Process most of jan'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\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
347 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
348 \def\GHC{\acro{GHC}}
349 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
350 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
351
352 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
353 % we'll get something more complex later on.
354 \def\hs#1{\texttt{#1}}
355 \def\quote#1{``{#1}"}
356
357 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
358   \begin{list}{}{%
359     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
360     \setlength{\labelsep}{0.5em}
361     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
362     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
363     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
364     \setlength{\rightmargin}{0pt}
365     \setlength{\listparindent}{\parindent}
366     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
367     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
368     }
369   }
370 {\end{list}}
371
372 \usepackage{paralist}
373 \usepackage{xcolor}
374 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
375
376 \usepackage{cleveref}
377 \crefname{figure}{figure}{figures}
378 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
379 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
380
381 \usepackage{epstopdf}
382
383 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
384
385 %include polycode.fmt
386 %include clash.fmt
387
388 \begin{document}
389 %
390 % paper title
391 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
392 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
393
394
395 % author names and affiliations
396 % use a multiple column layout for up to three different
397 % affiliations
398 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
399 \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
400 Department of EEMCS, University of Twente\\
401 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
402 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
403 \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
404 }
405 % \and
406 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
407 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
408 % Springfield, USA\\
409 % Email: homer@thesimpsons.com}
410 % \and
411 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
412 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
413 % San Francisco, California 96678-2391\\
414 % Telephone: (800) 555--1212\\
415 % Fax: (888) 555--1212}}
416
417 % conference papers do not typically use \thanks and this command
418 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
419 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
420 % after \documentclass
421
422 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
423 % of the page, use this alternative format:
424
425 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
426 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
427 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
428 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
429 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
430 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
431 %Georgia Institute of Technology,
432 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
433 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
434 %Email: homer@thesimpsons.com}
435 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
436 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
437 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
438
439
440
441
442 % use for special paper notices
443 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
444
445
446
447
448 % make the title area
449 \maketitle
450
451 \begin{abstract}
452 %\boldmath
453 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
454 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. Due to 
455 the abstraction and generality offered by polymorphism and higher-order 
456 functions, a circuit designer can describe circuits in a more natural way than 
457 he could in the traditional hardware description languages.
458
459 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
460 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
461 test input are also valid Haskell, complete simulations can be compiled to an 
462 executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
463 analysis.
464
465 Stateful descriptions are supported by explicitly making the current state an 
466 argument of the function, and the updated state part of the result. In this 
467 sense, the descriptions made in \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy 
468 machine.
469 \end{abstract}
470 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
471 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
472 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
473 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
474 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
475 % math in the abstract anyway.
476
477 % no keywords
478
479
480
481
482 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
483 % page as needed:
484 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
485 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
486 % \fi
487 %
488 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
489 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
490 \IEEEpeerreviewmaketitle
491
492 \section{Introduction}
493 Hardware description languages have allowed the productivity of hardware 
494 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
495 Hardware description languages, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
496 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
497 programming language. These standard languages are very good at describing 
498 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
499 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
500 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
501 functional languages has been proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,
502 ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
503 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981, muFP,DAISY,FHDL}, 
504 a time which also saw the birth of the currently popular hardware description 
505 languages such as \VHDL. Functional languages are especially suited to
506 describe hardware because combinational circuits can be directly modeled
507 as mathematical functions. Furthermore, functional languages are very good at
508 describing and composing mathematical functions.
509
510 In an attempt to decrease the amount of work involved in creating all the 
511 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
512 hardware description languages \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}
513 are embedded as a domain specific language inside the functional
514 language Haskell \cite{Haskell}. This means that a developer is given a
515 library of Haskell functions and types that together form the language
516 primitives of the domain specific language. The primitive functions used
517 to describe a circuit do not actually process any signals, but instead
518 compose a large domain-specific datatype (which is usually hidden from
519 the designer).  This datatype is then further processed by an embedded
520 circuit compiler.  This circuit compiler actually runs in the same
521 environment as the description; as a result compile-time and run-time
522 become hard to define, as the embedded circuit compiler is usually
523 compiled by the same Haskell compiler as the circuit description itself.
524
525 The approach taken in this research is not to make another domain specific 
526 language embedded in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language 
527 \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this approach, 
528 we can capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
529 (if-expressions, case-expressions, pattern matching, etc.), which are not 
530 available in the functional hardware description languages that are embedded 
531 in Haskell as a domain specific language. As far as the authors know, such 
532 extensive support for choice-elements is new in the domain of functional 
533 hardware description languages. As the hardware descriptions are plain Haskell 
534 functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
535 for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
536 Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
537
538 Where descriptions in a conventional hardware description language have an 
539 explicit clock for the purposes state and synchronicity, in the research 
540 presented in this paper the clock is implied. A developer describes the 
541 behavior of the hardware between clock cycles. Many functional hardware 
542 description model signals as a stream of all values over time; state is then 
543 modeled as a delay on this stream of values. The approach taken in this 
544 research is to make the current state of a circuit part of the input of the 
545 function and the updated state part of the output. The current abstraction of 
546 state and time limits the descriptions to synchronous hardware, there however 
547 is room within the language to eventually add a different abstraction 
548 mechanism that will allow for the modeling of asynchronous systems.
549
550 Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
551 functional hardware description language must eventually be converted into a 
552 netlist. This research also features a prototype translator, which has the 
553 same name as the language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} 
554 Language for Synchronous Hardware} (pronounced: clash). This compiler converts 
555 the Haskell code to equivalently behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to 
556 be converted to an actual netlist format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis 
557 tool.
558
559 Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
560 the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
561 also been shown to work for non-trivial descriptions. \CLaSH\ has been able to 
562 successfully translate the functional description of a streaming reduction 
563 circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
564
565 \section{Hardware description in Haskell}
566
567   \subsection{Function application}
568     Two basic syntactic elements of a functional program are functions
569     and function application. These have a single obvious translation to a 
570     netlist format: 
571     \begin{inparaenum}
572       \item every function is translated to a component, 
573       \item every function argument is translated to an input port,
574       \item the result value of a function is translated to an output port, 
575             and
576       \item function applications are translated to component instantiations.
577     \end{inparaenum} 
578     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
579     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
580     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
581     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
582     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
583     result of the application itself. Since every top level function generates 
584     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
585     final netlist, creating a hierarchical description of the hardware. 
586     % The separation in different components makes it easier for a developer 
587     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
588     % the \CLaSH\ compiler.
589
590     The short example demonstrated below gives an indication of the level of 
591     conciseness that can be achieved with functional hardware description 
592     languages when compared with the more traditional hardware description 
593     languages. The example is a combinational multiply-accumulate circuit that 
594     works for \emph{any} word length (this type of polymorphism will be 
595     further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist 
596     is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
597     
598     \begin{code}
599     mac a b c = add (mul a b) c
600     \end{code}
601     
602     \begin{figure}
603     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
604     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate}
605     \label{img:mac-comb}
606     \end{figure}
607     
608     The use of a composite result value is demonstrated in the next example, 
609     where the multiply-accumulate circuit not only returns the accumulation 
610     result, but also the intermediate multiplication result. Its corresponding
611     netlist can be see in \Cref{img:mac-comb-composite}.
612     
613     \begin{code}
614     mac a b c = (z, add z c)
615       where
616         z = mul a b
617     \end{code}
618     
619     \begin{figure}
620     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
621     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (composite output)}
622     \label{img:mac-comb-composite}
623     \end{figure}
624
625   \subsection{Choice}
626     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
627     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
628     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
629     expressions (\hs{if} expressions can be very directly translated to 
630     \hs{case} expressions). A \hs{case} expression is translated to a 
631     multiplexer, where the control value is fed into a number of
632     comparators and their output is used to compose the selection port
633     of the multiplexer. The result of each alternative is linked to the
634     corresponding input port on the multiplexer.
635     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
636     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
637     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
638     We can see two versions of a contrived example below, the first 
639     using a \hs{case} expression and the other using an \hs{if-then-else} 
640     expression. Both examples sums two values when they are 
641     equal or non-equal (depending on the given predicate, the \hs{pred} 
642     variable) and returns 0 otherwise. The \hs{pred} variable has the 
643     following, user-defined, enumeration datatype:
644     
645     \begin{code}
646     data Pred = Equal | NotEqual
647     \end{code}
648
649     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
650     depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
651     compared to the \hs{Equal} value, as an inequality immediately implies 
652     that the \hs{pred} variable has a \hs{NotEqual} value.
653
654     \begin{code}    
655     sumif pred a b = case pred of
656       Equal -> case a == b of
657         True      -> a + b
658         False     -> 0
659       NotEqual  -> case a != b of
660         True      -> a + b
661         False     -> 0
662     \end{code}
663
664     \begin{code}
665     sumif pred a b = 
666       if pred == Equal then 
667         if a == b then a + b else 0
668       else 
669         if a != b then a + b else 0
670     \end{code}
671
672     \begin{figure}
673     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
674     \caption{Choice - sumif}
675     \label{img:choice}
676     \end{figure}
677
678     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
679     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
680     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
681     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
682     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
683     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
684     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
685     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
686     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
687     multiplexers. A third version of the earlier example, using both pattern 
688     matching and guards, can be seen below. The guard is the expression that 
689     follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the assignment operator 
690     (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to \hs{true}.
691     
692     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
693     naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
694     versions of the example.
695     
696     \begin{code}
697     sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
698                           | otherwise   = 0
699     sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
700                           | otherwise   = 0
701     \end{code}
702
703     % \begin{figure}
704     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
705     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
706     % \label{img:choice}
707     % \end{figure}
708
709   \subsection{Types}
710     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
711     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
712     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
713     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
714     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
715     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
716     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
717     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
718     translated the user-defined types described below.
719
720     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified types,
721     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
722     type signature (even if it is good practice to do so).
723   
724     % Translation of two most basic functional concepts has been
725     % discussed: function application and choice. Before looking further
726     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
727     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
728     % descriptions will be discussed.
729     % 
730     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
731     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
732     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
733     % 
734     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
735     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
736     % define his own types, which will be translated into hardware types
737     % using translation rules that are discussed later on.
738
739   \subsubsection{Built-in types}
740     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
741     compiler:
742     \begin{xlist}
743       \item[\bf{Bit}]
744         the most basic type available. It can have two values:
745         \hs{Low} or \hs{High}. 
746         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
747       \item[\bf{Bool}]
748         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
749         or \hs{False}. 
750         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
751         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
752         % \hs{High}). 
753         Supporting the Bool type is required in order to support the
754         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
755         the condition.
756       \item[\bf{SizedWord}, \bf{SizedInt}]
757         these are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
758         while a \hs{SizedInt} is signed. Both are parametrizable in their 
759         size. 
760         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
761
762         % \begin{code}
763         % type Word32 = SizedWord D32
764         % \end{code}
765
766         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
767         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
768         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
769         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
770         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
771         % \texttt{signed} respectively.
772       \item[\bf{Vector}]
773         this is a vector type that can contain elements of any other type and
774         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
775         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
776         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
777         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, here \hs{a} is the element 
778         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
779         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
780         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
781         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
782         % be:
783
784         % \begin{code}
785         % type RegisterState = Vector D8 Word32
786         % \end{code}
787
788         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
789         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
790         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
791         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
792         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
793         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
794       \item[\bf{Index}]
795         this is another type to describe integers, but unlike the previous
796         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
797         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
798         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
799         implicitly zero. The main purpose of the \hs{Index} type is to be 
800         used as an index to a \hs{Vector}.
801
802         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
803         % the 8 element vector above, we would do:
804
805         % \begin{code}
806         % type RegisterIndex = RangedWord D7
807         % \end{code}
808
809         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
810         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
811         % other words, this defines an unsigned word with values from
812         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
813         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
814         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
815     \end{xlist}
816
817   \subsubsection{User-defined types}
818     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
819     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
820     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
821     \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
822     existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard Haskell. 
823     As it is currently unclear how these advanced type constructs correspond 
824     to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ compiler.
825
826     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
827     completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
828     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
829     and type renaming requires explicit conversions. Therefore, these do not 
830     need any particular translation, a synonym or renamed type will just use 
831     the same representation as the original type. 
832     
833     For algebraic types, we can make the following distinctions:
834     \begin{xlist}
835       \item[\bf{Single constructor}]
836         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
837         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
838         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
839         as single constructor algebraic types (but with a bit of
840         syntactic sugar). An example of a single constructor type is the
841         following pair of integers:
842         \begin{code}
843         data IntPair = IntPair Int Int
844         \end{code}
845         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
846         % for every field in the constructor.
847       \item[\bf{No fields}]
848         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
849         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
850         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
851         defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
852         for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
853         enumeration type is the type that represents the colors in a traffic 
854         light:
855         \begin{code}
856         data TrafficLight = Red | Orange | Green
857         \end{code}
858         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
859         % value for each constructor. This allows references to these 
860         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
861         % value.
862       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
863         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
864         one of these constructors has one or more fields are currently not 
865         supported.
866     \end{xlist}
867
868   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
869     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
870     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
871     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
872     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
873     without mention of any specific type and can be used transparently with 
874     any number of new types.
875
876     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
877     the following \hs{append} function, which appends an element to a
878     vector:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
879     with its type.}
880     
881     \begin{code}
882     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
883     \end{code}
884
885     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
886     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
887     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
888     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
889     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
890     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
891     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
892     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
893     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
894     functions, as we will see in the next section.
895
896     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
897     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
898     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
899     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
900     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
901     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
902     function, and class instances define the functionality for the specific 
903     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
904     contains all of Haskell's numerical operations. A designer can make use 
905     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
906     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
907     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
908     overloaded functions associated with the type class. 
909     
910     As an example we will take a look at type signature of the function 
911     \hs{sum}, which sums the values in a vector:
912     \begin{code}
913     sum :: Num a => [a|n] -> a
914     \end{code}
915
916     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
917     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
918     we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
919     \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
920     class, so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
921     function) with \hs{SizedWords} as well as with \hs{SizedInts}.
922
923     In \CLaSH, parametric polymorphism is completely supported. Any function 
924     defined can have any number of unconstrained type parameters. The \CLaSH\ 
925     compiler will infer the type of every such argument depending on how the 
926     function is applied. There is however one constraint: the top level 
927     function that is being translated can not have any polymorphic arguments. 
928     The arguments can not be polymorphic as the function is never applied and 
929     consequently there is no way to determine the actual types for the type 
930     parameters.
931
932     \CLaSH\ does \emph{currently} not support\emph{ user-defined} type 
933     classes, but does use some of the standard Haskell type classes for its 
934     built-in function, such as: \hs{Num} for numerical operations, \hs{Eq} for 
935     the equality operators, and \hs{Ord} for the comparison/order operators.
936
937   \subsection{Higher-order functions \& values}
938     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
939     the concept of \emph{higher-order functions}, or \emph{functions as
940     a first class value}. This allows a function to be treated as a
941     value and be passed around, even as the argument of another
942     function. The following example should clarify this concept:
943     
944 %format not = "\mathit{not}"
945     \begin{code}
946     negateVector xs = map not xs
947     \end{code}
948
949     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
950     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
951     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
952     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
953     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
954     elements in the vector.
955
956     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
957     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
958     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
959     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
960     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
961     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
962     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
963     input vector. All of these characteristics  can readily be inferred from 
964     the type signature belonging to \hs{map}:
965
966     \begin{code}
967     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
968     \end{code}
969
970     So far, only functions have been used as higher-order values. In
971     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
972     partial application and lambda abstraction. Partial application
973     means that a function that takes multiple arguments can be applied
974     to a single argument, and the result will again be a function (but
975     that takes one argument less). As an example, consider the following
976     expression, that adds one to every element of a vector:
977
978     \begin{code}
979     map (add 1) xs
980     \end{code}
981
982     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
983     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
984     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
985     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
986     expression, which again adds one to every element of a vector:
987
988     \begin{code}
989     map (\x -> x + 1) xs
990     \end{code}
991
992     Finally, not only built-in functions can have higher order
993     arguments, but any function defined in \CLaSH can have function
994     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
995     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
996     code reuse. The only exception is again the top-level function: if a 
997     function-typed argument is not applied with an actual function, no 
998     hardware can be generated.    
999
1000     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1001
1002   \subsection{State}
1003     A very important concept in hardware is the concept of state. In a 
1004     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
1005     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1006     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1007     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1008
1009     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
1010     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1011     conditions:
1012     \begin{inparaenum}
1013       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1014       both cases, and
1015       \item that the function has no observable side-effects.
1016     \end{inparaenum}
1017     % This purity property is important for functional languages, since it 
1018     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1019     % correct for impure functions. 
1020     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1021     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1022     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1023     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1024     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1025     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1026     current value of the state an additional argument of the function and the 
1027     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1028     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1029     
1030     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1031     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1032     \Cref{img:mac-state}:
1033     
1034     \begin{code}
1035     macS (State c) a b = (State c', c')
1036       where
1037         c' = mac a b c
1038     \end{code}
1039     
1040     \begin{figure}
1041     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1042     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1043     \label{img:mac-state}
1044     \end{figure}
1045     
1046     Note that the \hs{macS} function returns bot the new state and the value
1047     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1048     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1049     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1050     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1051     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1052     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1053     combination with the existing code and language features, such as all the 
1054     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1055     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1056     
1057     \begin{code}
1058     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1059       where
1060         (s', o) = f s i
1061     \end{code}
1062     
1063     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1064     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1065     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1066     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1067     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1068     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1069     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1070     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1071     It is assumed that there is one input per clock cycle.
1072     Also note how the order of the input, output, and state in the \hs{run} 
1073     function corresponds with the order of the input, output and state of the 
1074     \hs{macS} function described earlier.
1075     
1076     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1077     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1078     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1079     Haskell interpreter. Both simulation paths are much faster than first 
1080     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1081     simulation.
1082     
1083 \section{The \CLaSH\ compiler}
1084 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1085 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1086 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL, allowing 
1087 a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1088
1089 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC) is an open-source Haskell compiler that 
1090 also provides a high level API to most of its internals. The availability of 
1091 this high-level API obviated the need to design many of the tedious parts of 
1092 the prototype compiler, such as the parser, semantic checker, and especially 
1093 the type-checker. These parts together form the front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in \Cref{img:compilerpipeline}.
1094
1095 \begin{figure}
1096 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1097 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1098 \label{img:compilerpipeline}
1099 \end{figure}
1100
1101 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} can still contain elements which have no direct translation to hardware, such as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that have a direct translation. The second stage of the compiler, the \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations includes transformations typically found in reduction systems and lambda calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' first-order functions.
1102
1103 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1104 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1105 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1106 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
1107 \VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
1108
1109 \section{Use cases}
1110 \label{sec:usecases}
1111 \subsection{FIR Filter}
1112 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1113 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1114 basically the dot-product of two vectors:
1115
1116 \begin{equation}
1117 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1118 \end{equation}
1119
1120 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1121 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1122 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1123 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1124 shown below:
1125
1126 \begin{equation}
1127 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1128 \end{equation}
1129
1130 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1131 using higher-order functions:
1132
1133 \begin{code}
1134 as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
1135 \end{code}
1136
1137 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1138 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1139 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1140 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1141
1142 The \hs{foldl1} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1143 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1144 function to the result of the first application and the next element in the 
1145 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1146 the \hs{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
1147 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1148 \hs{foldl1 (+)} function is summation.
1149 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1150 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1151 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1152 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1153 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1154 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1155 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1156 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1157 % transformation to code):
1158
1159 % \begin{equation}
1160 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1161 % \end{equation}
1162 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1163
1164 \begin{code}
1165 fir (State (xs,hs)) x = 
1166   (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1167 \end{code}
1168
1169 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, is shown below:
1170
1171 \begin{code}
1172 x >> xs = x +> init xs  
1173 \end{code}
1174
1175 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1176 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1177 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1178 \Cref{img:4tapfir}.
1179
1180 \begin{figure}
1181 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1182 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1183 \label{img:4tapfir}
1184 \end{figure}
1185
1186 \subsection{Higher-order CPU}
1187 The following simple CPU is an example of user-defined higher order
1188 functions and pattern matching. The CPU consists of four function units,
1189 of which three have a fixed function and one can perform some less
1190 common operations.
1191
1192 The CPU contains a number of data sources, represented by the horizontal
1193 lines in figure TODO:REF. These data sources offer the previous outputs
1194 of each function units, along with the single data input the cpu has and
1195 two fixed intialization values.
1196
1197 Each of the function units has both its operands connected to all data
1198 sources, and can be programmed to select any data source for either
1199 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1200 opcode input to select the operation it performs. Its output is also the
1201 output of the entire cpu.
1202
1203 Looking at the code, the function unit is the most simple. It arranges
1204 the operand selection for the function unit. Note that it does not
1205 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1206 but simply accepts the (higher order) argument \hs{op} which is a function
1207 of two arguments that defines the operation.
1208
1209 \begin{code}
1210 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1211   where
1212     in1     = inputs!addr1
1213     in2     = inputs!addr2
1214     regIn   = op in1 in2
1215 \end{code}
1216
1217 The multiop function defines the operation that takes place in the
1218 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation alu
1219 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1220 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1221 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1222 the bitwise xor of its operands.
1223
1224 \begin{code}
1225 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1226
1227 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1228 multiop opc a b = case opc of
1229   Shift             -> shift a b
1230   Xor               -> xor a b 
1231   Equal | a == b    -> 1
1232         | otherwise -> 0
1233 \end{code}
1234
1235 The cpu function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1236 function four times, to create a different function unit each time. The
1237 first application is interesting, because it does not just pass a
1238 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1239 shows how the first funcition unit effectively gets an extra input,
1240 compared to the others.
1241
1242 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1243 each function unit for operand selection. The cpu also receives a vector
1244 of address pairs, which are used by each function unit to select their
1245 operand. The application of the function units to the \hs{inputs} and
1246 \hs{addrs} arguments seems quite repetive and could be rewritten to use
1247 a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1248 However, the prototype does not currently support working with lists of
1249 functions, so the more explicit version of the code is given instead).
1250
1251 \begin{code}
1252 type CpuState = State [Word | 4]
1253
1254 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1255        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1256 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1257   where
1258     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1259               , fu add            inputs (addrs!1)
1260               , fu sub            inputs (addrs!2)
1261               , fu mul            inputs (addrs!3)
1262               ]
1263     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1264     out       =   head s'
1265 \end{code}
1266
1267 Of course, this is still a simple example, but it could form the basis
1268 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1269
1270 \section{Related work}
1271 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1272 description languages and highlights the advantages that this research has 
1273 over existing work.
1274
1275 Many functional hardware description languages have been developed over the 
1276 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1277 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1278 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1279 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1280 circuits, and has a particular focus on layout. 
1281
1282 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1283 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1284 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1285 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1286 be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
1287 simulated in a \VHDL\ simulator. Also not all of the mentioned language 
1288 features of \acro{HML} could be translated to hardware. The \CLaSH\ compiler 
1289 on the other hand can correctly translate all of the language constructs 
1290 mentioned in this paper to a netlist format.
1291
1292 Like the work presented in this paper, many functional hardware description languages have some sort of foundation in the functional programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
1293 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
1294 specifications can be simulated; to the best knowledge of the authors there is however no support for automated circuit synthesis. 
1295
1296 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1297 models, which can (manually) be transformed into an implementation model using 
1298 semantic preserving transformations. A designer can model systems using 
1299 heterogeneous models of computation, which include continuous time, 
1300 synchronous and untimed models of computation. Using so-called domain 
1301 interfaces a designer can simulate electronic systems which have both analog 
1302 as digital parts. ForSyDe has several backends including simulation and 
1303 automated synthesis, though automated synthesis is restricted to the 
1304 synchronous model of computation within ForSyDe. Unlike \CLaSH\ there is no 
1305 support for the automated synthesis of descriptions that contain polymorphism 
1306 or higher-order functions.
1307
1308 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
1309 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
1310 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
1311 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
1312 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
1313 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
1314 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
1315 circuit he will have to explicitly instantiate a multiplexer-like component. 
1316 In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, 
1317 such as case-statements and pattern matching, are synthesized to choice 
1318 elements in the eventual circuit. As such, richer control structures can both 
1319 be specified and synthesized in \CLaSH\ compared to any of the embedded 
1320 languages such as Hawk, ForSyDe and Lava.
1321
1322 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
1323 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
1324 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support 
1325 for generics has been extended to types and subprograms, allowing a developer 
1326 to describe components with polymorphic ports and function-valued arguments. 
1327 Note that the types and subprograms still require an explicit generic map, 
1328 whereas types can be automatically inferred, and function-values can be 
1329 automatically propagated by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally 
1330 available) \VHDL\ synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 
1331 standard, and thus the synthesis of polymorphic types and function-valued 
1332 arguments.
1333
1334 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1335
1336 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1337 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1338 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1339
1340 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1341 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1342 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1343 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1344 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1345 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1346 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1347 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1348 %
1349 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1350 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1351 % displayed while in draft mode.
1352 %
1353 %\begin{figure}[!t]
1354 %\centering
1355 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1356 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1357 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1358 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1359 %\caption{Simulation Results}
1360 %\label{fig_sim}
1361 %\end{figure}
1362
1363 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1364 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1365
1366
1367 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1368 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1369 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1370 % \label for the overall figure must come after \caption.
1371 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1372 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1373 % used instead of \subfloat.
1374 %
1375 %\begin{figure*}[!t]
1376 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1377 %\label{fig_first_case}}
1378 %\hfil
1379 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1380 %\label{fig_second_case}}}
1381 %\caption{Simulation results}
1382 %\label{fig_sim}
1383 %\end{figure*}
1384 %
1385 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1386 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1387 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1388
1389
1390 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1391 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1392 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1393 % The \label must come after \caption as always.
1394 %
1395 %\begin{table}[!t]
1396 %% increase table row spacing, adjust to taste
1397 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1398 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1399 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1400 %\caption{An Example of a Table}
1401 %\label{table_example}
1402 %\centering
1403 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1404 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1405 %\begin{tabular}{|c||c|}
1406 %\hline
1407 %One & Two\\
1408 %\hline
1409 %Three & Four\\
1410 %\hline
1411 %\end{tabular}
1412 %\end{table}
1413
1414
1415 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1416 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1417 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1418 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1419 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1420 % command of the stfloats package.
1421
1422
1423
1424 \section{Conclusion}
1425 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1426 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1427 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1428 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1429 choice elements, such as patter matching, that are well suited to describe the 
1430 conditional assignments in control-oriented hardware. Besides being able to 
1431 translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1432 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1433 polymorphic types and function-valued arguments.
1434
1435 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1436 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1437 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1438 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1439 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1440 languages do not offer.
1441
1442 \section{Future Work}
1443 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1444 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1445 usually very clear, one finds that dealing with unpacking, passing, receiving 
1446 and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
1447 of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
1448 abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
1449
1450 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1451 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1452 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1453 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1454 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1455 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1456 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1457 earlier mentioned properties do indeed exist.
1458
1459 % conference papers do not normally have an appendix
1460
1461
1462 % use section* for acknowledgement
1463 % \section*{Acknowledgment}
1464
1465 % The authors would like to thank...
1466
1467 % trigger a \newpage just before the given reference
1468 % number - used to balance the columns on the last page
1469 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1470 % the document is modified later
1471 % \IEEEtriggeratref{14}
1472 % The "triggered" command can be changed if desired:
1473 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1474
1475 % references section
1476
1477 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1478 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1479 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1480 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1481 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1482 \bibliographystyle{IEEEtran}
1483 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1484 \bibliography{clash}
1485 %
1486 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1487 % set second argument of \begin to the number of references
1488 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1489 % \begin{thebibliography}{1}
1490
1491 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1492 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1493 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1494
1495 % \end{thebibliography}
1496
1497
1498
1499
1500 % that's all folks
1501 \end{document}
1502
1503 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: