Add pictures for choice section. Update section on function application
[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 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
69 %
70 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
71 % manually specify the path to it like:
72 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
73
74 % Some very useful LaTeX packages include:
75 % (uncomment the ones you want to load)
76
77 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
78 %
79 %\usepackage{ifpdf}
80 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
81 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
82 % usage:
83 % \ifpdf
84 %   % pdf code
85 % \else
86 %   % dvi code
87 % \fi
88 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
89 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
90 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
91 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
92 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
93 % have to be run twice to clear warning/error messages.
94
95
96
97 % *** CITATION PACKAGES ***
98 %
99 \usepackage{cite}
100 % cite.sty was written by Donald Arseneau
101 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
102 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
103 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
104 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
105 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
106 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
107 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
108 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
109 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
110 % not currently provide for hyperlinked citations.
111 % The latest version can be obtained at:
112 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
113 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
114
115
116
117
118
119
120 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
121 %
122 \ifCLASSINFOpdf
123   \usepackage[pdftex]{graphicx}
124   % declare the path(s) where your graphic files are
125   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
126   % and their extensions so you won't have to specify these with
127   % every instance of \includegraphics
128   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
129 \else
130   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
131   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
132   % driver is specified.
133   % \usepackage[dvips]{graphicx}
134   % declare the path(s) where your graphic files are
135   % \graphicspath{{../eps/}}
136   % and their extensions so you won't have to specify these with
137   % every instance of \includegraphics
138   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
139 \fi
140 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
141 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
142 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
143 % be obtained at: 
144 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
145 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
146 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
147 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
148 %
149 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
150 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
151 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
152 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
153 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
154 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
155 % well as large increases in file sizes.
156 %
157 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
158 % http://www.tug.org/applications/pdftex
159
160
161
162
163
164 % *** MATH PACKAGES ***
165 %
166 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
167 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
168 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
169 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
170 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
171 % it is possible that some math symbols, particularly those within
172 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
173 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
174 %
175 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
176 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
177 %\interdisplaylinepenalty=2500
178 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
179 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
180 % version and documentation can be obtained at:
181 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
182
183
184
185
186
187 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
188 %
189 %\usepackage{algorithmic}
190 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
191 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
192 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
193 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
194 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
195 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
196 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
197 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
198 % algorithmic.sty can be obtained at:
199 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
200 % There is also a support site at:
201 % http://algorithms.berlios.de/index.html
202 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
203 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
204 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
205
206
207
208
209 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
210 %
211 %\usepackage{array}
212 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
213 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
214 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
215 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
216 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
217 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
218 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
219 % latest version and documentation can be obtained at:
220 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
221
222
223 %\usepackage{mdwmath}
224 %\usepackage{mdwtab}
225 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
226 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
227 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
228 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
229 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
230
231
232 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
233 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
234 % quality.
235
236
237 %\usepackage{eqparbox}
238 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
239 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
240 % Available at:
241 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
242
243
244
245
246
247 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
248 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
249 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
250 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
251 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
252 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
253 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
254 % be obtained at:
255 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
256 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
257
258
259
260 %\usepackage[caption=false]{caption}
261 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
262 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
263 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
264 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
265 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
266 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
267 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
268 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
269 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
270 % the caption=false option directly:
271 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
272 %
273 % The latest version and documentation can be obtained at:
274 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
275 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
276 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
277
278
279
280
281 % *** FLOAT PACKAGES ***
282 %
283 %\usepackage{fixltx2e}
284 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
285 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
286 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
287 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
288 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
289 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
290 % figure. The latest version and documentation can be found at:
291 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
292
293
294
295 %\usepackage{stfloats}
296 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
297 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
298 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
299 % LaTeX2e). It also provides a command:
300 %\fnbelowfloat
301 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
302 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
303 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
304 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
305 % version and documentation can be obtained at:
306 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
307 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
308 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
309 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
310 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
311 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
312 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
313 % not format its papers in such ways.
314
315
316
317
318
319 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
320 %
321 %\usepackage{url}
322 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
323 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
324 % systems. The latest version can be obtained at:
325 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
326 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
327 % \url{my_url_here}.
328
329
330
331
332
333 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
334 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
335 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
336 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
337 % to submit to, of course. )
338
339 % correct bad hyphenation here
340 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
341
342 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
343 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
344 \def\acro#1{{\small{#1}}}
345 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
346 \def\GHC{\acro{GHC}}
347 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
348
349 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
350 % we'll get something more complex later on.
351 \def\hs#1{\texttt{#1}}
352 \def\quote#1{``{#1}"}
353
354 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
355   \begin{list}{}{%
356     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
357     \setlength{\labelsep}{0.5cm}
358     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
359     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
360     \setlength{\rightmargin}{0pt}
361     \setlength{\listparindent}{\parindent}
362     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
363     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
364     }
365   }
366 {\end{list}}
367
368 \usepackage{paralist}
369 \usepackage{xcolor}
370 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
371
372 \usepackage{cleveref}
373 \crefname{figure}{figure}{figures}
374 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
375 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
376
377
378 %include polycode.fmt
379 %include clash.fmt
380
381 \begin{document}
382 %
383 % paper title
384 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
385 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
386
387
388 % author names and affiliations
389 % use a multiple column layout for up to three different
390 % affiliations
391 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
392 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
393 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
394 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl}}
395 % \and
396 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
397 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
398 % Springfield, USA\\
399 % Email: homer@thesimpsons.com}
400 % \and
401 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
402 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
403 % San Francisco, California 96678-2391\\
404 % Telephone: (800) 555--1212\\
405 % Fax: (888) 555--1212}}
406
407 % conference papers do not typically use \thanks and this command
408 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
409 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
410 % after \documentclass
411
412 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
413 % of the page, use this alternative format:
414
415 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
416 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
417 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
418 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
419 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
420 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
421 %Georgia Institute of Technology,
422 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
423 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
424 %Email: homer@thesimpsons.com}
425 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
426 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
427 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
428
429
430
431
432 % use for special paper notices
433 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
434
435
436
437
438 % make the title area
439 \maketitle
440
441
442 \begin{abstract}
443 %\boldmath
444 The abstract goes here.
445 \end{abstract}
446 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
447 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
448 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
449 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
450 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
451 % math in the abstract anyway.
452
453 % no keywords
454
455
456
457
458 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
459 % page as needed:
460 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
461 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
462 % \fi
463 %
464 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
465 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
466 \IEEEpeerreviewmaketitle
467
468
469 \section{Introduction}
470 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
471 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
472 Hardware description languages, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
473 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
474 programming language. These standard languages are very good at describing 
475 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
476 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
477 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
478 functional languages has been proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,
479 ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
480 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981, muFP,DAISY,FHDL}, 
481 a time which also saw the birth of the currently popular hardware description 
482 languages such as \VHDL. The merit of using a functional language to describe 
483 hardware comes from the fact that basic combinatorial circuits are equivalent 
484 to mathematical functions and that functional languages are very good at 
485 describing and composing mathematical functions.
486
487 In an attempt to decrease the amount of work involved with creating all the 
488 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional hardware 
489 description languages are embedded as a domain specific language inside the 
490 functional language Haskell \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}. This 
491 means that a developer is given a library of Haskell~\cite{Haskell} functions 
492 and types that together form the language primitives of the domain specific 
493 language. As a result of how the signals are modeled and abstracted, the 
494 functions used to describe a circuit also build a large domain-specific 
495 datatype (hidden from the designer) which can be further processed by an 
496 embedded compiler. This compiler actually runs in the same environment as the 
497 description; as a result compile-time and run-time become hard to define, as 
498 the embedded compiler is usually compiled by the same Haskell compiler as the 
499 circuit description itself.
500
501 The approach taken in this research is not to make another domain specific 
502 language embedded in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language 
503 itself for the purpose of describing hardware. By taking this approach, we can 
504 capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
505 (if-constructs, case-constructs, pattern matching, etc.), which are not 
506 available in the functional hardware description languages that are embedded 
507 in Haskell as a domain specific languages. As far as the authors know, such 
508 extensive support for choice-elements is new in the domain of functional 
509 hardware description language. As the hardware descriptions are plain Haskell 
510 functions, these descriptions can be compiled for simulation using using the 
511 optimizing Haskell compiler \GHC.
512
513 Where descriptions in a conventional hardware description language have an 
514 explicit clock for the purpose state and synchronicity, the clock is implied 
515 in this research. The functions describe the behavior of the hardware between 
516 clock cycles, as such, only synchronous systems can be described. Many 
517 functional hardware description models signals as a stream of all values over 
518 time; state is then modeled as a delay on this stream of values. The approach 
519 taken in this research is to make the current state of a circuit part of the 
520 input of the function and the updated state part of the output.
521
522 Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
523 functional hardware description language must eventually be converted into a 
524 netlist. This research also features a prototype translator called \CLaSH\ 
525 (pronounced: clash), which converts the Haskell code to equivalently behaving 
526 synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format 
527 by an optimizing \VHDL\ synthesis tools.
528
529 \section{Hardware description in Haskell}
530
531   \subsection{Function application}
532     The basic syntactic elements of a functional program are functions
533     and function application. These have a single obvious translation to a 
534     netlist: every function becomes a component, every function argument is an
535     input port and the result value is of a function is an output port. This 
536     output port can have a complex type (such as a tuple), so having just a 
537     single output port does not create a limitation. Each function application 
538     in turn becomes a component instantiation. Here, the result of each 
539     argument expression is assigned to a signal, which is mapped to the 
540     corresponding input port. The output port of the function is also mapped 
541     to a signal, which is used as the result of the application itself.
542
543     Since every top level function generates its own component, the
544     hierarchy of function calls is reflected in the final netlist aswell, 
545     creating a hierarchical description of the hardware. This separation in 
546     different components makes the resulting \VHDL\ output easier to read and 
547     debug.
548
549     As an example we can see the netlist of the |mac| function in
550     \Cref{img:mac-comb}; the |mac| function applies both the |mul| and |add|
551     function to calculate $a * b + c$:
552     \begin{code}
553     mac a b c = add (mul a b) c
554     \end{code}
555     \begin{figure}
556     \centerline{\includegraphics{mac}}
557     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate}
558     \label{img:mac-comb}
559     \end{figure}
560     The result of using a complex input type can be seen in 
561     \cref{img:mac-comb-nocurry} where the |mac| function now uses a single
562     input tuple for the |a|, |b|, and |c| arguments:
563     \begin{code}
564     mac (a, b, c) = add (mul a b) c
565     \end{code}
566     \begin{figure}
567     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry}}
568     \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (complex input)}
569     \label{img:mac-comb-nocurry}
570     \end{figure}
571
572   \subsection{Choices}
573     Although describing components and connections allows describing a
574     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
575     choice. We need some way to be able to choose between values based
576     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
577     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
578
579     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
580     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
581     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
582     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
583     conditions use equality comparisons against the constructors in the
584     \hs{case} expressions.
585
586     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
587     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
588     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
589     pattern, the corresponding clause will be used.
590
591     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
592     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
593     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
594     guard.
595
596     Contrived example that sums two values when they are equal or
597     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
598     otherwise. This shows three implementations, one using and if
599     expression, one using only case expressions and one using pattern
600     matching and guards.
601
602     \begin{code}
603     sumif pred a b =  if  pred == Eq && a == b ||
604                           pred == Neq && a != b
605                       then  a + b
606                       else  0
607
608     sumif pred a b = case pred of
609       Eq ->   case a == b of
610         True    -> a + b
611         False   -> 0
612       Neq ->  case a != b of
613         True    -> a + b
614         False   -> 0
615
616     sumif Eq a b    | a == b = a + b
617     sumif Neq a b   | a != b = a + b
618     sumif _ _ _     = 0
619     \end{code}
620
621     \begin{figure}
622     \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
623     \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
624     \label{img:choice}
625     \end{figure}
626
627     \begin{figure}
628     \centerline{\includegraphics{choice-case}}
629     \caption{Choice - \emph{case-statement / pattern matching}}
630     \label{img:choice}
631     \end{figure}
632
633   \subsection{Types}
634     Translation of two most basic functional concepts has been
635     discussed: function application and choice. Before looking further
636     into less obvious concepts like higher-order expressions and
637     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
638     descriptions will be discussed.
639
640     Some way is needed to translate every value used to its hardware
641     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
642     every \emph{type} used in a hardware description is needed.
643
644     The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
645     translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
646     define his own types, which will be translated into hardware types
647     using translation rules that are discussed later on.
648
649   \subsection{Built-in types}
650     \begin{xlist}
651       \item[\hs{Bit}]
652         This is the most basic type available. It can have two values:
653         \hs{Low} and \hs{High}. It is mapped directly onto the
654         \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
655       \item[\hs{Bool}]
656         This is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
657         and \hs{False}. It is translated to \texttt{std\_logic} exactly
658         like the \hs{Bit} type (where a value of \hs{True} corresponds
659         to a value of \hs{High}). Supporting the Bool type is
660         particularly useful to support \hs{if ... then ... else ...}
661         expressions, which always have a \hs{Bool} value for the
662         condition.
663       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
664         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
665         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
666         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
667         follows:
668
669         \begin{code}
670         type Word32 = SizedWord D32
671         \end{code}
672
673         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
674         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
675         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
676         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These types are 
677         translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and \texttt{signed} 
678         respectively.
679       \item[\hs{Vector}]
680         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
681         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
682         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
683         contained in it. The state type of an 8 element register bank would 
684         then for example be:
685
686         \begin{code}
687         type RegisterState = Vector D8 Word32
688         \end{code}
689
690         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
691         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
692         type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
693         (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
694         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
695         vector is translated to a \VHDL\ array type.
696       \item[\hs{RangedWord}]
697         This is another type to describe integers, but unlike the previous
698         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
699         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
700         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
701         implicitly zero. The main purpose of the \hs{RangedWord} type is to be 
702         used as an index to a \hs{Vector}.
703
704         \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
705         the 8 element vector above, we would do:
706
707         \begin{code}
708         type RegisterIndex = RangedWord D7
709         \end{code}
710
711         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
712         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
713         other words, this defines an unsigned word with values from
714         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
715         8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated to 
716         the \texttt{unsigned} \VHDL type.
717     \end{xlist}
718
719   \subsection{User-defined types}
720     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
721     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
722     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
723     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
724     existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard
725     Haskell. These are not currently supported.
726
727     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
728     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
729     below. Type synonyms and renamings only define new names for
730     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
731     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
732     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
733     just use the same representation as the original type. The
734     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
735     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
736
737     For algebraic types, we can make the following distinction: 
738
739     \begin{xlist}
740       \item[\bf{Single constructor}]
741         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
742         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
743         record-like structure. An example of such a type is the following pair 
744         of integers:
745
746 \begin{code}
747 data IntPair = IntPair Int Int
748 \end{code}
749
750         Haskell's builtin tuple types are also defined as single
751         constructor algebraic types and are translated according to this
752         rule by the \CLaSH\ compiler. These types are translated to \VHDL\ 
753         record types, with one field for every field in the constructor.
754       \item[\bf{No fields}]
755         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
756         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
757         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
758         defined as an enumeration type, but we have a fixed translation for 
759         that. These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
760         value for each constructor. This allows references to these 
761         constructors to be translated to the corresponding enumeration value.
762       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
763         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
764         one of these constructors has one or more fields are not
765         currently supported.
766     \end{xlist}
767
768   \subsection{State}
769     A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
770     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
771     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
772     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
773     combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
774
775     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
776     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
777     conditions:
778     \begin{inparaenum}
779       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
780       both cases, and
781       \item when the function is called, it should not have observable 
782       side-effects.
783     \end{inparaenum}
784     This purity property is important for functional languages, since it 
785     enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
786     correct for impure functions. Pure functions are as such a perfect match 
787     for a combinatorial circuit, where the output solely depends on the 
788     inputs. When a circuit has state however, it can no longer be simply
789     described by a pure function. Simply removing the purity property is not a 
790     valid option, as the language would then lose many of it mathematical 
791     properties. In an effort to include the concept of state in pure 
792     functions, the current value of the state is made an argument of the  
793     function; the updated state becomes part of the result.
794     
795     A simple example is the description of an accumulator circuit:
796     \begin{code}
797     acc :: Word -> State Word -> (State Word, Word)
798     acc inp (State s) = (State s', outp)
799       where
800         outp  = s + inp
801         s'    = outp
802     \end{code}
803     This approach makes the state of a function very explicit: which variables 
804     are part of the state is completely determined by the type signature. This 
805     approach to state is well suited to be used in combination with the 
806     existing code and language features, such as all the choice constructs, as 
807     state values are just normal values.
808 \section{\CLaSH\ prototype}
809
810 foo\par bar
811
812 \section{Related work}
813 Many functional hardware description languages have been developed over the 
814 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
815 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
816 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
817 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
818 circuits, and has a particular focus on layout. \acro{HML}~\cite{HML2} is a 
819 hardware modeling language based on the strict functional language 
820 \acro{ML}, and has support for polymorphic types and higher-order functions. 
821 Published work suggests that there is no direct simulation support for 
822 \acro{HML}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
823
824 Like this work, many functional hardware description languages have some sort 
825 of foundation in the functional programming language Haskell. 
826 Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
827 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
828 specifications can be simulated, but there seems to be no support for 
829 automated circuit synthesis. The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell 
830 to specify abstract system models, which can (manually) be transformed into an 
831 implementation model using semantic preserving transformations. ForSyDe has 
832 several simulation and synthesis backends, though synthesis is restricted to 
833 the synchronous subset of the ForSyDe language.
834
835 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
836 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
837 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
838 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
839 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
840 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
841 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
842 circuit he will have to specify this explicitly as a component. In this 
843 respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, such as 
844 case-statements and pattern matching, are synthesized to choice elements in the 
845 eventual circuit. As such, richer control structures can both be specified and 
846 synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages mentioned in this 
847 section.
848
849 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
850 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
851 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 has 
852 support to specify types as generics, thus allowing a developer to describe 
853 polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
854 generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in 
855 \CLaSH.
856
857 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
858
859 % A functional language designed specifically for hardware design is 
860 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
861 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
862
863 % An example of a floating figure using the graphicx package.
864 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
865 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
866 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
867 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
868 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
869 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
870 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
871 %
872 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
873 % option should be used if it is desired that the figures are to be
874 % displayed while in draft mode.
875 %
876 %\begin{figure}[!t]
877 %\centering
878 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
879 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
880 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
881 % via \DeclareGraphicsExtensions.
882 %\caption{Simulation Results}
883 %\label{fig_sim}
884 %\end{figure}
885
886 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
887 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
888
889
890 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
891 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
892 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
893 % \label for the overall figure must come after \caption.
894 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
895 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
896 % used instead of \subfloat.
897 %
898 %\begin{figure*}[!t]
899 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
900 %\label{fig_first_case}}
901 %\hfil
902 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
903 %\label{fig_second_case}}}
904 %\caption{Simulation results}
905 %\label{fig_sim}
906 %\end{figure*}
907 %
908 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
909 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
910 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
911
912
913 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
914 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
915 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
916 % The \label must come after \caption as always.
917 %
918 %\begin{table}[!t]
919 %% increase table row spacing, adjust to taste
920 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
921 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
922 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
923 %\caption{An Example of a Table}
924 %\label{table_example}
925 %\centering
926 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
927 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
928 %\begin{tabular}{|c||c|}
929 %\hline
930 %One & Two\\
931 %\hline
932 %Three & Four\\
933 %\hline
934 %\end{tabular}
935 %\end{table}
936
937
938 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
939 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
940 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
941 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
942 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
943 % command of the stfloats package.
944
945
946
947 \section{Conclusion}
948 The conclusion goes here.
949
950
951
952
953 % conference papers do not normally have an appendix
954
955
956 % use section* for acknowledgement
957 \section*{Acknowledgment}
958
959
960 The authors would like to thank...
961
962
963
964
965
966 % trigger a \newpage just before the given reference
967 % number - used to balance the columns on the last page
968 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
969 % the document is modified later
970 %\IEEEtriggeratref{8}
971 % The "triggered" command can be changed if desired:
972 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
973
974 % references section
975
976 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
977 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
978 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
979 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
980 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
981 \bibliographystyle{IEEEtran}
982 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
983 \bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
984 %
985 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
986 % set second argument of \begin to the number of references
987 % (used to reserve space for the reference number labels box)
988 % \begin{thebibliography}{1}
989
990 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
991 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
992 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
993
994 % \end{thebibliography}
995
996
997
998
999 % that's all folks
1000 \end{document}
1001
1002 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: