Various small updates
[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{Matthijs Kooijman, Christiaan P.R. Baaij, 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 matthijs@@stdin.nl, c.p.r.baaij@@utwente.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 }
419 % \and
420 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
421 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
422 % Springfield, USA\\
423 % Email: homer@thesimpsons.com}
424 % \and
425 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
426 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
427 % San Francisco, California 96678-2391\\
428 % Telephone: (800) 555--1212\\
429 % Fax: (888) 555--1212}}
430
431 % conference papers do not typically use \thanks and this command
432 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
433 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
434 % after \documentclass
435
436 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
437 % of the page, use this alternative format:
438
439 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
440 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
441 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
442 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
443 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
444 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
445 %Georgia Institute of Technology,
446 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
447 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
448 %Email: homer@thesimpsons.com}
449 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
450 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
451 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
452
453
454
455
456 % use for special paper notices
457 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
458
459
460
461
462 % make the title area
463 \maketitle
464
465 \begin{abstract}
466 %\boldmath
467 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
468 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
469 Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
470 generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
471 natural way than possible in a traditional hardware description language.
472
473 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
474 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
475 test input are also valid Haskell, complete simulations can be compiled as an 
476 executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
477 analysis.
478
479 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
480 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
481 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
482 % mealy machine.
483 \end{abstract}
484 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
485 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
486 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
487 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
488 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
489 % math in the abstract anyway.
490
491 % no keywords
492
493
494
495
496 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
497 % page as needed:
498 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
499 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
500 % \fi
501 %
502 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
503 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
504 \IEEEpeerreviewmaketitle
505
506 \section{Introduction}
507 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have allowed the productivity of 
508 hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
509 Traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
510 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
511 `programming' language. These standard languages are very good at describing 
512 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
513 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
514 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
515 functional languages has been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL,
516 T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using 
517 functional languages for hardware descriptions started in the early 1980s 
518 \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL}, a time which also saw the birth of the 
519 currently popular hardware description languages such as \VHDL. Functional 
520 languages are especially well suited to describe hardware because 
521 combinational circuits can be directly modeled as mathematical functions. 
522 Functional languages are very good at describing and composing these 
523 mathematical functions.
524
525 In an attempt to decrease the amount of work involved in creating all the 
526 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
527 \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired} are embedded as a domain 
528 specific language (\acro{DSL}) inside the functional language Haskell 
529 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
530 functions and types that together form the language primitives of the 
531 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
532 process any signals, but instead compose a large domain-specific datatype 
533 (which is usually hidden from the designer). This datatype is then further 
534 processed by an embedded circuit compiler. As Haskell's choice elements 
535 (\hs{if}-expressions, \hs{case}-expressions, pattern matching, etc.) are 
536 evaluated at the time the domain-specific datatype is being build, they are no 
537 longer visible to the embedded compiler that processes the datatype. 
538 Consequently, it is impossible the capture Haskell's choice elements within a 
539 circuit description when taking the embedded language approach. However, 
540 descriptions can still contain polymorphism and higher-order functions.
541
542 The approach taken in this research is not to make another \acro{DSL} embedded 
543 in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for 
544 the purpose of describing hardware. By taking this approach, we \emph{can} 
545 capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements, within 
546 circuit descriptions. To the best knowledge of the authors, supporting 
547 polymorphism, higher-order functions and such an extensive array of 
548 choice-elements is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
549 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
550 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
551 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
552 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
553
554 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
555 purposes state and synchronicity, the clock is implied in the context of the 
556 research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of 
557 the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals 
558 as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this 
559 stream of values. The approach taken in this research is to make the current 
560 state an additional input and the updated state a part of the output of a 
561 function. The current abstraction of state and time limits the descriptions to 
562 synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
563 add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
564 asynchronous systems.
565
566 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
567 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
568 prototype translator, which has the same name as the language: 
569 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
570 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
571 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
572 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
573
574 Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
575 the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
576 also been able to successfully translate non-trivial functional descriptions 
577 such as a streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating 
578 point numbers.
579
580 \section{Hardware description in Haskell}
581 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
582 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
583 various subsections, the relation between the language elements and their 
584 eventual netlist representation is also highlighted. 
585
586   \subsection{Function application}
587     Two basic syntactic elements of a functional program are functions
588     and function application. These have a single obvious translation to a 
589     netlist format: 
590     \begin{inparaenum}
591       \item every function is translated to a component, 
592       \item every function argument is translated to an input port,
593       \item the result value of a function is translated to an output port, 
594             and
595       \item function applications are translated to component instantiations.
596     \end{inparaenum} 
597     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
598     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
599     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
600     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
601     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
602     result of the application itself. Since every top level function generates 
603     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
604     final netlist, creating a hierarchical description of the hardware. 
605     % The separation in different components makes it easier for a developer 
606     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
607     % the \CLaSH\ compiler.
608
609     The short example (\ref{lst:code1}) demonstrated below gives an indication 
610     of the level of conciseness that can be achieved with functional hardware 
611     description languages when compared with the more traditional hardware 
612     description languages. The example is a combinational multiply-accumulate 
613     circuit that works for \emph{any} word length (this type of polymorphism 
614     will be further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding 
615     netlist is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
616     
617     \hspace{-1.7em}
618     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
619     \begin{code}
620     mac a b c = add (mul a b) c
621     \end{code}
622     \end{minipage}
623     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
624       \begin{example}
625       \label{lst:code1}
626       \end{example}
627     \end{minipage}
628     
629     \begin{figure}
630     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
631     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
632     \label{img:mac-comb}
633     \vspace{-1.5em}
634     \end{figure}
635     
636     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
637     (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
638     the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
639     Its corresponding netlist can be see in \Cref{img:mac-comb-composite}.
640     
641     \hspace{-1.7em}
642     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
643     \begin{code}
644     mac a b c = (z, add z c)
645       where
646         z = mul a b
647     \end{code}
648     \end{minipage}
649     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
650       \begin{example}
651       \label{lst:code2}
652       \end{example}
653     \end{minipage}
654     
655     \begin{figure}
656     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
657     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
658     \label{img:mac-comb-composite}
659     \vspace{-1.5em}
660     \end{figure}
661
662   \subsection{Choice}
663     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
664     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
665     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
666     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
667     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
668     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
669     control value is fed into a number of comparators and their output forms 
670     the selection port of the multiplexer. The result of each alternative in 
671     the \hs{case} expression is linked to the corresponding input port on the 
672     multiplexer.
673     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
674     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
675     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
676     We can see two versions of a contrived example below, the first  
677     (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression, and the other 
678     (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression . Both examples 
679     sums two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
680     predicate, the \hs{pred} variable) and returns 0 otherwise. The \hs{pred} 
681     variable if of the following, user-defined, enumeration datatype:
682     
683     \begin{code}
684     data Pred = Equal | NotEqual
685     \end{code}
686
687     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
688     depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
689     compared to the \hs{Equal} value, as an inequality immediately implies 
690     that the \hs{pred} variable has a \hs{NotEqual} value.
691
692     \hspace{-1.7em}
693     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
694     \begin{code}    
695     sumif pred a b = case pred of
696       Equal -> case a == b of
697         True      -> a + b
698         False     -> 0
699       NotEqual  -> case a != b of
700         True      -> a + b
701         False     -> 0
702     \end{code}
703     \end{minipage}
704     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
705       \begin{example}
706       \label{lst:code3}
707       \end{example}
708     \end{minipage}
709
710     \hspace{-1.7em}
711     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
712     \begin{code}
713     sumif pred a b = 
714       if pred == Equal then 
715         if a == b then a + b else 0
716       else 
717         if a != b then a + b else 0
718     \end{code}
719     \end{minipage}
720     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
721       \begin{example}
722       \label{lst:code4}
723       \end{example}
724     \end{minipage}
725
726     \begin{figure}
727     \vspace{1em}
728     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
729     \caption{Choice - sumif}
730     \label{img:choice}
731     \vspace{-1.5em}
732     \end{figure}
733
734     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
735     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
736     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
737     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
738     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
739     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
740     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
741     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
742     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
743     multiplexers. A third version (\ref{lst:code5}) of the earlier example, 
744     now using both pattern matching and guards, can be seen below. The guard 
745     is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
746     assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to 
747     \hs{true}.
748     
749     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
750     naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
751     versions of the example.
752     
753     \hspace{-1.7em}
754     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
755     \begin{code}
756     sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
757                           | otherwise   = 0
758     sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
759                           | otherwise   = 0
760     \end{code}
761     \end{minipage}
762     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
763       \begin{example}
764       \label{lst:code5}
765       \end{example}
766     \end{minipage}
767
768     % \begin{figure}
769     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
770     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
771     % \label{img:choice}
772     % \end{figure}
773
774   \subsection{Types}
775     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
776     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
777     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
778     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
779     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
780     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
781     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
782     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
783     translate the user-defined types described later on.
784
785     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
786     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
787     type signature. % (even if it is good practice to do so).
788     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
789     concrete types, the \CLaSH\ compiler can specialize polymorphic functions 
790     to functions with concrete types.
791   
792     % Translation of two most basic functional concepts has been
793     % discussed: function application and choice. Before looking further
794     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
795     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
796     % descriptions will be discussed.
797     % 
798     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
799     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
800     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
801     % 
802     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
803     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
804     % define his own types, which will be translated into hardware types
805     % using translation rules that are discussed later on.
806
807   \subsubsection{Built-in types}
808     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
809     compiler:
810     \begin{xlist}
811       \item[\bf{Bit}]
812         the most basic type available. It can have two values:
813         \hs{Low} or \hs{High}. 
814         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
815       \item[\bf{Bool}]
816         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
817         or \hs{False}. 
818         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
819         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
820         % \hs{High}). 
821         Supporting the Bool type is required in order to support the
822         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
823         the condition.
824       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
825         these are types to represent integers and both are parametrizable in 
826         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
827         these types is \emph{wrap-around}.
828         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
829
830         % \begin{code}
831         % type Word32 = SizedWord D32
832         % \end{code}
833
834         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
835         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
836         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
837         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
838         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
839         % \texttt{signed} respectively.
840       \item[\bf{Vector}]
841         this is a vector type that can contain elements of any other type and
842         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
843         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
844         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
845         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
846         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
847         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
848         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
849         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
850         % be:
851
852         % \begin{code}
853         % type RegisterState = Vector D8 Word32
854         % \end{code}
855
856         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
857         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
858         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
859         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
860         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
861         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
862       \item[\bf{Index}]
863         this is another type to describe integers, but unlike the previous
864         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
865         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
866         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
867         implicitly zero. If a value of this type exceeds either bounds, an 
868         error will be thrown at simulation-time. The main purpose of the 
869         \hs{Index} type is to be used as an index to a \hs{Vector}.
870
871         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
872         % the 8 element vector above, we would do:
873
874         % \begin{code}
875         % type RegisterIndex = RangedWord D7
876         % \end{code}
877
878         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
879         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
880         % other words, this defines an unsigned word with values from
881         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
882         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
883         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
884     \end{xlist}
885
886   \subsubsection{User-defined types}
887     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
888     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
889     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
890     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
891     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
892     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
893     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
894     % compiler.
895
896     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
897     completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
898     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
899     and a type renaming requires an explicit conversion. Type synonyms and 
900     type renaming do not need any particular translation, a synonym or 
901     renamed type will just use the same representation as the original type. 
902     
903     For algebraic types, we can make the following distinctions:
904     \begin{xlist}
905       \item[\bf{Single constructor}]
906         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
907         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
908         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
909         as single constructor algebraic types (but with a bit of
910         syntactic sugar). An example of a single constructor type with 
911         multiple fields is the following pair of integers:
912         \begin{code}
913         data IntPair = IntPair Int Int
914         \end{code}
915         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
916         % for every field in the constructor.
917       \item[\bf{No fields}]
918         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
919         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
920         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
921         defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
922         for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
923         enumeration type is the type that represents the colors in a traffic 
924         light:
925         \begin{code}
926         data TrafficLight = Red | Orange | Green
927         \end{code}
928         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
929         % value for each constructor. This allows references to these 
930         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
931         % value.
932       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
933         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
934         one of these constructors has one or more fields are currently not 
935         supported.
936     \end{xlist}
937
938   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
939     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
940     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
941     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
942     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
943     without mention of any specific type and can be used transparently with 
944     any number of new types.
945
946     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
947     the following \hs{append} function, which appends an element to a
948     vector:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
949     with its type.}
950     
951     \begin{code}
952     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
953     \end{code}
954
955     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
956     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
957     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
958     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
959     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
960     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
961     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
962     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
963     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
964     functions, as we will see in the next section.
965
966     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
967     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
968     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
969     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
970     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
971     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
972     function, and class instances define the functionality for the specific 
973     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
974     contains all of Haskell's numerical operations. A designer can make use 
975     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
976     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
977     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
978     overloaded functions associated with the type class. 
979     
980     As an example we will take a look at type signature of the function 
981     \hs{sum}, which sums the values in a vector:
982     \begin{code}
983     sum :: Num a => [a|n] -> a
984     \end{code}
985
986     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
987     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
988     we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
989     \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
990     class, so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
991     function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
992
993     In \CLaSH, parametric polymorphism is completely supported. Any function 
994     defined can have any number of unconstrained type parameters. The \CLaSH\ 
995     compiler will infer the type of every such argument depending on how the 
996     function is applied. There is however one constraint: the top level 
997     function that is being translated can not have any polymorphic arguments. 
998     The arguments can not be polymorphic as the function is never applied and 
999     consequently there is no way to determine the actual types for the type 
1000     parameters.
1001
1002     \CLaSH\ does \emph{currently} not support\emph{ user-defined} type 
1003     classes, but does use some of the standard Haskell type classes for its 
1004     built-in function, such as: \hs{Num} for numerical operations, \hs{Eq} for 
1005     the equality operators, and \hs{Ord} for the comparison/order operators.
1006
1007   \subsection{Higher-order functions \& values}
1008     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1009     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1010     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1011     value and be passed around, even as the argument of another
1012     function. The following example should clarify this concept:
1013     
1014     \hspace{-1.7em}
1015     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1016     %format not = "\mathit{not}"
1017     \begin{code}
1018     negateVector xs = map not xs
1019     \end{code}
1020     \end{minipage}
1021     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1022       \begin{example}
1023       \label{lst:code6}
1024       \end{example}
1025     \end{minipage}
1026
1027     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1028     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1029     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1030     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1031     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1032     elements in the vector.
1033
1034     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1035     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1036     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1037     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1038     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1039     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1040     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1041     input vector. All of these characteristics  can readily be inferred from 
1042     the type signature belonging to \hs{map}:
1043
1044     \begin{code}
1045     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1046     \end{code}
1047
1048     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1049     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1050     partial application and lambda abstraction. Partial application
1051     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1052     to a single argument, and the result will again be a function (but
1053     that takes one argument less). As an example, consider the following
1054     expression, that adds one to every element of a vector:
1055
1056     \hspace{-1.7em}
1057     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1058     \begin{code}
1059     map (add 1) xs
1060     \end{code}
1061     \end{minipage}
1062     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1063       \begin{example}
1064       \label{lst:code7}
1065       \end{example}
1066     \end{minipage}
1067
1068     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1069     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1070     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1071     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1072     expression, which again adds one to every element of a vector:
1073
1074     \hspace{-1.7em}
1075     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1076     \begin{code}
1077     map (\x -> x + 1) xs
1078     \end{code}
1079     \end{minipage}
1080     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1081       \begin{example}
1082       \label{lst:code8}
1083       \end{example}
1084     \end{minipage}
1085
1086     Finally, not only built-in functions can have higher order
1087     arguments, but any function defined in \CLaSH\ may have functions as
1088     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
1089     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
1090     code reuse. The only exception is again the top-level function: if a 
1091     function-typed argument is not applied with an actual function, no 
1092     hardware can be generated.    
1093
1094     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1095
1096   \subsection{State}
1097     A very important concept in hardware is the concept of state. In a 
1098     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
1099     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1100     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1101     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1102
1103     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
1104     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1105     conditions:
1106     \begin{inparaenum}
1107       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1108       both cases, and
1109       \item that the function has no observable side-effects.
1110     \end{inparaenum}
1111     % This purity property is important for functional languages, since it 
1112     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1113     % correct for impure functions. 
1114     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1115     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1116     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1117     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1118     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1119     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1120     the current state an additional argument of the function, and the 
1121     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1122     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1123     
1124     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1125     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1126     \Cref{img:mac-state}:
1127     
1128     \hspace{-1.7em}
1129     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1130     \begin{code}
1131     macS (State c) a b = (State c', c')
1132       where
1133         c' = mac a b c
1134     \end{code}
1135     \end{minipage}
1136     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1137       \begin{example}
1138       \label{lst:code9}
1139       \end{example}
1140     \end{minipage}
1141     
1142     \begin{figure}
1143     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1144     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1145     \label{img:mac-state}
1146     \vspace{-1.5em}
1147     \end{figure}
1148     
1149     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1150     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1151     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1152     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1153     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1154     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1155     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1156     combination with the existing code and language features, such as all the 
1157     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1158     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1159     
1160     \hspace{-1.7em}
1161     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1162     \begin{code}
1163     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1164       where
1165         (s', o) = f s i
1166     \end{code}
1167     \end{minipage}
1168     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1169       \begin{example}
1170       \label{lst:code10}
1171       \end{example}
1172     \end{minipage}
1173     
1174     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1175     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1176     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1177     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1178     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1179     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1180     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1181     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1182     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1183     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1184     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1185     described earlier.
1186     
1187     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1188     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1189     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1190     Haskell interpreter. Both simulation paths are much faster than first 
1191     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1192     simulation.
1193     
1194 \section{The \CLaSH\ compiler}
1195 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1196 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1197 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1198 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1199
1200 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1201 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1202 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1203 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1204 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1205 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1206 \Cref{img:compilerpipeline}.
1207
1208 \begin{figure}
1209 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1210 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1211 \label{img:compilerpipeline}
1212 \vspace{-1.5em}
1213 \end{figure}
1214
1215 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1216 Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1217 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1218 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1219 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1220 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1221 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1222 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1223 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1224 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1225 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1226 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1227 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1228 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1229 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1230 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1231
1232 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1233 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1234 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1235 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
1236 \VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
1237
1238 \section{Use cases}
1239 \label{sec:usecases}
1240 \subsection{FIR Filter}
1241 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1242 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1243 basically the dot-product of two vectors:
1244
1245 \begin{equation}
1246 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1247 \end{equation}
1248
1249 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1250 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1251 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1252 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1253 shown below:
1254
1255 \begin{equation}
1256 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1257 \end{equation}
1258
1259 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1260 using higher-order functions:
1261
1262 \hspace{-1.7em}
1263 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1264 \begin{code}
1265 as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
1266 \end{code}
1267 \end{minipage}
1268 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1269   \begin{example}
1270   \label{lst:code13}
1271   \end{example}
1272 \end{minipage}
1273
1274 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1275 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1276 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1277 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1278
1279 The \hs{foldl1} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1280 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1281 function to the result of the first application and the next element in the 
1282 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1283 the \hs{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
1284 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1285 \hs{foldl1 (+)} function is summation.
1286 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1287 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1288 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1289 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1290 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1291 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1292 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1293 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1294 % transformation to code):
1295
1296 % \begin{equation}
1297 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1298 % \end{equation}
1299 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1300
1301 \hspace{-1.7em}
1302 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1303 \begin{code}
1304 fir (State (xs,hs)) x = 
1305   (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1306 \end{code}
1307 \end{minipage}
1308 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1309   \begin{example}
1310   \label{lst:code14}
1311   \end{example}
1312 \end{minipage}
1313
1314 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1315 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1316 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1317 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1318 code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1319 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1320 is shown below:
1321
1322 \hspace{-1.7em}
1323 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1324 \begin{code}
1325 x >> xs = x +> init xs  
1326 \end{code}
1327 \end{minipage}
1328 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1329   \begin{example}
1330   \label{lst:code15}
1331   \end{example}
1332 \end{minipage}
1333
1334 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1335 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1336 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1337 \Cref{img:4tapfir}.
1338
1339 \begin{figure}
1340 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1341 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1342 \label{img:4tapfir}
1343 \vspace{-1.5em}
1344 \end{figure}
1345
1346 \subsection{Higher-order CPU}
1347 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher order
1348 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1349 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1350 common operations.
1351
1352 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1353 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1354 previous outputs of each function units, along with the single data input the 
1355 \acro{CPU} has and two fixed initialization values.
1356
1357 Each of the function units has both its operands connected to all data
1358 sources, and can be programmed to select any data source for either
1359 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1360 opcode input to select the operation it performs. The output of the rightmost 
1361 function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
1362
1363 Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
1364 arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
1365 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1366 but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
1367 of two arguments that defines the operation.
1368
1369 \hspace{-1.7em}
1370 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1371 \begin{code}
1372 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1373   where
1374     in1     = inputs!addr1
1375     in2     = inputs!addr2
1376     regIn   = op in1 in2
1377 \end{code}
1378 \end{minipage}
1379 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1380   \begin{example}
1381   \label{lst:code16}
1382   \end{example}
1383 \end{minipage}
1384
1385 The \hs{multiop} function defines the operation that takes place in the
1386 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU}
1387 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1388 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1389 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1390 the bitwise xor of its operands.
1391
1392 \hspace{-1.7em}
1393 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1394 \begin{code}
1395 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1396
1397 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1398 multiop Shift   a b                 = shift a b
1399 multiop Xor     a b                 = xor a b
1400 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1401                       | otherwise   = 0
1402 \end{code}
1403 \end{minipage}
1404 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1405   \begin{example}
1406   \label{lst:code17}
1407   \end{example}
1408 \end{minipage}
1409
1410 The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1411 function four times, to create a different function unit each time. The
1412 first application is interesting, because it does not just pass a
1413 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1414 shows how the first function unit effectively gets an extra input,
1415 compared to the others.
1416
1417 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1418 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1419 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1420 their operand. The application of the function units to the \hs{inputs} and
1421 \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1422 a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1423 However, the prototype compiler does not currently support working with lists 
1424 of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1425
1426 \hspace{-1.7em}
1427 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1428 \begin{code}
1429 type CpuState = State [Word | 4]
1430
1431 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1432        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1433 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1434   where
1435     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1436               , fu add            inputs (addrs!1)
1437               , fu sub            inputs (addrs!2)
1438               , fu mul            inputs (addrs!3)
1439               ]
1440     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1441     out       =   head s'
1442 \end{code}
1443 \end{minipage}
1444 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1445   \begin{example}
1446   \label{lst:code18}
1447   \end{example}
1448 \end{minipage}
1449
1450 This is still a simple example, but it could form the basis
1451 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1452
1453 \section{Related work}
1454 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1455 description languages and highlights the advantages that this research has 
1456 over existing work.
1457
1458 Many functional hardware description languages have been developed over the 
1459 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1460 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1461 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1462 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1463 circuits, and has a particular focus on layout. 
1464
1465 \begin{figure}
1466 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1467 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1468 \label{img:highordcpu}
1469 \vspace{-1.5em}
1470 \end{figure}
1471
1472 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1473 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1474 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1475 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1476 be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
1477 simulated in a \VHDL\ simulator. Certain aspects of HML, such as higher-order
1478 functions are however not supported by the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The 
1479 \CLaSH\ compiler on the other hand can correctly translate all of the language 
1480 constructs mentioned in this paper. % to a netlist format.
1481
1482 Like the work presented in this paper, many functional hardware description 
1483 languages have some sort of foundation in the functional programming language 
1484 Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
1485 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
1486 specifications can be simulated; to the best knowledge of the authors there is 
1487 however no support for automated circuit synthesis. 
1488
1489 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1490 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1491 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1492 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1493 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1494 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1495 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1496 Unlike \CLaSH\ there is no support for the automated synthesis of descriptions 
1497 that contain polymorphism or higher-order functions.
1498
1499 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
1500 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
1501 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
1502 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
1503 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
1504 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
1505 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
1506 circuit he will have to explicitly instantiate a multiplexer-like component. 
1507
1508 In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, 
1509 such as case-statements and pattern matching, are synthesized to choice 
1510 elements in the eventual circuit. As such, richer control structures can both 
1511 be specified and synthesized in \CLaSH\ compared to any of the embedded 
1512 languages, such as: Hawk, ForSyDe, or Lava.
1513
1514 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
1515 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
1516 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support 
1517 for generics has been extended to types and subprograms, allowing a developer 
1518 to describe components with polymorphic ports and function-valued arguments. 
1519 Note that the types and subprograms still require an explicit generic map, 
1520 whereas types can be automatically inferred, and function-values can be 
1521 automatically propagated by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally 
1522 available) \VHDL\ synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 
1523 standard, and thus the synthesis of polymorphic types and function-valued 
1524 arguments.
1525
1526 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1527
1528 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1529 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1530 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1531
1532 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1533 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1534 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1535 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1536 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1537 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1538 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1539 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1540 %
1541 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1542 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1543 % displayed while in draft mode.
1544 %
1545 %\begin{figure}[!t]
1546 %\centering
1547 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1548 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1549 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1550 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1551 %\caption{Simulation Results}
1552 %\label{fig_sim}
1553 %\end{figure}
1554
1555 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1556 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1557
1558
1559 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1560 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1561 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1562 % \label for the overall figure must come after \caption.
1563 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1564 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1565 % used instead of \subfloat.
1566 %
1567 %\begin{figure*}[!t]
1568 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1569 %\label{fig_first_case}}
1570 %\hfil
1571 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1572 %\label{fig_second_case}}}
1573 %\caption{Simulation results}
1574 %\label{fig_sim}
1575 %\end{figure*}
1576 %
1577 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1578 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1579 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1580
1581
1582 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1583 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1584 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1585 % The \label must come after \caption as always.
1586 %
1587 %\begin{table}[!t]
1588 %% increase table row spacing, adjust to taste
1589 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1590 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1591 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1592 %\caption{An Example of a Table}
1593 %\label{table_example}
1594 %\centering
1595 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1596 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1597 %\begin{tabular}{|c||c|}
1598 %\hline
1599 %One & Two\\
1600 %\hline
1601 %Three & Four\\
1602 %\hline
1603 %\end{tabular}
1604 %\end{table}
1605
1606
1607 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1608 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1609 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1610 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1611 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1612 % command of the stfloats package.
1613
1614
1615
1616 \section{Conclusion}
1617 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1618 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1619 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1620 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1621 choice elements, such as pattern matching, that are well suited to describe 
1622 the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides being able 
1623 to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1624 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1625 polymorphic types and function-valued arguments.
1626
1627 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1628 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1629 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1630 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1631 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1632 languages do not offer.
1633
1634 \section{Future Work}
1635 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1636 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1637 usually very clear, one finds that dealing with unpacking, passing, receiving 
1638 and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
1639 of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
1640 abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
1641
1642 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1643 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1644 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1645 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1646 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1647 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1648 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1649 earlier mentioned properties do indeed exist.
1650
1651 % conference papers do not normally have an appendix
1652
1653
1654 % use section* for acknowledgement
1655 % \section*{Acknowledgment}
1656
1657 % The authors would like to thank...
1658
1659 % trigger a \newpage just before the given reference
1660 % number - used to balance the columns on the last page
1661 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1662 % the document is modified later
1663 % \IEEEtriggeratref{14}
1664 % The "triggered" command can be changed if desired:
1665 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1666
1667 % references section
1668
1669 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1670 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1671 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1672 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1673 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1674 \bibliographystyle{IEEEtran}
1675 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1676 \bibliography{clash}
1677 %
1678 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1679 % set second argument of \begin to the number of references
1680 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1681 % \begin{thebibliography}{1}
1682
1683 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1684 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1685 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1686
1687 % \end{thebibliography}
1688
1689
1690
1691
1692 % that's all folks
1693 \end{document}
1694
1695 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: