Include karel's comments
[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 done by a 
476 Haskell compiler allowing high-speed simulation and analysis.
477
478 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
479 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
480 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
481 % mealy machine.
482 \end{abstract}
483 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
484 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
485 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
486 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
487 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
488 % math in the abstract anyway.
489
490 % no keywords
491
492
493
494
495 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
496 % page as needed:
497 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
498 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
499 % \fi
500 %
501 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
502 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
503 \IEEEpeerreviewmaketitle
504
505 \section{Introduction}
506 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have not allowed the productivity 
507 of hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
508 While traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
509 Verilog~\cite{Verilog}, are very good at describing detailed hardware 
510 properties such as timing behavior, they are generally cumbersome in 
511 expressing the higher-level abstractions needed for today's large and complex 
512 circuit designs. In an attempt to raise the abstraction level of the 
513 descriptions, a great number of approaches based on functional languages has 
514 been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
515 Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
516 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a 
517 time which also saw the birth of the currently popular \acrop{HDL}, such as 
518 \VHDL. Functional languages are especially well suited to describe hardware 
519 because combinational circuits can be directly modeled as mathematical 
520 functions and functional languages are very good at describing and composing 
521 these functions.
522
523 In an attempt to ease the prototyping process of the language, such as 
524 creating all the required tooling like parsers and type-checkers, many 
525 functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are embedded as a domain 
526 specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
527 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
528 functions and types that together form the language primitives of the 
529 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
530 process any signals, they instead compose a large domain-specific graph 
531 (which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
532 processed by an embedded circuit compiler which can perform e.g. simulation or 
533 synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, 
534 pattern-matching, etc.) are evaluated at the time the domain-specific graph is 
535 being build, they are no longer visible to the embedded compiler that 
536 processes the datatype. Consequently, it is impossible to capture Haskell's 
537 choice elements within a circuit description when taking the embedded language 
538 approach. This does not mean that circuits specified in an embedded language 
539 can not contain choice, just that choice elements only exists as functions, 
540 e.g. a multiplexer function, and not as syntactic elements of the language 
541 itself.
542
543 The approach taken in this research is to use (a subset of) the Haskell 
544 language \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this 
545 approach, this research \emph{can} capture certain language constructs, like 
546 all of Haskell's choice elements, within circuit descriptions. The more 
547 advanced features of Haskell, such as polymorphic typing and higher-order 
548 functions, are also supported.
549
550 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
551 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
552 % is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
553 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
554 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
555 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
556 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
557
558 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
559 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions 
560 and research presented in this paper. A circuit designer describes the 
561 behavior of the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} 
562 model signals as a stream of all values over time; state is then modeled as a 
563 delay on this stream of values. Descriptions presented in this research make 
564 the current state an additional input and the updated state a part of their 
565 output. This abstraction of state and time limits the descriptions to 
566 synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
567 add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
568 asynchronous systems.
569
570 Likewise as with the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} must eventually be converted into a netlist. This research also features a prototype compiler, which has the same name as the language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware, where \acrotiny{CAES} is the acronyom of our chair.} (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
571
572 To the best knowledge of the authors, \CLaSH\ is the only (functional) 
573 \acro{HDL} that allows circuit specification to be written in a very concise 
574 way and at the same time support such advanced features as polymorphic typing, 
575 user-defined higher-order functions and pattern matching.
576
577 \section{Hardware description in Haskell}
578 This section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the support 
579 of these elements within the \CLaSH\ compiler. In various subsections, the 
580 relation between the language elements and their eventual netlist 
581 representation is also highlighted. 
582
583   \subsection{Function application}
584     Two basic elements of a functional program are functions and function 
585     application. These have a single obvious translation to a netlist format: 
586     \begin{inparaenum}
587       \item every function is translated to a component, 
588       \item every function argument is translated to an input port,
589       \item the result value of a function is translated to an output port, 
590             and
591       \item function applications are translated to component instantiations.
592     \end{inparaenum} 
593     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
594     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
595     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
596     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
597     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
598     result of the application itself. Since every top level function generates 
599     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
600     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
601     % The separation in different components makes it easier for a developer 
602     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
603     % the \CLaSH\ compiler.
604
605     The short example below (\ref{code:mac}) gives a demonstration of 
606     the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared with 
607     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
608     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
609     type of polymorphism will be further elaborated in 
610     \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist is depicted in 
611     \Cref{img:mac-comb}.
612     
613     \hspace{-1.7em}
614     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
615     \begin{code}
616     mac a b c = add (mul a b) c
617     \end{code}
618     \end{minipage}
619     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
620       \begin{example}
621       \label{code:mac}
622       \end{example}
623     \end{minipage}
624     
625     \begin{figure}
626     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
627     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
628     \label{img:mac-comb}
629     \vspace{-1.5em}
630     \end{figure}
631     
632     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
633     (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit not only 
634     returns the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
635     result (see \Cref{img:mac-comb-composite}, where the double arrow suggests 
636     the composite output).
637     
638     \hspace{-1.7em}
639     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
640     \begin{code}
641     mac a b c = (z, add z c)
642       where
643         z = mul a b
644     \end{code}
645     \end{minipage}
646     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
647       \begin{example}
648       \label{code:mac-composite}
649       \end{example}
650     \end{minipage}
651     \vspace{-1.5em}
652     
653     \begin{figure}
654     \vspace{1em}
655     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
656     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
657     \label{img:mac-comb-composite}
658     \vspace{-1.5em}
659     \end{figure}
660
661   \subsection{Choice}
662     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
663     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
664     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
665     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
666     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
667     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
668     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
669     comparators, and their combined output forms the selection port of the 
670     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
671     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
672     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
673     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
674     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
675     
676     % Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
677     % (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
678     % (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
679     % sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
680     % predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. 
681     
682     A code example (\ref{code:counter1}) that uses a \hs{case} expression and 
683     \hs{if-then-else} expressions is shown below. The function counts up or 
684     down depending on the \hs{direction} variable, and has a \hs{bound} 
685     variable that determines both the upper bound and wrap-around point of the 
686     counter. The \hs{direction} variable is of the following, user-defined, 
687     enumeration datatype:
688     
689     \begin{code}
690     data Direction = Up | Down
691     \end{code}
692
693     The naive netlist corresponding to this example is depicted in 
694     \Cref{img:counter}. Note that the \hs{direction} variable is only
695     compared to \hs{Up}, as an inequality immediately implies that 
696     \hs{direction} is \hs{Down} (as derived by the compiler).
697
698     \hspace{-1.7em}
699     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
700     \begin{code}    
701     counter bound direction x = case direction of
702         Up    -> if   x < bound   then 
703                       x + 1       else 
704                       0
705         Down  -> if   x > 0       then 
706                       x - 1       else 
707                       bound
708     \end{code}
709     \end{minipage}
710     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
711       \begin{example}
712       \label{code:counter1}
713       \end{example}
714     \end{minipage}
715     
716     % \hspace{-1.7em}
717     % \begin{minipage}{0.93\linewidth}
718     % \begin{code}
719     % sumif pred a b = 
720     %   if pred == Equal then 
721     %     if a == b then a + b else 0
722     %   else 
723     %     if a != b then a + b else 0
724     % \end{code}
725     % \end{minipage}
726     % \begin{minipage}{0.07\linewidth}
727     %   \begin{example}
728     %   \label{lst:code4}
729     %   \end{example}
730     % \end{minipage}
731
732     % \begin{figure}
733     % \vspace{1em}
734     % \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
735     % \caption{Choice - sumif}
736     % \label{img:choice}
737     % \vspace{-1.5em}
738     % \end{figure}
739
740     \begin{figure}
741     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
742     \caption{Counter netlist}
743     \label{img:counter}
744     \vspace{-2em}
745     \end{figure}
746
747     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
748     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
749     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
750     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
751     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
752     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
753     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
754     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
755     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
756     multiplexers. A second version (\ref{code:counter2}) of the earlier 
757     example, now using both pattern matching and guards, can be seen below. 
758     The guard is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and 
759     precedes the assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards 
760     always evaluate to \hs{true}.
761     
762     The second version corresponds to the same naive netlist representation 
763     (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
764     
765     \hspace{-1.7em}
766     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
767     \begin{code}
768     counter bound Up    x  | x < bound  = x + 1
769                            | otherwise  = 0
770                            
771     counter bound Down  x  | x > 0      = x - 1
772                            | otherwise  = bound
773     \end{code}
774     \end{minipage}
775     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
776       \begin{example}
777       \label{code:counter2}
778       \end{example}
779     \end{minipage}
780
781     % \begin{figure}
782     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
783     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
784     % \label{img:choice}
785     % \end{figure}
786
787   \subsection{Types}
788     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
789     variable or function is determined at compile-time. Not all of 
790     Haskell's typing constructs have a clear translation to hardware, this 
791     section therefor only deals with the types that do have a clear 
792     correspondence to hardware. The translatable types are divided into two 
793     categories: \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in 
794     types are those types for which a fixed translation is defined within the 
795     \CLaSH\ compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
796     translate the user-defined types, which are described later on.
797
798     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
799     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
800     type signature. Given that the top-level entity of a circuit design is 
801     annotated with specific types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
802     polymorphic functions to functions with specific types.
803   
804     % Translation of two most basic functional concepts has been
805     % discussed: function application and choice. Before looking further
806     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
807     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
808     % descriptions will be discussed.
809     % 
810     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
811     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
812     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
813     % 
814     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
815     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
816     % define his own types, which will be translated into hardware types
817     % using translation rules that are discussed later on.
818
819   \subsubsection{Built-in types}
820     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
821     compiler:
822     \begin{xlist}
823       \item[\bf{Bit}]
824         the most basic type available. It can have two values:
825         \hs{Low} or \hs{High}. 
826         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
827       \item[\bf{Bool}]
828         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
829         or \hs{False}. 
830         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
831         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
832         % \hs{High}). 
833         Supporting the Bool type is required in order to support the
834         \hs{if-then-else} expression.
835       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
836         these are types to represent integers, and both are parametrizable in 
837         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
838         these types is \emph{wrap-around}.
839         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
840
841         % \begin{code}
842         % type Word32 = SizedWord D32
843         % \end{code}
844
845         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
846         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
847         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
848         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
849         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
850         % \texttt{signed} respectively.
851       \item[\bf{Vector}]
852         this type can contain elements of any type and has a static length. 
853         The \hs{Vector} type constructor takes two arguments: the length of 
854         the vector and the type of the elements contained in it. The 
855         short-hand notation used for the vector type in the rest of paper is: 
856         \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element type, and \hs{n} is the length 
857         of the vector. 
858         % Note that this is a notation used in this paper only, vectors are 
859         % slightly more verbose in real \CLaSH\ descriptions.
860         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
861         % be:
862
863         % \begin{code}
864         % type RegisterState = Vector D8 Word32
865         % \end{code}
866
867         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
868         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
869         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
870         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
871         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
872         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
873       \item[\bf{Index}]
874         the main purpose of the \hs{Index} type is to be used as an index into 
875         a \hs{Vector}, and has an integer range from zero to a specified upper 
876         bound.
877         % This means that its range is not limited to powers of two, but 
878         % can be any number.  
879         If a value of this type exceeds either bounds, an error will be thrown 
880         during simulation. 
881
882         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
883         % the 8 element vector above, we would do:
884
885         % \begin{code}
886         % type RegisterIndex = RangedWord D7
887         % \end{code}
888
889         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
890         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
891         % other words, this defines an unsigned word with values from
892         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
893         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
894         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
895     \end{xlist}
896
897   \subsubsection{User-defined types}
898     % There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
899     % data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
900     % keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
901     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
902     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
903     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
904     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
905     % compiler.
906     A designer may define a completely new type by an algebraic datatype 
907     declaration using the \hs{data} keyword. Type synonyms can be introduced 
908     using the \hs{type} keyword.
909     % Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
910     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
911     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
912     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
913     Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym will 
914     use the same representation as the original type. 
915     
916     Algebraic datatypes can be categorized as follows:
917     \begin{xlist}
918       \item[\bf{Single constructor}]
919         datatypes with a single constructor with one or more fields allow 
920         values to be packed together in a record-like structure. Haskell's 
921         built-in tuple types are also defined as single constructor algebraic 
922         types (using a bit of syntactic sugar). An example of a  single 
923         constructor type with multiple fields is the following pair of 
924         integers:
925         \begin{code}
926         data IntPair = IntPair Int Int
927         \end{code}
928         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
929         % for every field in the constructor.
930       \item[\bf{Multiple constructors, No fields}]
931         datatypes with multiple constructors, but without any
932         fields are essentially enumeration types. 
933         % Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an enumeration 
934         % type, but that there is a fixed translation for that type within the 
935         % \CLaSH\ compiler. 
936         An example of an enumeration type definition is:
937         \begin{code}
938         data TrafficLight = Red | Orange | Green
939         \end{code}
940         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
941         % value for each constructor. This allows references to these 
942         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
943         % value.
944       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
945         datatypes with multiple constructors, where at least
946         one of these constructors has one or more fields are currently not 
947         supported. Additional research is required to optimize the overlap of
948         fields belonging to the different constructors.
949     \end{xlist}
950
951   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
952     A powerful feature of some programming languages is polymorphism, it 
953     allows a function to handle values of different data types in a uniform 
954     way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning that 
955     functions can be written without mentioning specific types, and they can 
956     be used for arbitrary types.
957
958     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
959     the following \hs{first} function, which returns the first element of a 
960     tuple:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
961     with its type.}
962     
963     \begin{code}
964     first :: (a,b) -> a
965     \end{code}
966
967     This type is parameterized in \hs{a} and \hs{b}, which can both 
968     represent any type at all, as long as that type is supported by the 
969     \CLaSH\ compiler. This means that \hs{first} works for any tuple, 
970     regardless of what elements it contains. This kind of polymorphism is 
971     extremely useful in hardware designs, for example when routing signals 
972     without knowing their exact type, or specifying vector operations that 
973     work on vectors of any length and element type. Polymorphism also plays an 
974     important role in most higher order functions, as will be shown in the 
975     next section.
976
977     % Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
978     % polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
979     % functions which can be applied to arguments of different types, but 
980     % which behave differently depending on the type of the argument to which 
981     % they are applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through 
982     % the use of \emph{type classes}, where a class definition provides the 
983     % general interface of a function, and class \emph{instances} define the 
984     % functionality for the specific types. An example of such a type class is 
985     % the \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical 
986     % operations. A designer can make use of this ad-hoc polymorphism by 
987     % adding a \emph{constraint} to a parametrically polymorphic type 
988     % variable. Such a constraint indicates that the type variable can only be 
989     % instantiated to a type whose members supports the overloaded functions 
990     % associated with the type class. 
991     
992     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc polymorphism}, which refers
993     to function that can be applied to arguments of a limited set to types.
994     Furthermore, how such functions work may depend on the type of their
995     arguments. For example, addition only works for numeric types, and it 
996     works differently for e.g. integers and complex numbers.
997     
998     In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of \emph{type
999     classes}, where a class definition provides the general interface of a 
1000     function, and class \emph{instances} define the functionality for the 
1001     specific types. For example, all numeric operators are gathered in the 
1002     \hs{Num} class, so every type that wants to use those operators must be
1003     made an instance of \hs{Num}.
1004     
1005     By prefixing a type signature with class constraints, the constrained type 
1006     parameters are forced to belong to that type class. For example, the 
1007     arguments of the \hs{add} function must belong to the \hs{Num} type class 
1008     because the \hs{add} function adds them with the (+) operator:
1009     
1010     \begin{code}
1011     add :: Num a => a -> a -> a
1012     add a b = a + b
1013     \end{code}
1014     
1015     % An example of a type signature that includes such a constraint if the 
1016     % signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
1017     % \begin{code}
1018     % sum :: Num a => [a|n] -> a
1019     % \end{code}
1020     % 
1021     % This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
1022     % types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so 
1023     % that the compiler knows that the addition (+) operator is defined for 
1024     % that type.
1025     
1026     % A place where class constraints also play a role is in the size and 
1027     % range parameters of the \hs{Vector} and numeric types. The reason being 
1028     % that these parameters have to be limited to types that can represent 
1029     % \emph{natural} numbers. The complete type of for example the \hs{Vector} 
1030     % type is:
1031     % \begin{code}
1032     % Natural n => Vector n a
1033     % \end{code}    
1034     
1035     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
1036     % class. 
1037     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
1038     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
1039
1040     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. A
1041     circuit designer can specify his own type classes and corresponding 
1042     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1043     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1044     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1045     polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1046     polymorphic as there is no way to infer the \emph{specific} types of the 
1047     arguments. 
1048     
1049     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1050     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1051     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1052     operators of \hs{Eq}, and the comparison (order) operators of \hs{Ord}.
1053
1054   \subsection{Higher-order functions \& values}
1055     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1056     the concept of \emph{functions as a first class value} and
1057     \emph{higher-order functions}. These concepts allows a function to be 
1058     treated as a value and be passed around, even as the argument of another
1059     function. The following example clarifies this concept:
1060     
1061     \hspace{-1.7em}
1062     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1063     %format not = "\mathit{not}"
1064     \begin{code}
1065     negate{-"\!\!\!"-}Vector xs = map not xs
1066     \end{code}
1067     \end{minipage}
1068     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1069       \begin{example}
1070       \label{code:negatevector}
1071       \end{example}
1072     \end{minipage}
1073
1074     The code above defines the \hs{negate{-"\!\!\!"-}Vector} function, which 
1075     takes a vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the 
1076     values are negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and 
1077     passing it another \emph{function}, boolean negation, and the vector of 
1078     booleans, \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to 
1079     all the elements in the vector.
1080
1081     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1082     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1083     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1084     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1085     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1086     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1087     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1088     input vector. All of these characteristics can be inferred from the type 
1089     signature belonging to \hs{map}:
1090
1091     \begin{code}
1092     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1093     \end{code}
1094
1095     In Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1096     partial application and lambda abstraction. Partial application means that 
1097     a function that takes multiple arguments can be applied to a single 
1098     argument, and the result will again be a function, but takes one argument 
1099     less. As an example, consider the following expression, that adds one to 
1100     every element of a vector:
1101
1102     \hspace{-1.7em}
1103     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1104     \begin{code}
1105     map (add 1) xs
1106     \end{code}
1107     \end{minipage}
1108     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1109       \begin{example}
1110       \label{code:partialapplication}
1111       \end{example}
1112     \end{minipage}
1113
1114     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1115     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1116     adds 1 to its (next) argument. 
1117     
1118     A lambda expression allows a designer to introduce an anonymous function 
1119     in any expression. Consider the following expression, which again adds 1 
1120     to every element of a vector:
1121
1122     \hspace{-1.7em}
1123     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1124     \begin{code}
1125     map (\x -> x + 1) xs
1126     \end{code}
1127     \end{minipage}
1128     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1129       \begin{example}
1130       \label{code:lambdaexpression}
1131       \end{example}
1132     \end{minipage}
1133
1134     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1135     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1136     functions as arguments. This allows the circuit designer to apply a 
1137     large amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1138     function: if a function-typed argument is not instantiated with an actual 
1139     function, no hardware can be generated.    
1140
1141     An example of a common circuit where higher-order functions and partial 
1142     application lead to a very concise and natural description is a crossbar.
1143     The code (\ref{code:crossbar}) for this example can be seen below:
1144     
1145     \hspace{-1.7em}
1146     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1147     \begin{code}
1148     crossbar inputs selects = map (mux inputs) selects
1149       where
1150         mux inp x = (inp ! x)
1151     \end{code}
1152     \end{minipage}
1153     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1154       \begin{example}
1155       \label{code:crossbar}
1156       \end{example}
1157     \end{minipage}
1158     
1159     The the \hs{crossbar} function selects those values from \hs{inputs} that
1160     are indicated by the indexes in the vector \hs{selects}. The crossbar is 
1161     polymorphic in the width of the input (defined by the length of 
1162     \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of 
1163     \hs{selects}), and the signal type (defined by the element type of 
1164     \hs{inputs}). The type-checker can also automatically infer that 
1165     \hs{selects} is a vector of \hs{Index} values due to the use of the vector
1166     indexing operator (\hs{!}).
1167
1168   \subsection{State}
1169     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
1170     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1171     during a clock cycle. As \CLaSH\ has to be able to describe more than 
1172     plain combinational designs, there is a need for an abstraction mechanism 
1173     for state.
1174
1175     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
1176     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1177     conditions:
1178     \begin{inparaenum}
1179       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1180       both cases, and
1181       \item that the function has no observable side-effects.
1182     \end{inparaenum}
1183     % This purity property is important for functional languages, since it 
1184     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1185     % correct for impure functions. 
1186     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1187     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1188     however, it can no longer be described by a pure function. 
1189     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1190     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1191     \CLaSH\ deals with the concept of state by making the current state an 
1192     additional argument of the function, and the updated state part of the 
1193     result. In this sense the descriptions made in \CLaSH\ are the 
1194     combinational parts of a mealy machine.
1195     
1196     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1197     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1198     \Cref{img:mac-state}:
1199     
1200     \hspace{-1.7em}
1201     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1202     \begin{code}
1203     macS (State c) a b = (State c', c')
1204       where
1205         c' = mac a b c
1206     \end{code}
1207     \end{minipage}
1208     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1209       \begin{example}
1210       \label{code:macstate}
1211       \end{example}
1212     \end{minipage}
1213     
1214     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1215     of the output port. The \hs{State} wrapper indicates which arguments are 
1216     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1217     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1218     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1219     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1220     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1221     combination with the existing code and language features, such as all the 
1222     choice elements, as state values are just normal values from Haskell's 
1223     point of view. Stateful descriptions are simulated using the recursive 
1224     \hs{run} function:
1225     
1226     \hspace{-1.7em}
1227     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1228     \begin{code}
1229     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1230       where
1231         (s', o) = f s i
1232     \end{code}
1233     \end{minipage}
1234     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1235       \begin{example}
1236       \label{code:run}
1237       \end{example}
1238     \end{minipage}
1239     
1240     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1241     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1242     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1243     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1244     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1245     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1246     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1247     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1248     it is assumed that there is one input per clock cycle. Note that the order 
1249     of \hs{s',o,s,i} in the where clause of the \hs{run} functions corresponds 
1250     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1251     described earlier. Thus, in Haskell the expression \hs{run macS 0 inputs} 
1252     simulates \hs{macS} on \hs{inputs} starting with the value \hs{0}
1253
1254     \begin{figure}
1255     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1256     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1257     \label{img:mac-state}
1258     \vspace{-1.5em}
1259     \end{figure}
1260     
1261     The complete simulation can be compiled to an executable binary by a 
1262     Haskell compiler, or executed in an Haskell interpreter. Both 
1263     simulation paths require less effort from a circuit designer than first 
1264     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1265     simulation; it is also very likely that both simulation paths are much 
1266     faster.
1267     
1268 \section{The \CLaSH\ compiler}
1269 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1270 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1271 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1272 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1273
1274 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1275 compiler that also provides a high level \acro{API} to most of its internals. 
1276 The availability of this high-level \acro{API} obviated the need to design 
1277 many of the tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, 
1278 semantics checker, and especially the type-checker. These parts together form 
1279 the front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1280 \Cref{img:compilerpipeline}.
1281
1282 \begin{figure}
1283 \vspace{1em}
1284 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1285 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1286 \label{img:compilerpipeline}
1287 \vspace{-1.5em}
1288 \end{figure}
1289
1290 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1291 Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a small 
1292 typed functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1293 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1294 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1295 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1296 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1297 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1298 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1299 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1300 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1301 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1302 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1303 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1304 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1305 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1306
1307 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1308 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to the resemblance of a 
1309 normalized description and a set of concurrent signal assignments. The 
1310 end-product of the \CLaSH\ compiler is called a \VHDL\ \emph{netlist} as the 
1311 result resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ 
1312 is only an implementation detail; e.g., the output could have been Verilog.
1313
1314 \section{Use cases}
1315 \label{sec:usecases}
1316 \subsection{FIR Filter}
1317 As an example of a common hardware design where the relation between 
1318 functional languages and mathematical functions, combined with the use of 
1319 higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} 
1320 filter:
1321
1322 \begin{equation}
1323 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1324 \end{equation}
1325
1326 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1327 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1328 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1329 filter is equivalent to the equation of the dot-product of two vectors, which 
1330 is shown below:
1331
1332 \begin{equation}
1333 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1334 \end{equation}
1335
1336 The equation for the dot-product is easily and directly implemented using 
1337 higher-order functions:
1338
1339 \hspace{-1.7em}
1340 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1341 \begin{code}
1342 as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
1343 \end{code}
1344 \end{minipage}
1345 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1346   \begin{example}
1347   \label{code:dotproduct}
1348   \end{example}
1349 \end{minipage}
1350
1351 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1352 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1353 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1354 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1355
1356 The \hs{fold} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1357 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1358 function to the result of the first application and the next element in the 
1359 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1360 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
1361 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1362 \hs{fold (+)} function is summation.
1363 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1364 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1365 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1366 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1367 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1368 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1369 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1370 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1371 % transformation to code):
1372
1373 % \begin{equation}
1374 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1375 % \end{equation}
1376 The complete definition of the \acro{FIR} filter in \CLaSH\ is:
1377
1378 \hspace{-1.7em}
1379 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1380 \begin{code}
1381 fir (State (xs,hs)) x = 
1382   (State (shiftInto x xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1383 \end{code}
1384 \end{minipage}
1385 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1386   \begin{example}
1387   \label{code:fir}
1388   \end{example}
1389 \end{minipage}
1390
1391 where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1392 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1393 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1394 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1395 code for the \hs{shiftInto} function, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1396 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1397 is shown below:
1398
1399 \hspace{-1.7em}
1400 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1401 \begin{code}
1402 shiftInto x xs = x +> init xs  
1403 \end{code}
1404 \end{minipage}
1405 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1406   \begin{example}
1407   \label{code:shiftinto}
1408   \end{example}
1409 \end{minipage}
1410
1411 where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1412 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1413 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1414 \Cref{img:4tapfir}.
1415
1416 \begin{figure}
1417 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1418 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1419 \label{img:4tapfir}
1420 \vspace{-1.5em}
1421 \end{figure}
1422
1423 \subsection{Higher-order CPU}
1424 %format fun x = "\textit{fu}_" x
1425 In this section discusses a somewhat more serious example in which 
1426 user-defined higher-order function, partial application, lambda expressions, 
1427 and pattern matching are exploited. The example concerns a \acro{CPU} which 
1428 consists of four function unites \hs{fun 0,{-"\ldots"-},fun 3} (see 
1429 \Cref{img:highordcpu}) that each perform some binary operation.
1430
1431 \begin{figure}
1432 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1433 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1434 \label{img:highordcpu}
1435 \vspace{-1.5em}
1436 \end{figure}
1437
1438 Every function unit has seven data inputs (of type \hs{Word}), and two address 
1439 inputs (of type \hs{Index 6}) which indicate which data inputs have to be 
1440 chosen as arguments for the the binary operation that the unit performs. These 
1441 data inputs consists of one external input \hs{x}, two fixed initialization 
1442 values (0 and 1), and the previous outputs of the four function units. The 
1443 output of the \acro{CPU} as a whole is the previous output of \hs{fun 3}.
1444
1445 The function units \hs{fun 1, fun 2, fun 3} can perform a fixed binary 
1446 operation, whereas \hs{fun 0} has an additional input for an opcode to choose 
1447 a binary operation out of a few possibilities.
1448
1449 Each function unit outputs its result into a register, i.e., the state of the 
1450 \acro{CPU}. This can can e.g. be defined as follows:
1451
1452 \begin{code}
1453 type CpuState = State [Word | 4]
1454 \end{code}
1455
1456 Every function unit can now be defined by the following higher-order function 
1457 \hs{fu}, which takes three arguments: the operation \hs{op} that the function 
1458 unit performs, the seven \hs{inputs}, and the pair \hs{(a1,a2)} of two 
1459 addresses:
1460
1461 \hspace{-1.7em}
1462 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1463 \begin{code}
1464 fu op inputs (a1, a2) = regIn
1465   where
1466     arg1     = inputs!a1
1467     arg2     = inputs!a2
1468     regIn   = op arg1 arg2
1469 \end{code}
1470 \end{minipage}
1471 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1472   \begin{example}
1473   \label{code:functionunit}
1474   \end{example}
1475 \end{minipage}
1476
1477 Using partial application we now define:
1478
1479 \hspace{-1.7em}
1480 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1481 \begin{code}
1482 fun 1 = fu add
1483 fun 2 = fu sub
1484 fun 3 = fu mul
1485 \end{code}
1486 \end{minipage}
1487 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1488   \begin{example}
1489   \label{code:functionunits1to3}
1490   \end{example}
1491 \end{minipage}
1492
1493 In order to define \hs{fun 0} we first define the type \hs{Opcode} for the 
1494 opcode and the function \hs{multiop} that chooses a specific operation given 
1495 the opcode. We assume that the functions \hs{shifts} (which shifts its first 
1496 operand by the number of bits indicate in the second operand), \hs{xor} (for 
1497 the bitwise \hs{xor}), and (==) (for equality) already exits.
1498
1499 \hspace{-1.7em}
1500 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1501 \begin{code}
1502 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1503
1504 multiop Shift   = shift
1505 multiop Xor     = xor
1506 multiop Equal   = \a b -> if a == b then 1 else 0
1507 \end{code}
1508 \end{minipage}
1509 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1510   \begin{example}
1511   \label{code:multiop}
1512   \end{example}
1513 \end{minipage}
1514
1515 Note that the result of \hs{multiop} is a binary function; this is supported 
1516 by \CLaSH. We can now define \hs{fun 0} as a function which takes an opcode as 
1517 additional argument:
1518
1519 \hspace{-1.7em}
1520 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1521 \begin{code}
1522 fun 0 c = fu (multiop c)
1523 \end{code}
1524 \end{minipage}
1525 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1526   \begin{example}
1527   \label{code:functionunit0}
1528   \end{example}
1529 \end{minipage}
1530
1531 Now we come to the definition \hs{cpu} of the full \acro{CPU}. Its type is:
1532
1533 \begin{code}
1534 cpu :: CpuState 
1535   -> (Word, Opcode, [(Index 6, Index 6) | 4])
1536   -> (CpuState, Word)
1537 \end{code}
1538
1539 Note that this type fits the requirements of the function \hs{run}. The 
1540 definition of the \hs{cpu} now is:
1541
1542 \hspace{-1.7em}
1543 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1544 \begin{code}
1545 cpu (State s) (x,opc,addrs) = (State s', out)
1546   where
1547     inputs    =   x +> (0 +> (1 +> s))
1548     s'        =   [{-"\;"-}fun 0 opc   inputs (addrs!0)
1549                   ,{-"\;"-}fun 1       inputs (addrs!1)
1550                   ,{-"\;"-}fun 2       inputs (addrs!2)
1551                   ,{-"\;"-}fun 3       inputs (addrs!3)
1552                   ]
1553     out       =   last s
1554 \end{code}
1555 \end{minipage}
1556 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1557   \begin{example}
1558   \label{code:cpu}
1559   \end{example}
1560 \end{minipage}
1561
1562 While this is still a simple (and maybe not very useful) design, it 
1563 illustrates some possibilities that \CLaSH\ offers and suggests how to write 
1564 actual designs.
1565
1566 % Each of the function units has both its operands connected to all data
1567 % sources, and can be programmed to select any data source for either
1568 % operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1569 % opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
1570 % rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
1571
1572 % The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the 
1573 % operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual 
1574 % operation that takes place inside the function unit is supplied as the 
1575 % (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
1576
1577
1578
1579 % The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1580 % the bitwise xor of its operands.
1581
1582
1583 % The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
1584 % the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
1585 % function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
1586 % just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
1587 % This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
1588 % compared to the others.
1589
1590 % The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1591 % each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1592 % a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1593 % their operand. 
1594 % The application of the function units to the \hs{inputs} and
1595 % \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1596 % a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1597 % However, the prototype compiler does not currently support working with 
1598 % lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1599
1600 % While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
1601 % design, in which the same techniques can be reused.
1602
1603 \section{Related work}
1604 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1605 description languages and highlights the advantages that this research has 
1606 over existing work.
1607
1608 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1609 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1610 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1611 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1612 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1613 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1614
1615 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1616 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1617 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
1618 so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and the 
1619 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
1620 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
1621 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
1622 correctly translate all of its language constructs.
1623
1624 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1625 description languages have some sort of foundation in the functional 
1626 programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling 
1627 language embedded in Haskell and has sequential environments that make it 
1628 easier to specify stateful computation (by using the \acro{ST} monad). Hawk 
1629 specifications can be simulated; to the best knowledge of the authors there is 
1630 however no support for automated circuit synthesis. 
1631
1632 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1633 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1634 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1635 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1636 electronic systems which have both analog and digital parts. ForSyDe has 
1637 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1638 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1639 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1640 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1641 explicit conversions, where functions have to be wrapped in processes and 
1642 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1643 instantiations of components, also makes ForSyDe far more verbose than \CLaSH.
1644
1645 Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a hardware description language embedded in 
1646 Haskell which focuses on the structural representation of hardware. Like 
1647 \CLaSH, Lava has support for polymorphic types and higher-order functions. 
1648 Besides support for simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be 
1649 interfaced with formal method tools for formal verification. As discussed in 
1650 the introduction, taking the embedded language approach does not allow for 
1651 Haskell's choice elements to be captured within the circuit descriptions. In 
1652 this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice 
1653 elements, such as \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized 
1654 to choice elements in the eventual circuit. Consequently, descriptions 
1655 containing rich control structures can be specified in a more user-friendly 
1656 way in \CLaSH\ than possible within Lava, and hence are less error-prone.
1657
1658 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1659 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1660 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1661 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1662 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1663 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1664 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1665 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1666
1667 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1668 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1669 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1670 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1671 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1672 subprograms still require an explicit generic map, while the \CLaSH\ compiler 
1673 automatically infers types, and automatically propagates function-valued 
1674 arguments. There are also no (generally available) \VHDL\ synthesis tools that 
1675 currently support the \VHDL-2008 standard.
1676
1677 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1678
1679 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1680 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1681 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1682
1683 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1684 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1685 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1686 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1687 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1688 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1689 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1690 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1691 %
1692 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1693 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1694 % displayed while in draft mode.
1695 %
1696 %\begin{figure}[!t]
1697 %\centering
1698 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1699 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1700 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1701 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1702 %\caption{Simulation Results}
1703 %\label{fig_sim}
1704 %\end{figure}
1705
1706 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1707 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1708
1709
1710 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1711 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1712 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1713 % \label for the overall figure must come after \caption.
1714 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1715 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1716 % used instead of \subfloat.
1717 %
1718 %\begin{figure*}[!t]
1719 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1720 %\label{fig_first_case}}
1721 %\hfil
1722 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1723 %\label{fig_second_case}}}
1724 %\caption{Simulation results}
1725 %\label{fig_sim}
1726 %\end{figure*}
1727 %
1728 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1729 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1730 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1731
1732
1733 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1734 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1735 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1736 % The \label must come after \caption as always.
1737 %
1738 %\begin{table}[!t]
1739 %% increase table row spacing, adjust to taste
1740 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1741 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1742 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1743 %\caption{An Example of a Table}
1744 %\label{table_example}
1745 %\centering
1746 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1747 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1748 %\begin{tabular}{|c||c|}
1749 %\hline
1750 %One & Two\\
1751 %\hline
1752 %Three & Four\\
1753 %\hline
1754 %\end{tabular}
1755 %\end{table}
1756
1757
1758 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1759 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1760 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1761 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1762 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1763 % command of the stfloats package.
1764
1765
1766
1767 \section{Conclusion}
1768 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1769 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1770 for component instantiation. While circuit descriptions made in \CLaSH\ are 
1771 very concise when compared to other (traditional) \acrop{HDL}, their intended 
1772 functionality remains clear. \CLaSH\ goes beyond the existing (functional) 
1773 hardware descriptions languages by including advanced choice elements, such as 
1774 pattern matching and guards, which are well suited to describe the conditional 
1775 assignments in control-oriented circuits. Besides being able to translate 
1776 these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype compiler can also 
1777 correctly translate descriptions that contain both polymorphic types and 
1778 user-defined higher-order functions.
1779
1780 % Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1781 % embed themselves in an existing functional language, this research features 
1782 % a `true' compiler. As a result there is a clear distinction between 
1783 % compile-time and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be 
1784 % part of the actual circuit description; a feature the embedded hardware 
1785 % description languages do not offer.
1786
1787 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
1788 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
1789 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
1790 streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point 
1791 numbers.
1792
1793 \section{Future Work}
1794 The choice of describing state explicitly as and extra argument and result can 
1795 be seen as a mixed blessing. Even though descriptions that use state are 
1796 usually very clear, distributing and collecting substate can become tedious 
1797 and even error-prone. Automating the required distribution and collection, or 
1798 finding a more suitable abstraction mechanism for state would make \CLaSH\ 
1799 easier to use. Currently, one of the examined approaches to suppress state in 
1800 the specification is by using Haskell's arrow-abstraction.
1801
1802 The transformations in the normalization phase of the prototype compiler are 
1803 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1804 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1805 transformations will always lead to a normal form or whether the normalization 
1806 process always terminates. Though extensive use of the compiler suggests that 
1807 these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
1808 systematic approach to defining the set of transformations allows one to proof 
1809 that the earlier mentioned properties do indeed hold.
1810
1811 % conference papers do not normally have an appendix
1812
1813
1814 % use section* for acknowledgement
1815 % \section*{Acknowledgment}
1816
1817 % The authors would like to thank...
1818
1819 % trigger a \newpage just before the given reference
1820 % number - used to balance the columns on the last page
1821 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1822 % the document is modified later
1823 % \IEEEtriggeratref{14}
1824 % The "triggered" command can be changed if desired:
1825 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1826
1827 % references section
1828
1829 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1830 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1831 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1832 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1833 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1834 \bibliographystyle{IEEEtran}
1835 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1836 \bibliography{clash}
1837 %
1838 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1839 % set second argument of \begin to the number of references
1840 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1841 % \begin{thebibliography}{1}
1842
1843 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1844 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1845 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1846
1847 % \end{thebibliography}
1848
1849
1850
1851
1852 % that's all folks
1853 \end{document}
1854
1855 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: