Start section on State
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
67 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73 % Some very useful LaTeX packages include:
74 % (uncomment the ones you want to load)
75
76 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
77 %
78 %\usepackage{ifpdf}
79 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
80 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
81 % usage:
82 % \ifpdf
83 %   % pdf code
84 % \else
85 %   % dvi code
86 % \fi
87 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
88 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
89 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
90 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
91 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
92 % have to be run twice to clear warning/error messages.
93
94
95
96
97
98
99 % *** CITATION PACKAGES ***
100 %
101 \usepackage{cite}
102 % cite.sty was written by Donald Arseneau
103 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
104 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
105 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
106 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
107 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
108 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
109 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
110 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
111 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
112 % not currently provide for hyperlinked citations.
113 % The latest version can be obtained at:
114 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
115 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
116
117
118
119
120
121
122 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
123 %
124 \ifCLASSINFOpdf
125   % \usepackage[pdftex]{graphicx}
126   % declare the path(s) where your graphic files are
127   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
128   % and their extensions so you won't have to specify these with
129   % every instance of \includegraphics
130   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
131 \else
132   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
133   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
134   % driver is specified.
135   % \usepackage[dvips]{graphicx}
136   % declare the path(s) where your graphic files are
137   % \graphicspath{{../eps/}}
138   % and their extensions so you won't have to specify these with
139   % every instance of \includegraphics
140   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
141 \fi
142 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
143 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
144 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
145 % be obtained at: 
146 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
147 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
148 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
149 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
150 %
151 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
152 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
153 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
154 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
155 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
156 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
157 % well as large increases in file sizes.
158 %
159 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
160 % http://www.tug.org/applications/pdftex
161
162
163
164
165
166 % *** MATH PACKAGES ***
167 %
168 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
169 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
170 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
171 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
172 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
173 % it is possible that some math symbols, particularly those within
174 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
175 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
176 %
177 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
178 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
179 %\interdisplaylinepenalty=2500
180 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
181 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
182 % version and documentation can be obtained at:
183 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
184
185
186
187
188
189 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
190 %
191 %\usepackage{algorithmic}
192 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
193 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
194 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
195 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
196 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
197 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
198 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
199 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
200 % algorithmic.sty can be obtained at:
201 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
202 % There is also a support site at:
203 % http://algorithms.berlios.de/index.html
204 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
205 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
207
208
209
210
211 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
212 %
213 %\usepackage{array}
214 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
215 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
216 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
217 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
218 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
219 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
220 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
221 % latest version and documentation can be obtained at:
222 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
223
224
225 %\usepackage{mdwmath}
226 %\usepackage{mdwtab}
227 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
228 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
229 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
230 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
231 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
232
233
234 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
235 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
236 % quality.
237
238
239 %\usepackage{eqparbox}
240 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
241 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
242 % Available at:
243 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
244
245
246
247
248
249 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
250 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
251 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
252 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
253 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
254 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
255 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
256 % be obtained at:
257 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
258 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
259
260
261
262 %\usepackage[caption=false]{caption}
263 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
264 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
265 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
266 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
267 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
268 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
269 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
270 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
271 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
272 % the caption=false option directly:
273 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
274 %
275 % The latest version and documentation can be obtained at:
276 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
277 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
278 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
279
280
281
282
283 % *** FLOAT PACKAGES ***
284 %
285 %\usepackage{fixltx2e}
286 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
287 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
288 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
289 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
290 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
291 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
292 % figure. The latest version and documentation can be found at:
293 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
294
295
296
297 %\usepackage{stfloats}
298 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
299 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
300 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
301 % LaTeX2e). It also provides a command:
302 %\fnbelowfloat
303 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
304 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
305 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
306 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
307 % version and documentation can be obtained at:
308 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
309 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
310 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
311 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
312 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
313 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
314 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
315 % not format its papers in such ways.
316
317
318
319
320
321 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
322 %
323 %\usepackage{url}
324 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
325 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
326 % systems. The latest version can be obtained at:
327 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
328 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
329 % \url{my_url_here}.
330
331
332
333
334
335 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
336 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
337 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
338 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
339 % to submit to, of course. )
340
341 % correct bad hyphenation here
342 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
343
344 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
345 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
346 \def\acro#1{{\small{#1}}}
347 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
348 \def\GHC{\acro{GHC}}
349 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
350
351 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
352 % we'll get something more complex later on.
353 \def\hs#1{\texttt{#1}}
354 \def\quote#1{``{#1}"}
355
356 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
357   \begin{list}{}{%
358     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
359     \setlength{\labelsep}{0.5cm}
360     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
361     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
362     \setlength{\rightmargin}{0pt}
363     \setlength{\parsep}{0.5ex plus 0.2ex minus 0.1ex}
364     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
365     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
366     }
367   }
368 {\end{list}}
369
370 %include polycode.fmt
371
372 \begin{document}
373 %
374 % paper title
375 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
376 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
377
378
379 % author names and affiliations
380 % use a multiple column layout for up to three different
381 % affiliations
382 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
383 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
384 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
385 c.p.r.baaij@utwente.nl, matthijs@stdin.nl}}
386 % \and
387 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
388 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
389 % Springfield, USA\\
390 % Email: homer@thesimpsons.com}
391 % \and
392 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
393 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
394 % San Francisco, California 96678-2391\\
395 % Telephone: (800) 555--1212\\
396 % Fax: (888) 555--1212}}
397
398 % conference papers do not typically use \thanks and this command
399 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
400 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
401 % after \documentclass
402
403 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
404 % of the page, use this alternative format:
405
406 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
407 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
408 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
409 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
410 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
411 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
412 %Georgia Institute of Technology,
413 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
414 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
415 %Email: homer@thesimpsons.com}
416 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
417 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
418 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
419
420
421
422
423 % use for special paper notices
424 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
425
426
427
428
429 % make the title area
430 \maketitle
431
432
433 \begin{abstract}
434 %\boldmath
435 The abstract goes here.
436 \end{abstract}
437 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
438 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
439 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
440 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
441 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
442 % math in the abstract anyway.
443
444 % no keywords
445
446
447
448
449 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
450 % page as needed:
451 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
452 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
453 % \fi
454 %
455 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
456 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
457 \IEEEpeerreviewmaketitle
458
459
460 \section{Introduction}
461 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
462 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
463 Hardware description languages, like \VHDL\ and Verilog, allowed an engineer 
464 to describe circuits using a programming language. These standard languages 
465 are very good at describing detailed hardware properties such as timing 
466 behavior, but are generally cumbersome in expressing higher-level 
467 abstractions. These languages also tend to have a complex syntax and a lack of 
468 formal semantics. To overcome these complexities, and raise the abstraction 
469 level, a great number of approaches based on functional languages has been 
470 proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea 
471 of using functional languages started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,
472 muFP,DAISY,FHDL}, a time which also saw the birth of the currently popular 
473 hardware description languages such as \VHDL.
474
475 What gives functional languages as hardware description languages their merits 
476 is the fact that basic combinatorial circuits are equivalent to mathematical 
477 function, and that functional languages lend themselves very well to describe 
478 and compose these mathematical functions.
479 \section{Hardware description in Haskell}
480
481   \subsection{Function application}
482     The basic syntactic elements of a functional program are functions
483     and function application. These have a single obvious \VHDL\
484     translation: each top level function becomes a hardware component,
485     where each argument is an input port and the result value is the
486     (single) output port. This output port can have a complex type (such
487     as a tuple), so having just a single output port does not create a
488     limitation.
489
490     Each function application in turn becomes component instantiation.
491     Here, the result of each argument expression is assigned to a
492     signal, which is mapped to the corresponding input port. The output
493     port of the function is also mapped to a signal, which is used as
494     the result of the application itself.
495
496     Since every top level function generates its own component, the
497     hierarchy of of function calls is reflected in the final \VHDL\
498     output as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the
499     hardware.  This separation in different components makes the
500     resulting \VHDL\ output easier to read and debug.
501
502     Example that defines the \texttt{mac} function by applying the
503     \texttt{add} and \texttt{mul} functions to calculate $a * b + c$:
504
505 \begin{verbatim}
506 mac a b c = add (mul a b) c
507 \end{verbatim}
508
509     TODO: Pretty picture
510
511   \subsection{Choices }
512     Although describing components and connections allows describing a
513     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
514     choice. We need some way to be able to choose between values based
515     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
516     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
517
518     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
519     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
520     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
521     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
522     conditions use equality comparisons against the constructors in the
523     \hs{case} expressions.
524
525     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
526     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
527     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
528     pattern, the corresponding clause will be used.
529
530     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
531     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
532     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
533     guard.
534
535     Contrived example that sums two values when they are equal or
536     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
537     otherwise. This shows three implementations, one using and if
538     expression, one using only case expressions and one using pattern
539     matching and guards.
540
541 \begin{verbatim}
542 sumif pred a b = if pred == Eq && a == b || pred == Neq && a != b
543                  then a + b
544                  else 0
545 \end{verbatim}
546
547 \begin{verbatim}
548 sumif pred a b = case pred of
549   Eq -> case a == b of
550     True -> a + b
551     False -> 0
552   Neq -> case a != b of
553     True -> a + b
554     False -> 0
555 \end{verbatim}
556
557 \begin{verbatim}
558 sumif Eq a b | a == b = a + b
559 sumif Neq a b | a != b = a + b
560 sumif _ _ _ = 0
561 \end{verbatim}
562
563   TODO: Pretty picture
564
565   \subsection{Types}
566     Translation of two most basic functional concepts has been
567     discussed: function application and choice. Before looking further
568     into less obvious concepts like higher-order expressions and
569     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
570     descriptions will be discussed.
571
572     Some way is needed to translate every values used to its hardware
573     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
574     every \emph{type} used in a hardware description is needed
575
576     Since most functional languages have a lot of standard types that
577     are hard to translate (integers without a fixed size, lists without
578     a static length, etc.), a number of \quote{built-in} types will be
579     defined first. These types are built-in in the sense that our
580     compiler will have a fixed \VHDL\ type for these. User defined types,
581     on the other hand, will have their hardware type derived directly
582     from their Haskell declaration automatically, according to the rules
583     sketched here.
584
585   \subsection{Built-in types}
586     The language currently supports the following built-in types. Of these,
587     only the \hs{Bool} type is supported by Haskell out of the box (the
588     others are defined by the \CLaSH\ package, so they are user-defined types
589     from Haskell's point of view).
590
591     \begin{xlist}
592       \item[\hs{Bit}]
593         This is the most basic type available. It is mapped directly onto
594         the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. Mapping this to the
595         \texttt{bit} type might make more sense (since the Haskell version
596         only has two values), but using \texttt{std\_logic} is more standard
597         (and allowed for some experimentation with don't care values)
598
599       \item[\hs{Bool}]
600         This is the only built-in Haskell type supported and is translated
601         exactly like the Bit type (where a value of \hs{True} corresponds to a
602         value of \hs{High}). Supporting the Bool type is particularly
603         useful to support \hs{if ... then ... else ...} expressions, which
604         always have a \hs{Bool} value for the condition.
605
606         A \hs{Bool} is translated to a \texttt{std\_logic}, just like \hs{Bit}.
607       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
608         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
609         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
610         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
611         ollows:
612
613 \begin{verbatim}
614   type Word32 = SizedWord D32
615 \end{verbatim}
616
617         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
618         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
619         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
620         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word.
621
622         These types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and
623         \texttt{signed} respectively.
624       \item[\hs{Vector}]
625         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
626         has a fixed length. It has two type parameters: its
627         length and the type of the elements contained in it. By putting the
628         length parameter in the type, the length of a vector can be determined
629         at compile time, instead of only at run-time for conventional lists.
630
631         The \hs{Vector} type constructor takes two type arguments: the length
632         of the vector and the type of the elements contained in it. The state
633         type of an 8 element register bank would then for example be:
634
635 \begin{verbatim}
636 type RegisterState = Vector D8 Word32
637 \end{verbatim}
638
639         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
640         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The type
641         level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} (The 32
642         bit word type as defined above). In other words, the
643         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words.
644
645         A fixed size vector is translated to a \VHDL\ array type.
646       \item[\hs{RangedWord}]
647         This is another type to describe integers, but unlike the previous
648         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
649         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
650         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
651         implicitly zero. There is a lot of added implementation complexity
652         when adding a lower bound and having just an upper bound was enough
653         for the primary purpose of this type: type-safely indexing vectors.
654
655         To define an index for the 8 element vector above, we would do:
656
657 \begin{verbatim}
658 type RegisterIndex = RangedWord D7
659 \end{verbatim}
660
661         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
662         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
663         other words, this defines an unsigned word with values from
664         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
665         8 element vector \hs{RegisterState} above.
666
667         This type is translated to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
668     \end{xlist}
669   \subsection{User-defined types}
670     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
671     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
672     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
673     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
674     existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard
675     Haskell.  These will be left outside the scope of this research.
676
677     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
678     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
679     below. Type synonyms and renamings only define new names for
680     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
681     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
682     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
683     just use the same representation as the original type. The
684     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
685     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
686
687     For algebraic types, we can make the following distinction: 
688
689     \begin{xlist}
690       \item[Product types]
691         A product type is an algebraic datatype with a single constructor with
692         two or more fields, denoted in practice like (a,b), (a,b,c), etc. This
693         is essentially a way to pack a few values together in a record-like
694         structure. In fact, the built-in tuple types are just algebraic product
695         types (and are thus supported in exactly the same way).
696
697         The \quote{product} in its name refers to the collection of values 
698         belonging to this type. The collection for a product type is the 
699         Cartesian product of the collections for the types of its fields.
700
701         These types are translated to \VHDL\ record types, with one field for
702         every field in the constructor. This translation applies to all single
703         constructor algebraic data-types, including those with just one
704         field (which are technically not a product, but generate a VHDL
705         record for implementation simplicity).
706       \item[Enumerated types]
707         An enumerated type is an algebraic datatype with multiple constructors, but
708         none of them have fields. This is essentially a way to get an
709         enumeration-like type containing alternatives.
710
711         Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an
712         enumeration type, but we have a fixed translation for that.
713
714         These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one value for
715         each constructor. This allows references to these constructors to be
716         translated to the corresponding enumeration value.
717       \item[Sum types]
718         A sum type is an algebraic datatype with multiple constructors, where
719         the constructors have one or more fields. Technically, a type with
720         more than one field per constructor is a sum of products type, but
721         for our purposes this distinction does not really make a
722         difference, so this distinction is note made.
723
724         The \quote{sum} in its name refers again to the collection of values
725         belonging to this type. The collection for a sum type is the
726         union of the the collections for each of the constructors.
727
728         Sum types are currently not supported by the prototype, since there is
729         no obvious \VHDL\ alternative. They can easily be emulated, however, as
730         we will see from an example:
731
732 \begin{verbatim}
733 data Sum = A Bit Word | B Word
734 \end{verbatim}
735
736         An obvious way to translate this would be to create an enumeration to
737         distinguish the constructors and then create a big record that
738         contains all the fields of all the constructors. This is the same
739         translation that would result from the following enumeration and
740         product type (using a tuple for clarity):
741
742 \begin{verbatim}
743 data SumC = A | B
744 type Sum = (SumC, Bit, Word, Word)
745 \end{verbatim}
746
747         Here, the \hs{SumC} type effectively signals which of the latter three
748         fields of the \hs{Sum} type are valid (the first two if \hs{A}, the
749         last one if \hs{B}), all the other ones have no useful value.
750
751         An obvious problem with this naive approach is the space usage: the
752         example above generates a fairly big \VHDL\ type. Since we can be
753         sure that the two \hs{Word}s in the \hs{Sum} type will never be valid
754         at the same time, this is a waste of space.
755
756         Obviously, duplication detection could be used to reuse a
757         particular field for another constructor, but this would only
758         partially solve the problem. If two fields would be, for
759         example, an array of 8 bits and an 8 bit unsigned word, these are
760         different types and could not be shared. However, in the final
761         hardware, both of these types would simply be 8 bit connections,
762         so we have a 100\% size increase by not sharing these.
763       \end{xlist}
764
765   \subsection{State}
766     A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
767     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
768     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
769     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
770     combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
771
772 \section{\CLaSH\ prototype}
773
774 foo\par bar
775
776 \section{Related work}
777 Many functional hardware description languages have been developed over the 
778 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
779 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
780 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
781 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
782 circuits, and has a particular focus on layout. \acro{HML}~\cite{HML2} is a 
783 hardware modeling language based on the strict functional language 
784 \acro{ML}, and has support for polymorphic types and higher-order functions. 
785 Published work suggests that there is no direct simulation support for 
786 \acro{HML}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
787
788 Like this work, many functional hardware description languages have some sort 
789 of foundation in the functional programming language Haskell. 
790 Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
791 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
792 specifications can be simulated, but there seems to be no support for 
793 automated circuit synthesis. The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell 
794 to specify abstract system models, which can (manually) be transformed into an 
795 implementation model using semantic preserving transformations. ForSyDe has 
796 several simulation and synthesis backends, though synthesis is restricted to 
797 the synchronous subset of the ForSyDe language.
798
799 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
800 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
801 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
802 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
803 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
804 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
805 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
806 circuit he will have to specify this explicitly as a component. In this 
807 respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, such as 
808 case-statements and patter matching, are synthesized to choice elements in the 
809 eventual circuit. As such, richer control structures can both be specified and 
810 synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages mentioned in this 
811 section.
812
813 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
814 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
815 exemplified by the new \VHDL\ 2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 has 
816 support to specify types as generics, thus allowing a developer to describe 
817 polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
818 generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in 
819 \CLaSH.
820
821 Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
822
823 A functional language designed specifically for hardware design is 
824 $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
825 language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
826
827 % An example of a floating figure using the graphicx package.
828 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
829 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
830 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
831 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
832 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
833 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
834 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
835 %
836 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
837 % option should be used if it is desired that the figures are to be
838 % displayed while in draft mode.
839 %
840 %\begin{figure}[!t]
841 %\centering
842 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
843 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
844 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
845 % via \DeclareGraphicsExtensions.
846 %\caption{Simulation Results}
847 %\label{fig_sim}
848 %\end{figure}
849
850 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
851 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
852
853
854 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
855 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
856 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
857 % \label for the overall figure must come after \caption.
858 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
859 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
860 % used instead of \subfloat.
861 %
862 %\begin{figure*}[!t]
863 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
864 %\label{fig_first_case}}
865 %\hfil
866 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
867 %\label{fig_second_case}}}
868 %\caption{Simulation results}
869 %\label{fig_sim}
870 %\end{figure*}
871 %
872 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
873 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
874 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
875
876
877 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
878 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
879 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
880 % The \label must come after \caption as always.
881 %
882 %\begin{table}[!t]
883 %% increase table row spacing, adjust to taste
884 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
885 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
886 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
887 %\caption{An Example of a Table}
888 %\label{table_example}
889 %\centering
890 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
891 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
892 %\begin{tabular}{|c||c|}
893 %\hline
894 %One & Two\\
895 %\hline
896 %Three & Four\\
897 %\hline
898 %\end{tabular}
899 %\end{table}
900
901
902 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
903 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
904 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
905 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
906 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
907 % command of the stfloats package.
908
909
910
911 \section{Conclusion}
912 The conclusion goes here.
913
914
915
916
917 % conference papers do not normally have an appendix
918
919
920 % use section* for acknowledgement
921 \section*{Acknowledgment}
922
923
924 The authors would like to thank...
925
926
927
928
929
930 % trigger a \newpage just before the given reference
931 % number - used to balance the columns on the last page
932 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
933 % the document is modified later
934 %\IEEEtriggeratref{8}
935 % The "triggered" command can be changed if desired:
936 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
937
938 % references section
939
940 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
941 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
942 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
943 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
944 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
945 \bibliographystyle{IEEEtran}
946 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
947 \bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
948 %
949 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
950 % set second argument of \begin to the number of references
951 % (used to reserve space for the reference number labels box)
952 % \begin{thebibliography}{1}
953
954 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
955 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
956 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
957
958 % \end{thebibliography}
959
960
961
962
963 % that's all folks
964 \end{document}
965
966 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: