028     
1029     % A place where class constraints also play a role is in the size and 
1030     % range parameters of the \hs{Vector} and numeric types. The reason being 
1031     % that these parameters have to be limited to types that can represent 
1032     % \emph{natural} numbers. The complete type of for example the \hs{Vector} 
1033     % type is:
1034     % \begin{code}
1035     % Natural n => Vector n a
1036     % \end{code}    
1037     
1038     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
1039     % class. 
1040     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
1041     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
1042
1043     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. A
1044     circuit designer can specify his own type classes and corresponding 
1045     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1046     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1047     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1048     polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1049     polymorphic as there is no way to infer the \emph{specific} types of the 
1050     arguments. 
1051     
1052     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1053     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1054     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1055     operators of \hs{Eq}, and the comparison (order) operators of \hs{Ord}.
1056
1057   \subsection{Higher-order functions \& values}
1058     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1059     the concept of \emph{functions as a first class value} and
1060     \emph{higher-order functions}. These concepts allows a function to be 
1061     treated as a value and be passed around, even as the argument of another
1062     function. The following example clarifies this concept:
1063     
1064     \hspace{-1.7em}
1065     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1066     %format not = "\mathit{not}"
1067     \begin{code}
1068     negate{-"\!\!\!"-}Vector xs = map not xs
1069     \end{code}
1070     \end{minipage}
1071     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1072       \begin{example}
1073       \label{code:negatevector}
1074       \end{example}
1075     \end{minipage}
1076
1077     The code above defines the \hs{negate{-"\!\!\!"-}Vector} function, which 
1078     takes a vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the 
1079     values are negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and 
1080     passing it another \emph{function}, boolean negation, and the vector of 
1081     booleans, \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to 
1082     all the elements in the vector.
1083
1084     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1085     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1086     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1087     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1088     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1089     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1090     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1091     input vector. All of these characteristics can be inferred from the type 
1092     signature of \hs{map}:
1093
1094     \begin{code}
1095     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1096     \end{code}
1097
1098     In Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1099     partial application and lambda abstraction. Partial application means that 
1100     a function that takes multiple arguments can be applied to a single 
1101     argument, and the result will again be a function, but takes one argument 
1102     less. As an example, consider the following expression, that adds one to 
1103     every element of a vector:
1104
1105     \hspace{-1.7em}
1106     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1107     \begin{code}
1108     map (add 1) xs
1109     \end{code}
1110     \end{minipage}
1111     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1112       \begin{example}
1113       \label{code:partialapplication}
1114       \end{example}
1115     \end{minipage}
1116
1117     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1118     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1119     adds 1 to its (next) argument. 
1120     
1121     A lambda expression allows a designer to introduce an anonymous function 
1122     in any expression. Consider the following expression, which again adds 1 
1123     to every element of a vector:
1124
1125     \hspace{-1.7em}
1126     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1127     \begin{code}
1128     map (\x -> x + 1) xs
1129     \end{code}
1130     \end{minipage}
1131     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1132       \begin{example}
1133       \label{code:lambdaexpression}
1134       \end{example}
1135     \end{minipage}
1136
1137     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1138     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1139     functions as arguments. This allows the circuit designer to apply a 
1140     large amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1141     function: if a function-typed argument is not instantiated with an actual 
1142     function, no hardware can be generated.    
1143
1144     An example of a common circuit where higher-order functions and partial 
1145     application lead to a very concise and natural description is a crossbar.
1146     The code (\ref{code:crossbar}) for this example can be seen below:
1147     
1148     \hspace{-1.7em}
1149     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1150     \begin{code}
1151     crossbar inputs selects = map (mux inputs) selects
1152       where
1153         mux inp x = (inp ! x)
1154     \end{code}
1155     \end{minipage}
1156     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1157       \begin{example}
1158       \label{code:crossbar}
1159       \end{example}
1160     \end{minipage}
1161     
1162     The the \hs{crossbar} function selects those values from \hs{inputs} that
1163     are indicated by the indexes in the vector \hs{selects}. The crossbar is 
1164     polymorphic in the width of the input (defined by the length of 
1165     \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of 
1166     \hs{selects}), and the signal type (defined by the element type of 
1167     \hs{inputs}). The type-checker can also automatically infer that 
1168     \hs{selects} is a vector of \hs{Index} values due to the use of the vector
1169     indexing operator (\hs{!}).
1170
1171   \subsection{State}
1172     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
1173     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1174     during a clock cycle. 
1175     % As \CLaSH\ has to be able to describe more than plain combinational 
1176     % designs, there is a need for an abstraction mechanism for state.
1177
1178     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
1179     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1180     conditions:
1181     \begin{inparaenum}
1182       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1183       both cases, and
1184       \item that the function has no observable side-effects.
1185     \end{inparaenum}
1186     % This purity property is important for functional languages, since it 
1187     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1188     % correct for impure functions. 
1189     Pure functions are a perfect match for combinational circuits, where the 
1190     output solely depends on the inputs. When a circuit has state however, it 
1191     can no longer be described by a pure function. 
1192     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1193     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1194     \CLaSH\ deals with the concept of state by making the current state an 
1195     additional argument of the function, and the updated state part of the 
1196     result. In this sense the descriptions made in \CLaSH\ are the 
1197     combinational parts of a mealy machine.
1198     
1199     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1200     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1201     \Cref{img:mac-state}:
1202     
1203     \hspace{-1.7em}
1204     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1205     \begin{code}
1206     macS (State c) (a, b) = (State c', c')
1207       where
1208         c' = mac a b c
1209     \end{code}
1210     \end{minipage}
1211     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1212       \begin{example}
1213       \label{code:macstate}
1214       \end{example}
1215     \end{minipage}
1216     
1217     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1218     of the output port. The \hs{State} wrapper indicates which arguments are 
1219     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1220     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1221     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1222     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1223     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1224     combination with the existing code and language features, such as all the 
1225     choice elements, as state values are just normal values from Haskell's 
1226     point of view. Stateful descriptions are simulated using the recursive 
1227     \hs{run} function:
1228     
1229     \hspace{-1.7em}
1230     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1231     \begin{code}
1232     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1233       where
1234         (s', o) = f s i
1235     \end{code}
1236     \end{minipage}
1237     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1238       \begin{example}
1239       \label{code:run}
1240       \end{example}
1241     \end{minipage}
1242     
1243     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1244     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1245     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1246     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1247     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1248     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1249     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1250     inputs, \hs{inps}. In the context of this paper, it is assumed that there 
1251     is one input per clock cycle. Note that the order of \hs{s',o,s,i} in the 
1252     where clause of the \hs{run} functions corresponds with the order of the 
1253     input, output and state of the \hs{macS} function (\ref{code:macstate}). 
1254     Thus, in Haskell the expression \hs{run macS 0 inputs} simulates \hs{macS} 
1255     on \hs{inputs} starting with the value \hs{0}
1256
1257     \begin{figure}
1258     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1259     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1260     \label{img:mac-state}
1261     \vspace{-1.5em}
1262     \end{figure}
1263     
1264     The complete simulation can be compiled to an executable binary by a 
1265     Haskell compiler, or executed in an Haskell interpreter. Both 
1266     simulation paths require less effort from a circuit designer than first 
1267     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1268     simulation; it is also very likely that both simulation paths are much 
1269     faster.
1270     
1271 \section{The \CLaSH\ compiler}
1272 \label{sec:compiler}
1273 The prototype \CLaSH\ compiler translates descriptions made in the \CLaSH\ 
1274 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1275 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1276
1277 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open source Haskell 
1278 compiler that also provides a high level \acro{API} to most of its internals. 
1279 Furthermore, it provides several parts of the prototype compiler for free, 
1280 such as the parser, the semantics checker, and the type checker. These parts 
1281 together form the front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1282 \Cref{img:compilerpipeline}.
1283
1284 \begin{figure}
1285 \vspace{1em}
1286 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1287 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1288 \label{img:compilerpipeline}
1289 \vspace{-1.5em}
1290 \end{figure}
1291
1292 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1293 Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a small 
1294 typed functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1295 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1296 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1297 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1298 to be transformed to a \emph{normal form}, which corresponds directly to 
1299 hardware. The second stage of the compiler, the \emph{normalization} phase, 
1300 exhaustively applies a set of \emph{meaning-preserving} transformations on the 
1301 \emph{Core} description until this description is in a \emph{normal form}. 
1302 This set of transformations includes transformations typically found in 
1303 reduction systems and lambda calculus~\cite{lambdacalculus}, such as 
1304 $\beta$-reduction and $\eta$-expansion. It also includes transformations that 
1305 are responsible for the specialization of higher-order functions to `regular' 
1306 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1307
1308 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1309 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to the resemblance of a 
1310 normalized description and a set of concurrent signal assignments. The 
1311 end-product of the \CLaSH\ compiler is called a \VHDL\ \emph{netlist} as the 
1312 result resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ 
1313 is only an implementation detail; e.g., the output could have been Verilog or 
1314 even \acro{EDIF}.
1315
1316 \section{Use cases}
1317 \label{sec:usecases}
1318 \subsection{FIR Filter}
1319 As an example of a common hardware design where the relation between 
1320 functional languages and mathematical functions, combined with the use of 
1321 higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} 
1322 filter:
1323
1324 \begin{equation}
1325 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1326 \end{equation}
1327
1328 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1329 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1330 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1331 filter is equivalent to the equation of the dot-product of two vectors, which 
1332 is shown below:
1333
1334 \begin{equation}
1335 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1336 \end{equation}
1337
1338 The equation for the dot-product is easily and directly implemented using 
1339 higher-order functions:
1340
1341 \hspace{-1.7em}
1342 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1343 \begin{code}
1344 as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
1345 \end{code}
1346 \end{minipage}
1347 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1348   \begin{example}
1349   \label{code:dotproduct}
1350   \end{example}
1351 \end{minipage}
1352
1353 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1354 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1355 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1356 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1357
1358 The \hs{fold} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1359 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1360 function to the result of the first application and the next element in the 
1361 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1362 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
1363 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1364 \hs{fold (+)} function is summation.
1365 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1366 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1367 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1368 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1369 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1370 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1371 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1372 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1373 % transformation to code):
1374
1375 % \begin{equation}
1376 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1377 % \end{equation}
1378 The complete definition of the \acro{FIR} filter in \CLaSH\ is:
1379
1380 \hspace{-1.7em}
1381 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1382 \begin{code}
1383 fir (State (xs,hs)) x = 
1384   (State (shiftInto x xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1385 \end{code}
1386 \end{minipage}
1387 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1388   \begin{example}
1389   \label{code:fir}
1390   \end{example}
1391 \end{minipage}
1392
1393 where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1394 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1395 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1396 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1397 code for the \hs{shiftInto} function, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1398 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1399 is shown below:
1400
1401 \hspace{-1.7em}
1402 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1403 \begin{code}
1404 shiftInto x xs = x +> init xs  
1405 \end{code}
1406 \end{minipage}
1407 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1408   \begin{example}
1409   \label{code:shiftinto}
1410   \end{example}
1411 \end{minipage}
1412
1413 where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1414 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1415 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1416 \Cref{img:4tapfir}.
1417
1418 \begin{figure}
1419 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1420 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1421 \label{img:4tapfir}
1422 \vspace{-1.5em}
1423 \end{figure}
1424
1425 \subsection{Higher-order CPU}
1426 %format fun x = "\textit{fu}_" x
1427 This section discusses a somewhat more serious example in which user-defined 
1428 higher-order function, partial application, lambda expressions, and pattern 
1429 matching are exploited. The example concerns a \acro{CPU} which consists of 
1430 four function units, \hs{fun 0,{-"\ldots"-},fun 3}, (see \Cref{img:highordcpu}) that each perform some binary operation.
1431
1432 \begin{figure}
1433 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1434 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1435 \label{img:highordcpu}
1436 \vspace{-1.5em}
1437 \end{figure}
1438
1439 Every function unit has seven data inputs (of type \hs{Signed 16}), and two 
1440 address inputs (of type \hs{Index 6}) that indicate which data inputs have to 
1441 be chosen as arguments for the binary operation that the unit performs. 
1442 These data inputs consists of one external input \hs{x}, two fixed 
1443 initialization values (0 and 1), and the previous outputs of the four function 
1444 units. The output of the \acro{CPU} as a whole is the previous output of 
1445 \hs{fun 3}.
1446
1447 The function units \hs{fun 1, fun 2}, and \hs{fun 3} can perform a fixed binary operation, whereas \hs{fun 0} has an additional input for an opcode to choose a binary operation out of a few possibilities. Each function unit outputs its result into a register, i.e., the state of the \acro{CPU}. This state can e.g. be defined as follows:
1448
1449 \begin{code}
1450 type CpuState = State [Signed 16 | 4]
1451 \end{code}
1452
1453 Every function unit can now be defined by the following higher-order function 
1454 \hs{fu}, which takes three arguments: the operation \hs{op} that the function 
1455 unit performs, the seven \hs{inputs}, and the address pair \hs{(a1,a2)}:
1456
1457 \hspace{-1.7em}
1458 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1459 \begin{code}
1460 fu op inputs (a1, a2) = regIn
1461   where
1462     arg1     = inputs!a1
1463     arg2     = inputs!a2
1464     regIn   = op arg1 arg2
1465 \end{code}
1466 \end{minipage}
1467 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1468   \begin{example}
1469   \label{code:functionunit}
1470   \end{example}
1471 \end{minipage}
1472
1473 \noindent Using partial application we now define:
1474
1475 \hspace{-1.7em}
1476 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1477 \begin{code}
1478 fun 1 = fu add
1479 fun 2 = fu sub
1480 fun 3 = fu mul
1481 \end{code}
1482 \end{minipage}
1483 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1484   \begin{example}
1485   \label{code:functionunits1to3}
1486   \end{example}
1487 \end{minipage}
1488
1489 In order to define \hs{fun 0}, the \hs{Opcode} type, and the \hs{multiop} functions that chooses a specific operation given the opcode, are defined first. It is assumed that the functions \hs{shifts} (which shifts its first 
1490 operand by the number of bits indicate in the second operand), \hs{xor} (for 
1491 the bitwise \hs{xor}), and (==) (for equality) already exist.
1492
1493 \hspace{-1.7em}
1494 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1495 \begin{code}
1496 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1497
1498 multiop Shift   = shift
1499 multiop Xor     = xor
1500 multiop Equal   = \a b -> if a == b then 1 else 0
1501 \end{code}
1502 \end{minipage}
1503 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1504   \begin{example}
1505   \label{code:multiop}
1506   \end{example}
1507 \end{minipage}
1508
1509 Note that the result of \hs{multiop} is a binary function; this is supported 
1510 by \CLaSH. The complete definition of \hs{fun 0}, which takes an opcode as 
1511 additional argument, is:
1512
1513 \hspace{-1.7em}
1514 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1515 \begin{code}
1516 fun 0 c = fu (multiop c)
1517 \end{code}
1518 \end{minipage}
1519 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1520   \begin{example}
1521   \label{code:functionunit0}
1522   \end{example}
1523 \end{minipage}
1524
1525 \noindent Now comes the definition of the full \acro{CPU}. Its type is:
1526
1527 \begin{code}
1528 cpu :: CpuState 
1529   -> (Word, Opcode, [(Index 6, Index 6) | 4])
1530   -> (CpuState, Word)
1531 \end{code}
1532
1533 \noindent Note that this type fits the requirements of the \hs{run} function. 
1534 The definition of the \hs{cpu} function now is:
1535
1536 \hspace{-1.7em}
1537 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1538 \begin{code}
1539 cpu (State s) (x,opc,addrs) = (State s', out)
1540   where
1541     inputs    =   x +> (0 +> (1 +> s))
1542     s'        =   [{-"\;"-}fun 0 opc   inputs (addrs!0)
1543                   ,{-"\;"-}fun 1       inputs (addrs!1)
1544                   ,{-"\;"-}fun 2       inputs (addrs!2)
1545                   ,{-"\;"-}fun 3       inputs (addrs!3)
1546                   ]
1547     out       =   last s
1548 \end{code}
1549 \end{minipage}
1550 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1551   \begin{example}
1552   \label{code:cpu}
1553   \end{example}
1554 \end{minipage}
1555
1556 While this is still a simple (and maybe not very useful) design, it 
1557 illustrates some possibilities that \CLaSH\ offers and suggests how to write 
1558 actual designs.
1559
1560 % Each of the function units has both its operands connected to all data
1561 % sources, and can be programmed to select any data source for either
1562 % operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1563 % opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
1564 % rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
1565
1566 % The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the 
1567 % operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual 
1568 % operation that takes place inside the function unit is supplied as the 
1569 % (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
1570
1571
1572
1573 % The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1574 % the bitwise xor of its operands.
1575
1576
1577 % The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
1578 % the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
1579 % function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
1580 % just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
1581 % This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
1582 % compared to the others.
1583
1584 % The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1585 % each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1586 % a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1587 % their operand. 
1588 % The application of the function units to the \hs{inputs} and
1589 % \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1590 % a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1591 % However, the prototype compiler does not currently support working with 
1592 % lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1593
1594 % While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
1595 % design, in which the same techniques can be reused.
1596
1597 \section{Related work}
1598 \label{sec:relatedwork}
1599 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1600 description languages and highlights the advantages that \CLaSH\ has 
1601 over existing work.
1602
1603 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1604 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1605 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1606 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1607 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1608 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1609
1610 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1611 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1612 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
1613 so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and the 
1614 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
1615 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
1616 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
1617 correctly translate all of its language constructs.
1618
1619 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1620 description languages have a foundation in the functional programming language 
1621 Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling language embedded in Haskell 
1622 and has sequential environments that make it easier to specify stateful 
1623 computation (by using the \acro{ST} monad). Hawk specifications can be 
1624 simulated; to the best knowledge of the authors there is however no support 
1625 for automated circuit synthesis. 
1626
1627 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1628 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1629 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1630 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1631 electronic systems which have both analog and digital parts. ForSyDe has 
1632 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1633 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1634 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1635 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1636 explicit conversions, where functions have to be wrapped in processes and 
1637 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1638 instantiations of components, also makes ForSyDe far more verbose than \CLaSH.
1639
1640 Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a hardware description language embedded in 
1641 Haskell which focuses on the structural representation of hardware. Like 
1642 \CLaSH, Lava has support for polymorphic types and higher-order functions. 
1643 Besides support for simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be 
1644 interfaced with formal method tools for formal verification. As discussed in 
1645 the introduction, taking the embedded language approach does not allow for 
1646 Haskell's choice elements to be captured within the circuit descriptions. In 
1647 this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice 
1648 elements, such as \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized 
1649 to choice elements in the eventual circuit. Consequently, descriptions 
1650 containing rich control structures can be specified in a more user-friendly 
1651 way in \CLaSH\ than possible within Lava, and hence are less error-prone.
1652
1653 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1654 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1655 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1656 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1657 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1658 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1659 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1660 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1661
1662 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1663 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1664 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1665 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1666 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1667 subprograms still require an explicit generic map, while the \CLaSH\ compiler 
1668 automatically infers types, and automatically propagates function-valued 
1669 arguments. There are also no (generally available) \VHDL\ synthesis tools that 
1670 currently support the \VHDL-2008 standard.
1671
1672 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1673
1674 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1675 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1676 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1677
1678 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1679 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1680 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1681 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1682 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1683 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1684 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1685 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1686 %
1687 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1688 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1689 % displayed while in draft mode.
1690 %
1691 %\begin{figure}[!t]
1692 %\centering
1693 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1694 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1695 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1696 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1697 %\caption{Simulation Results}
1698 %\label{fig_sim}
1699 %\end{figure}
1700
1701 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1702 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1703
1704
1705 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1706 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1707 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1708 % \label for the overall figure must come after \caption.
1709 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1710 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1711 % used instead of \subfloat.
1712 %
1713 %\begin{figure*}[!t]
1714 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1715 %\label{fig_first_case}}
1716 %\hfil
1717 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1718 %\label{fig_second_case}}}
1719 %\caption{Simulation results}
1720 %\label{fig_sim}
1721 %\end{figure*}
1722 %
1723 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1724 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1725 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1726
1727
1728 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1729 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1730 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1731 % The \label must come after \caption as always.
1732 %
1733 %\begin{table}[!t]
1734 %% increase table row spacing, adjust to taste
1735 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1736 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1737 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1738 %\caption{An Example of a Table}
1739 %\label{table_example}
1740 %\centering
1741 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1742 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1743 %\begin{tabular}{|c||c|}
1744 %\hline
1745 %One & Two\\
1746 %\hline
1747 %Three & Four\\
1748 %\hline
1749 %\end{tabular}
1750 %\end{table}
1751
1752
1753 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1754 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1755 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1756 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1757 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1758 % command of the stfloats package.
1759
1760
1761
1762 \section{Conclusion}
1763 \label{sec:conclusion}
1764 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1765 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1766 for component instantiation. While circuit descriptions made in \CLaSH\ are 
1767 very concise when compared to other (traditional) \acrop{HDL}, their intended 
1768 functionality remains clear. \CLaSH\ goes beyond the existing (functional) 
1769 hardware descriptions languages by including advanced choice elements, such as 
1770 pattern matching and guards, which are well suited to describe the conditional 
1771 assignments in control-oriented circuits. Besides being able to translate 
1772 these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype compiler can also 
1773 translate descriptions that contain both polymorphic types and user-defined 
1774 higher-order functions.
1775
1776 % Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1777 % embed themselves in an existing functional language, this research features 
1778 % a `true' compiler. As a result there is a clear distinction between 
1779 % compile-time and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be 
1780 % part of the actual circuit description; a feature the embedded hardware 
1781 % description languages do not offer.
1782
1783 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
1784 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
1785 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
1786 streaming reduction circuit~\cite{blindreview} %~\cite{reductioncircuit}
1787 for floating point numbers.
1788
1789 \section{Future Work}
1790 \label{sec:futurework}
1791 The choice of describing state explicitly as and extra argument and result can 
1792 be seen as a mixed blessing. Even though descriptions that use state are 
1793 usually very clear, distributing and collecting substate can become tedious 
1794 and even error-prone. Automating the required distribution and collection, or 
1795 finding a more suitable abstraction mechanism for state would make \CLaSH\ 
1796 easier to use. Currently, one of the examined approaches to suppress state in 
1797 the specification is by using Haskell's arrow-abstraction.
1798
1799 The transformations in the normalization phase of the prototype compiler are 
1800 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1801 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1802 transformations will always lead to a normal form or whether the normalization 
1803 process always terminates. Though extensive use of the compiler suggests that 
1804 these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
1805 systematic approach to defining the set of transformations allows one to proof 
1806 that the earlier mentioned properties do indeed hold.
1807
1808 % conference papers do not normally have an appendix
1809
1810
1811 % use section* for acknowledgement
1812 % \section*{Acknowledgment}
1813
1814 % The authors would like to thank...
1815
1816 % trigger a \newpage just before the given reference
1817 % number - used to balance the columns on the last page
1818 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1819 % the document is modified later
1820 % \IEEEtriggeratref{14}
1821 % The "triggered" command can be changed if desired:
1822 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1823
1824 % references section
1825
1826 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1827 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1828 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1829 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1830 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1831 \bibliographystyle{IEEEtran}
1832 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1833 \bibliography{clash}
1834 %
1835 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1836 % set second argument of \begin to the number of references
1837 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1838 % \begin{thebibliography}{1}
1839
1840 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1841 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1842 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1843
1844 % \end{thebibliography}
1845
1846
1847
1848
1849 % that's all folks
1850 \end{document}
1851
1852 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: