a6a3bdb855644912c4a827191ea7b42dc21c6d0e
[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 P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
413 \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
414 Department of EEMCS, University of Twente\\
415 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
416 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 % \and
420 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
421 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
422 % Springfield, USA\\
423 % Email: homer@thesimpsons.com}
424 % \and
425 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
426 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
427 % San Francisco, California 96678-2391\\
428 % Telephone: (800) 555--1212\\
429 % Fax: (888) 555--1212}}
430
431 % conference papers do not typically use \thanks and this command
432 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
433 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
434 % after \documentclass
435
436 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
437 % of the page, use this alternative format:
438
439 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
440 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
441 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
442 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
443 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
444 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
445 %Georgia Institute of Technology,
446 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
447 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
448 %Email: homer@thesimpsons.com}
449 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
450 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
451 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
452
453
454
455
456 % use for special paper notices
457 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
458
459
460
461
462 % make the title area
463 \maketitle
464
465 \begin{abstract}
466 %\boldmath
467 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
468 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
469 Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
470 generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
471 natural way than possible in a traditional hardware description language.
472
473 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
474 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
475 test input are also valid Haskell, complete simulations can be compiled as an 
476 executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
477 analysis.
478
479 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
480 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
481 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
482 % mealy machine.
483 \end{abstract}
484 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
485 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
486 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
487 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
488 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
489 % math in the abstract anyway.
490
491 % no keywords
492
493
494
495
496 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
497 % page as needed:
498 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
499 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
500 % \fi
501 %
502 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
503 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
504 \IEEEpeerreviewmaketitle
505
506 \section{Introduction}
507 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have allowed the productivity of 
508 hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
509 Traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
510 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
511 `programming' language. These standard languages are very good at describing 
512 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
513 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
514 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
515 functional languages has been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,
516 T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using 
517 functional languages for hardware descriptions started in the early 1980s 
518 \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a time which also saw the birth of the 
519 currently popular \acrop{HDL}, such as \VHDL. Functional 
520 languages are especially well suited to describe hardware because 
521 combinational circuits can be directly modeled as mathematical functions and
522 functional languages are very good at describing and composing these
523 functions.
524
525 In an attempt to ease the prototyping process of the language, such as 
526 creating all the required tooling, like parsers and type-checkers, many 
527 functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are embedded as a domain 
528 specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
529 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
530 functions and types that together form the language primitives of the 
531 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
532 process any signals, they instead compose a large domain-specific graph 
533 (which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
534 processed by an embedded circuit compiler which can perform for example 
535 simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, 
536 pattern-matching etc.) are evaluated at the time the domain-specific graph is 
537 being build, they are no longer visible to the embedded compiler that 
538 processes the datatype. Consequently, it is impossible to capture Haskell's 
539 choice elements within a circuit description when taking the embedded language 
540 approach. This does not mean that circuits specified in an embedded language 
541 can not contain choice, just that choice elements only exists as functions, 
542 e.g. a multiplexer function, and not as language elements.
543
544 The approach taken in this research is to use (a subset of) the Haskell 
545 language \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this 
546 approach, this research \emph{can} capture certain language constructs, like 
547 all of Haskell's choice elements, within circuit descriptions. The more 
548 advanced features of Haskel, such as polymorphic typing and higher-order 
549 function, are also supported.
550
551 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
552 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
553 % is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
554 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
555 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
556 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
557 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
558
559 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
560 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions and research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this stream of values. Descriptions presented in this research make the current state an additional input and the updated state a part of their output. This abstraction of state and time limits the descriptions to synchronous hardware, there is however room within the language to eventually add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of asynchronous systems.
561
562 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
563 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
564 prototype translator, which has the same name as the language: 
565 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
566 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
567 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
568 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
569
570 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
571 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
572 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
573 streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point 
574 numbers.
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 higher order functions and pattern matching.
580
581 \section{Hardware description in Haskell}
582 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
583 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
584 various subsections, the relation between the language elements and their 
585 eventual netlist representation is also highlighted. 
586
587   \subsection{Function application}
588     Two basic elements of a functional program are functions and function 
589     application. These have a single obvious translation to a netlist format: 
590     \begin{inparaenum}
591       \item every function is translated to a component, 
592       \item every function argument is translated to an input port,
593       \item the result value of a function is translated to an output port, 
594             and
595       \item function applications are translated to component instantiations.
596     \end{inparaenum} 
597     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
598     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
599     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
600     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
601     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
602     result of the application itself. Since every top level function generates 
603     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
604     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
605     % The separation in different components makes it easier for a developer 
606     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
607     % the \CLaSH\ compiler.
608
609     The short example (\ref{lst:code1}) seen below gives a demonstration of 
610     the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared with 
611     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
612     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
613     type of polymorphism will be further elaborated in 
614     \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist is depicted in 
615     \Cref{img:mac-comb}.
616     
617     \hspace{-1.7em}
618     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
619     \begin{code}
620     mac a b c = add (mul a b) c
621     \end{code}
622     \end{minipage}
623     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
624       \begin{example}
625       \label{lst:code1}
626       \end{example}
627     \end{minipage}
628     
629     \begin{figure}
630     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
631     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
632     \label{img:mac-comb}
633     \vspace{-1.5em}
634     \end{figure}
635     
636     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
637     (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
638     the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
639     Its corresponding netlist can be seen in \Cref{img:mac-comb-composite}.
640     
641     \hspace{-1.7em}
642     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
643     \begin{code}
644     mac a b c = (z, add z c)
645       where
646         z = mul a b
647     \end{code}
648     \end{minipage}
649     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
650       \begin{example}
651       \label{lst:code2}
652       \end{example}
653     \end{minipage}
654     \vspace{-1.5em}
655     
656     \begin{figure}
657     \vspace{1em}
658     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
659     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
660     \label{img:mac-comb-composite}
661     \vspace{-1.5em}
662     \end{figure}
663
664   \subsection{Choice}
665     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
666     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
667     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
668     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
669     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
670     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
671     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
672     comparators and their combined output forms the selection port of the 
673     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
674     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
675     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
676     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
677     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
678     
679     % Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
680     % (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
681     % (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
682     % sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
683     % predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. 
684     
685     An code example (\ref{lst:code3}) that uses a \hs{case} expression and 
686     \hs{if-then-else} expressions is shown below. The function counts up or 
687     down depending on the \hs{direction} variable, and has a \hs{wrap} 
688     variable that determines both the upper bound and wrap-around point of the 
689     counter. The \hs{direction} variable is of the following, user-defined, 
690     enumeration datatype:
691     
692     \begin{code}
693     data Direction = Up | Down
694     \end{code}
695
696     The naive netlist corresponding to this example is depicted in 
697     \Cref{img:counter}. Note that the \hs{direction} variable is only
698     compared to \hs{Up}, as an inequality immediately implies that 
699     \hs{direction} is \hs{Down}.
700
701     \hspace{-1.7em}
702     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
703     \begin{code}    
704     counter direction wrap x = case direction of
705         Up    -> if   x < wrap  then 
706                       x + 1     else 
707                       0
708         Down  -> if   x > 0   then 
709                       x - 1   else 
710                       wrap
711     \end{code}
712     \end{minipage}
713     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
714       \begin{example}
715       \label{lst:code3}
716       \end{example}
717     \end{minipage}
718     
719     % \hspace{-1.7em}
720     % \begin{minipage}{0.93\linewidth}
721     % \begin{code}
722     % sumif pred a b = 
723     %   if pred == Equal then 
724     %     if a == b then a + b else 0
725     %   else 
726     %     if a != b then a + b else 0
727     % \end{code}
728     % \end{minipage}
729     % \begin{minipage}{0.07\linewidth}
730     %   \begin{example}
731     %   \label{lst:code4}
732     %   \end{example}
733     % \end{minipage}
734
735     % \begin{figure}
736     % \vspace{1em}
737     % \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
738     % \caption{Choice - sumif}
739     % \label{img:choice}
740     % \vspace{-1.5em}
741     % \end{figure}
742
743     \begin{figure}
744     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
745     \caption{Counter netlist}
746     \label{img:counter}
747     \vspace{-2em}
748     \end{figure}
749
750     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
751     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
752     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
753     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
754     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
755     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
756     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
757     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
758     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
759     multiplexers. A second version (\ref{lst:code5}) of the earlier example, 
760     now using both pattern matching and guards, can be seen below. The guard 
761     is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
762     assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to 
763     \hs{true}.
764     
765     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
766     naive netlist representation (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
767     
768     \hspace{-1.7em}
769     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
770     \begin{code}
771     counter Up    wrap x  | x < wrap    = x + 1
772                           | otherwise   = 0
773     counter Down  wrap x  | x > 0       = x - 1
774                           | otherwise   = wrap
775     \end{code}
776     \end{minipage}
777     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
778       \begin{example}
779       \label{lst:code5}
780       \end{example}
781     \end{minipage}
782
783     % \begin{figure}
784     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
785     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
786     % \label{img:choice}
787     % \end{figure}
788
789   \subsection{Types}
790     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
791     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
792     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
793     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
794     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
795     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
796     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
797     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
798     translate the user-defined types, which are described later on.
799
800     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
801     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
802     type signature. % (even if it is good practice to do so).
803     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
804     concrete/monomorphic types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
805     polymorphic functions to functions with concrete types.
806   
807     % Translation of two most basic functional concepts has been
808     % discussed: function application and choice. Before looking further
809     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
810     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
811     % descriptions will be discussed.
812     % 
813     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
814     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
815     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
816     % 
817     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
818     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
819     % define his own types, which will be translated into hardware types
820     % using translation rules that are discussed later on.
821
822   \subsubsection{Built-in types}
823     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
824     compiler:
825     \begin{xlist}
826       \item[\bf{Bit}]
827         the most basic type available. It can have two values:
828         \hs{Low} or \hs{High}. 
829         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
830       \item[\bf{Bool}]
831         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
832         or \hs{False}. 
833         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
834         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
835         % \hs{High}). 
836         Supporting the Bool type is required in order to support the
837         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
838         the condition.
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 is a vector type that can contain elements of any other type and
857         has a static length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
858         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
859         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
860         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
861         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
862         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
863         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 no specified bit-size, but a specified upper 
880         bound. This means that its range is not limited to powers of two, but 
881         can be any number. An \hs{Index} only has an upper bound, its lower 
882         bound is implicitly zero. If a value of this type exceeds either 
883         bounds, an error will be thrown at \emph{simulation}-time. 
884
885         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
886         % the 8 element vector above, we would do:
887
888         % \begin{code}
889         % type RegisterIndex = RangedWord D7
890         % \end{code}
891
892         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
893         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
894         % other words, this defines an unsigned word with values from
895         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
896         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
897         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
898     \end{xlist}
899
900   \subsubsection{User-defined types}
901     % There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
902     % data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
903     % keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
904     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
905     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
906     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
907     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
908     % compiler.
909     A completely new type is introduced by an algebraic datatype declaration 
910     which is defined using the \hs{data} keyword. Type synonyms can be 
911     introduced using the \hs{type} keyword.
912     % Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
913     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
914     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
915     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
916     Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym  will 
917     just use the same representation as the original type. 
918     
919     For algebraic types, we can make the following distinctions:
920     \begin{xlist}
921       \item[\bf{Single constructor}]
922         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
923         fields allow values to be packed together in a record-like structure. 
924         Haskell's built-in tuple types are also defined as single constructor 
925         algebraic types (using a bit of syntactic sugar). An example of a 
926         single constructor type with multiple fields is the following pair of 
927         integers:
928         \begin{code}
929         data IntPair = IntPair Int Int
930         \end{code}
931         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
932         % for every field in the constructor.
933       \item[\bf{No fields}]
934         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
935         fields are essentially enumeration types. Note that Haskell's 
936         \hs{Bool} type is also defined as an enumeration type, but that there 
937         is a fixed translation for that type within the \CLaSH\ compiler. An 
938         example of an enumeration type definition is the definition for a 
939         traffic light:
940         \begin{code}
941         data TrafficLight = Red | Orange | Green
942         \end{code}
943         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
944         % value for each constructor. This allows references to these 
945         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
946         % value.
947       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
948         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
949         one of these constructors has one or more fields are currently not 
950         supported. Additional research is required to allow for the overlap of
951         the fields belonging to the different constructors.
952     \end{xlist}
953
954   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
955     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
956     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
957     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
958     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
959     without mention of any specific type and can be used transparently with 
960     any number of new 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 both \hs{a} and \hs{b}, which can both 
972     represent any type at all (as long as that type is supported by the 
973     \CLaSH\ compiler). This means that \hs{first} works for any tuple, 
974     regardless of what elements it contains. This kind of polymorphism is 
975     extremely useful in hardware designs, for example when routing signals 
976     without knowing their exact type, or specifying vector operations that 
977     work on vectors of any length and element type. Polymorphism also plays an 
978     important role in most higher order functions, as will be shown in the 
979     next section.
980
981     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
982     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
983     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
984     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
985     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
986     \emph{type classes}, where a class definition provides the general 
987     interface of a function, and class \emph{instances} define the 
988     functionality for the specific types. An example of such a type class is 
989     the \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical operations. 
990     A designer can make use of this ad-hoc polymorphism by adding a 
991     \emph{constraint} to a parametrically polymorphic type variable. Such a 
992     constraint indicates that the type variable can only be instantiated to a 
993     type whose members supports the overloaded functions associated with the 
994     type class. 
995     
996     An example of a type signature that includes such a constraint if the 
997     signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
998     \begin{code}
999     sum :: Num a => [a|n] -> a
1000     \end{code}
1001
1002     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
1003     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
1004     the compiler knows that the addition (+) operator is defined for that 
1005     type.
1006     
1007     A place where class constraints also play a role is in the size and range 
1008     parameters of the \hs{Vector} and numeric types. The reason being that 
1009     these parameters have to be limited to types that can represent 
1010     \emph{natural} numbers. This constraint will also be reflected in any of 
1011     the functions that work these types. The complete type of for example the 
1012     \hs{Vector} type is:
1013     \begin{code}
1014     Natural n => Vector n a
1015     \end{code}    
1016     
1017     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
1018     % class. 
1019     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
1020     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
1021
1022     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
1023     function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
1024     developer can also specify his own type classes and corresponding 
1025     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1026     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1027     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1028     any polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1029     polymorphic as the function is never applied and consequently there is no 
1030     way to determine the actual types for the type parameters. 
1031     
1032     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1033     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1034     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1035     operators of \hs{Eq}, and the comparison/order operators of \hs{Ord}.
1036
1037   \subsection{Higher-order functions \& values}
1038     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1039     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1040     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1041     value and be passed around, even as the argument of another
1042     function. The following example should clarify this concept:
1043     
1044     \hspace{-1.7em}
1045     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1046     %format not = "\mathit{not}"
1047     \begin{code}
1048     negateVector xs = map not xs
1049     \end{code}
1050     \end{minipage}
1051     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1052       \begin{example}
1053       \label{lst:code6}
1054       \end{example}
1055     \end{minipage}
1056
1057     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1058     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1059     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1060     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1061     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1062     elements in the vector.
1063
1064     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1065     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1066     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1067     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1068     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1069     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1070     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1071     input vector. All of these characteristics can be inferred from the type 
1072     signature belonging to \hs{map}:
1073
1074     \begin{code}
1075     map :: Natural n => (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1076     \end{code}
1077
1078     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1079     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1080     partial application and lambda abstraction. Partial application
1081     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1082     to a single argument, and the result will again be a function (but
1083     that takes one argument less). As an example, consider the following
1084     expression, that adds one to every element of a vector:
1085
1086     \hspace{-1.7em}
1087     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1088     \begin{code}
1089     map (add 1) xs
1090     \end{code}
1091     \end{minipage}
1092     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1093       \begin{example}
1094       \label{lst:code7}
1095       \end{example}
1096     \end{minipage}
1097
1098     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1099     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1100     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1101     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1102     expression, which again adds one to every element of a vector:
1103
1104     \hspace{-1.7em}
1105     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1106     \begin{code}
1107     map (\x -> x + 1) xs
1108     \end{code}
1109     \end{minipage}
1110     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1111       \begin{example}
1112       \label{lst:code8}
1113       \end{example}
1114     \end{minipage}
1115
1116     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1117     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1118     functions as arguments. This allows the circuit designer to use a 
1119     powerful amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1120     function: if a function-typed argument is not applied with an actual 
1121     function, no hardware can be generated.    
1122
1123     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1124
1125   \subsection{State}
1126     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
1127     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1128     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1129     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1130
1131     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
1132     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1133     conditions:
1134     \begin{inparaenum}
1135       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1136       both cases, and
1137       \item that the function has no observable side-effects.
1138     \end{inparaenum}
1139     % This purity property is important for functional languages, since it 
1140     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1141     % correct for impure functions. 
1142     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1143     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1144     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1145     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1146     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1147     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1148     the current state an additional argument of the function, and the 
1149     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1150     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1151     
1152     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1153     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1154     \Cref{img:mac-state}:
1155     
1156     \hspace{-1.7em}
1157     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1158     \begin{code}
1159     macS (State c) a b = (State c', c')
1160       where
1161         c' = mac a b c
1162     \end{code}
1163     \end{minipage}
1164     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1165       \begin{example}
1166       \label{lst:code9}
1167       \end{example}
1168     \end{minipage}
1169     
1170     \begin{figure}
1171     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1172     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1173     \label{img:mac-state}
1174     \vspace{-1.5em}
1175     \end{figure}
1176     
1177     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1178     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1179     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1180     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1181     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1182     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1183     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1184     combination with the existing code and language features, such as all the 
1185     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1186     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1187     
1188     \hspace{-1.7em}
1189     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1190     \begin{code}
1191     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1192       where
1193         (s', o) = f s i
1194     \end{code}
1195     \end{minipage}
1196     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1197       \begin{example}
1198       \label{lst:code10}
1199       \end{example}
1200     \end{minipage}
1201     
1202     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1203     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1204     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1205     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1206     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1207     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1208     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1209     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1210     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1211     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1212     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1213     described earlier.
1214     
1215     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1216     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1217     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1218     Haskell interpreter. Both simulation paths require less effort from a 
1219     circuit designer than first translating the description to \VHDL\ and then 
1220     running a \VHDL\ simulation; it is also very likely that both simulation 
1221     paths are much faster.
1222     
1223 \section{The \CLaSH\ compiler}
1224 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1225 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1226 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1227 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1228
1229 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1230 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1231 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1232 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1233 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1234 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1235 \Cref{img:compilerpipeline}.
1236
1237 \begin{figure}
1238 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1239 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1240 \label{img:compilerpipeline}
1241 \vspace{-1.5em}
1242 \end{figure}
1243
1244 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1245 Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1246 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1247 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1248 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1249 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1250 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1251 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1252 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1253 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1254 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1255 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1256 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1257 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1258 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1259 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1260
1261 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1262 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1263 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1264 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the result
1265 resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ is 
1266 only an implementation detail; the output could for example also be in 
1267 Verilog.
1268
1269 \section{Use cases}
1270 \label{sec:usecases}
1271 \subsection{FIR Filter}
1272 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1273 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1274 basically the dot-product of two vectors:
1275
1276 \begin{equation}
1277 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1278 \end{equation}
1279
1280 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1281 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1282 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1283 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1284 shown below:
1285
1286 \begin{equation}
1287 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1288 \end{equation}
1289
1290 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1291 using higher-order functions:
1292
1293 \hspace{-1.7em}
1294 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1295 \begin{code}
1296 as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
1297 \end{code}
1298 \end{minipage}
1299 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1300   \begin{example}
1301   \label{lst:code13}
1302   \end{example}
1303 \end{minipage}
1304
1305 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1306 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1307 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1308 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1309
1310 The \hs{fold} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1311 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1312 function to the result of the first application and the next element in the 
1313 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1314 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
1315 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1316 \hs{fold (+)} function is summation.
1317 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1318 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1319 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1320 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1321 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1322 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1323 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1324 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1325 % transformation to code):
1326
1327 % \begin{equation}
1328 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1329 % \end{equation}
1330 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1331
1332 \hspace{-1.7em}
1333 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1334 \begin{code}
1335 fir (State (xs,hs)) x = 
1336   (State (shiftInto x xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1337 \end{code}
1338 \end{minipage}
1339 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1340   \begin{example}
1341   \label{lst:code14}
1342   \end{example}
1343 \end{minipage}
1344
1345 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1346 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1347 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1348 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1349 code for the \hs{shiftInto} function, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1350 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1351 is shown below:
1352
1353 \hspace{-1.7em}
1354 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1355 \begin{code}
1356 shiftInto x xs = x +> init xs  
1357 \end{code}
1358 \end{minipage}
1359 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1360   \begin{example}
1361   \label{lst:code15}
1362   \end{example}
1363 \end{minipage}
1364
1365 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1366 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1367 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1368 \Cref{img:4tapfir}.
1369
1370 \begin{figure}
1371 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1372 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1373 \label{img:4tapfir}
1374 \vspace{-1.5em}
1375 \end{figure}
1376
1377 \subsection{Higher-order CPU}
1378 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher order
1379 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1380 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1381 common operations.
1382
1383 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1384 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1385 previous outputs of each function units, along with the single data input the 
1386 \acro{CPU} has and two fixed initialization values.
1387
1388 Each of the function units has both its operands connected to all data
1389 sources, and can be programmed to select any data source for either
1390 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1391 opcode input to select the operation it performs. The output of the rightmost 
1392 function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
1393
1394 Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
1395 arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
1396 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1397 but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
1398 of two arguments that defines the operation.
1399
1400 \hspace{-1.7em}
1401 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1402 \begin{code}
1403 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1404   where
1405     in1     = inputs!addr1
1406     in2     = inputs!addr2
1407     regIn   = op in1 in2
1408 \end{code}
1409 \end{minipage}
1410 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1411   \begin{example}
1412   \label{lst:code16}
1413   \end{example}
1414 \end{minipage}
1415
1416 The \hs{multiop} function defines the operation that takes place in the
1417 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU}
1418 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1419 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1420 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1421 the bitwise xor of its operands.
1422
1423 \hspace{-1.7em}
1424 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1425 \begin{code}
1426 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1427
1428 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1429 multiop Shift   a b                 = shift a b
1430 multiop Xor     a b                 = xor a b
1431 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1432                       | otherwise   = 0
1433 \end{code}
1434 \end{minipage}
1435 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1436   \begin{example}
1437   \label{lst:code17}
1438   \end{example}
1439 \end{minipage}
1440
1441 The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1442 function four times, to create a different function unit each time. The
1443 first application is interesting, because it does not just pass a
1444 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1445 shows how the first function unit effectively gets an extra input,
1446 compared to the others.
1447
1448 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1449 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1450 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1451 their operand. 
1452 % The application of the function units to the \hs{inputs} and
1453 % \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1454 % a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1455 % However, the prototype compiler does not currently support working with 
1456 % lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1457
1458 \hspace{-1.7em}
1459 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1460 \begin{code}
1461 type CpuState = State [Word | 4]
1462
1463 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1464        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1465 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1466   where
1467     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1468               , fu add            inputs (addrs!1)
1469               , fu sub            inputs (addrs!2)
1470               , fu mul            inputs (addrs!3)
1471               ]
1472     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1473     out       =   last s
1474 \end{code}
1475 \end{minipage}
1476 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1477   \begin{example}
1478   \label{lst:code18}
1479   \end{example}
1480 \end{minipage}
1481
1482 This is still a simple example, but it could form the basis
1483 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1484
1485 \section{Related work}
1486 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1487 description languages and highlights the advantages that this research has 
1488 over existing work.
1489
1490 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1491 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1492 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1493 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1494 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1495 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1496
1497 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1498 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1499 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
1500 so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and that the 
1501 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
1502 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
1503 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
1504 correctly translate all of the language constructs mentioned in this paper.
1505
1506 \begin{figure}
1507 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1508 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1509 \label{img:highordcpu}
1510 \vspace{-1.5em}
1511 \end{figure}
1512
1513 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1514 description languages have some sort of foundation in the functional 
1515 programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling 
1516 language embedded in Haskell and has sequential environments that make it 
1517 easier to specify stateful computation. Hawk specifications can be simulated; 
1518 to the best knowledge of the authors there is however no support for automated 
1519 circuit synthesis. 
1520
1521 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1522 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1523 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1524 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1525 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1526 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1527 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1528 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1529 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1530 explicit conversions, where function have to be wrapped in processes and 
1531 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1532 instantiations of components, also makes ForSyDe more verbose than \CLaSH.
1533
1534 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language, embedded in Haskell, and 
1535 focuses on the structural representation of hardware. Like \CLaSH, Lava has 
1536 support for polymorphic types and higher-order functions. Besides support for 
1537 simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with 
1538 formal method tools for formal verification. As discussed in the introduction, 
1539 taking the embedded language approach does not allow for Haskell's choice 
1540 elements to be captured within the circuit descriptions. In this respect 
1541 \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice elements, such as 
1542 \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized to choice elements 
1543 in the eventual circuit. Consequently, descriptions containing rich control 
1544 structures can be specified in a more user-friendly way in \CLaSH\ than possible within Lava, and are hence less error-prone.
1545
1546 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1547 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1548 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1549 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1550 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1551 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1552 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1553 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1554
1555 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1556 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1557 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1558 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1559 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1560 subprograms still require an explicit generic map, whereas types can be 
1561 automatically inferred, and function-values can be automatically propagated 
1562 by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally available) \VHDL\ 
1563 synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
1564
1565 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1566
1567 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1568 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1569 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1570
1571 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1572 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1573 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1574 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1575 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1576 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1577 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1578 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1579 %
1580 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1581 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1582 % displayed while in draft mode.
1583 %
1584 %\begin{figure}[!t]
1585 %\centering
1586 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1587 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1588 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1589 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1590 %\caption{Simulation Results}
1591 %\label{fig_sim}
1592 %\end{figure}
1593
1594 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1595 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1596
1597
1598 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1599 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1600 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1601 % \label for the overall figure must come after \caption.
1602 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1603 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1604 % used instead of \subfloat.
1605 %
1606 %\begin{figure*}[!t]
1607 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1608 %\label{fig_first_case}}
1609 %\hfil
1610 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1611 %\label{fig_second_case}}}
1612 %\caption{Simulation results}
1613 %\label{fig_sim}
1614 %\end{figure*}
1615 %
1616 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1617 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1618 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1619
1620
1621 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1622 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1623 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1624 % The \label must come after \caption as always.
1625 %
1626 %\begin{table}[!t]
1627 %% increase table row spacing, adjust to taste
1628 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1629 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1630 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1631 %\caption{An Example of a Table}
1632 %\label{table_example}
1633 %\centering
1634 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1635 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1636 %\begin{tabular}{|c||c|}
1637 %\hline
1638 %One & Two\\
1639 %\hline
1640 %Three & Four\\
1641 %\hline
1642 %\end{tabular}
1643 %\end{table}
1644
1645
1646 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1647 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1648 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1649 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1650 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1651 % command of the stfloats package.
1652
1653
1654
1655 \section{Conclusion}
1656 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1657 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1658 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1659 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1660 choice elements, such as pattern matching, that are well suited to describe 
1661 the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides being able 
1662 to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1663 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1664 polymorphic types and function-valued arguments.
1665
1666 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1667 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1668 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1669 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1670 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1671 languages do not offer.
1672
1673 \section{Future Work}
1674 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1675 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1676 usually very clear, one finds that distributing and collecting substate can 
1677 become tedious and even error-prone. Removing the required boilerplate for 
1678 distribution and collection, or finding a more suitable abstraction mechanism 
1679 for state would make \CLaSH\ easier to use.
1680
1681 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1682 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1683 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1684 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1685 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1686 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1687 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1688 earlier mentioned properties do indeed exist.
1689
1690 % conference papers do not normally have an appendix
1691
1692
1693 % use section* for acknowledgement
1694 % \section*{Acknowledgment}
1695
1696 % The authors would like to thank...
1697
1698 % trigger a \newpage just before the given reference
1699 % number - used to balance the columns on the last page
1700 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1701 % the document is modified later
1702 % \IEEEtriggeratref{14}
1703 % The "triggered" command can be changed if desired:
1704 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1705
1706 % references section
1707
1708 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1709 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1710 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1711 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1712 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1713 \bibliographystyle{IEEEtran}
1714 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1715 \bibliography{clash}
1716 %
1717 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1718 % set second argument of \begin to the number of references
1719 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1720 % \begin{thebibliography}{1}
1721
1722 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1723 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1724 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1725
1726 % \end{thebibliography}
1727
1728
1729
1730
1731 % that's all folks
1732 \end{document}
1733
1734 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: