include many comments from jan
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66
67 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
68 \IEEEoverridecommandlockouts
69 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75 % Some very useful LaTeX packages include:
76 % (uncomment the ones you want to load)
77
78 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
79 %
80 %\usepackage{ifpdf}
81 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
82 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
83 % usage:
84 % \ifpdf
85 %   % pdf code
86 % \else
87 %   % dvi code
88 % \fi
89 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
90 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
91 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
92 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
93 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
94 % have to be run twice to clear warning/error messages.
95
96
97
98 % *** CITATION PACKAGES ***
99 %
100 \usepackage{cite}
101 % cite.sty was written by Donald Arseneau
102 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
103 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
104 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
105 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
106 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
107 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
108 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
109 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
110 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
111 % not currently provide for hyperlinked citations.
112 % The latest version can be obtained at:
113 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
114 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
115
116
117
118
119
120
121 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
122 %
123 \ifCLASSINFOpdf
124   \usepackage[pdftex]{graphicx}
125   % declare the path(s) where your graphic files are
126   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
127   % and their extensions so you won't have to specify these with
128   % every instance of \includegraphics
129   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
130 \else
131   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
132   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
133   % driver is specified.
134   % \usepackage[dvips]{graphicx}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   % \graphicspath{{../eps/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
140 \fi
141 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
142 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
143 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
144 % be obtained at: 
145 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
146 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
147 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
148 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
149 %
150 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
151 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
152 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
153 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
154 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
155 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
156 % well as large increases in file sizes.
157 %
158 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
159 % http://www.tug.org/applications/pdftex
160
161
162
163
164
165 % *** MATH PACKAGES ***
166 %
167 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
168 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
169 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
170 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
171 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
172 % it is possible that some math symbols, particularly those within
173 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
174 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
175 %
176 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
177 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
178 %\interdisplaylinepenalty=2500
179 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
180 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
181 % version and documentation can be obtained at:
182 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
183
184
185
186
187
188 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
189 %
190 %\usepackage{algorithmic}
191 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
192 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
193 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
194 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
195 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
196 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
197 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
198 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
199 % algorithmic.sty can be obtained at:
200 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
201 % There is also a support site at:
202 % http://algorithms.berlios.de/index.html
203 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
204 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
205 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
206
207
208
209
210 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
211 %
212 %\usepackage{array}
213 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
214 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
215 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
216 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
217 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
218 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
219 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
220 % latest version and documentation can be obtained at:
221 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
222
223
224 %\usepackage{mdwmath}
225 %\usepackage{mdwtab}
226 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
227 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
228 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
229 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
231
232
233 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
234 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
235 % quality.
236
237
238 %\usepackage{eqparbox}
239 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
240 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
241 % Available at:
242 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
243
244
245
246
247
248 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
249 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
250 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
251 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
252 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
253 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
254 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
255 % be obtained at:
256 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
257 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
258
259
260
261 %\usepackage[caption=false]{caption}
262 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
263 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
264 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
265 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
266 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
267 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
268 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
269 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
270 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
271 % the caption=false option directly:
272 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
273 %
274 % The latest version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
276 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
277 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
278
279
280
281
282 % *** FLOAT PACKAGES ***
283 %
284 %\usepackage{fixltx2e}
285 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
286 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
287 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
288 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
289 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
290 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
291 % figure. The latest version and documentation can be found at:
292 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
293
294
295
296 %\usepackage{stfloats}
297 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
298 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
299 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
300 % LaTeX2e). It also provides a command:
301 %\fnbelowfloat
302 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
303 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
304 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
305 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
306 % version and documentation can be obtained at:
307 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
308 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
309 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
310 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
311 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
312 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
313 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
314 % not format its papers in such ways.
315
316
317
318
319
320 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
321 %
322 \usepackage{url}
323 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
324 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
325 % systems. The latest version can be obtained at:
326 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
327 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
328 % \url{my_url_here}.
329
330
331
332
333
334 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
335 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
336 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
337 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
338 % to submit to, of course. )
339
340 % correct bad hyphenation here
341 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
342
343 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
344 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
345 \def\acro#1{{\small{#1}}}
346 \def\acrop#1{\acro{#1}s}
347 \def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
348 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
349 \def\GHC{\acro{GHC}}
350 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
351 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
352
353 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
354 % we'll get something more complex later on.
355 \def\hs#1{\texttt{#1}}
356 \def\quote#1{``{#1}"}
357
358 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
359   \begin{list}{}{%
360     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
361     \setlength{\labelsep}{0.5em}
362     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
363     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
364     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
365     \setlength{\rightmargin}{0pt}
366     \setlength{\listparindent}{\parindent}
367     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
368     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
369     }
370   }
371 {\end{list}}
372
373 \usepackage{paralist}
374 \usepackage{xcolor}
375 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
376
377 \usepackage{cleveref}
378 \crefname{figure}{figure}{figures}
379 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
380 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
381
382 \usepackage{epstopdf}
383
384 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
385
386 %include polycode.fmt
387 %include clash.fmt
388
389 \newcounter{Codecount}
390 \setcounter{Codecount}{0}
391
392 \newenvironment{example}
393   {
394     \refstepcounter{equation}
395   }
396   {
397       \begin{flushright}
398       (\arabic{equation})
399       \end{flushright}
400   }
401
402 \begin{document}
403 %
404 % paper title
405 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
406 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
407
408
409 % author names and affiliations
410 % use a multiple column layout for up to three different
411 % affiliations
412 % \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Arjan Boeijink, Marco Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
413 % \IEEEauthorblockA{Computer Architecture for Embedded Systems (CAES) \\
414 % Department of EEMCS, University of Twente\\
415 % P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
416 % c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 % \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 % }
419
420 \author{\IEEEauthorblockN{Blind Review}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
421 \IEEEauthorblockA{
422 \\
423 \\
424 \\
425 \\
426 }
427 \thanks{Supported through: ``Hidden for blind review''}
428 }
429
430 % \and
431 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
432 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
433 % Springfield, USA\\
434 % Email: homer@thesimpsons.com}
435 % \and
436 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
437 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
438 % San Francisco, California 96678-2391\\
439 % Telephone: (800) 555--1212\\
440 % Fax: (888) 555--1212}}
441
442 % conference papers do not typically use \thanks and this command
443 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
444 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
445 % after \documentclass
446
447 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
448 % of the page, use this alternative format:
449
450 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
451 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
452 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
453 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
454 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
455 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
456 %Georgia Institute of Technology,
457 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
458 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
459 %Email: homer@thesimpsons.com}
460 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
461 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
462 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
463
464
465
466
467 % use for special paper notices
468 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
469
470
471
472
473 % make the title area
474 \maketitle
475
476 \begin{abstract}
477 %\boldmath
478 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its syntax and semantics from the functional programming language Haskell. Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more natural way than possible with the language elements found in the traditional hardware description languages.
479
480 Circuit descriptions can be translated to synthesizable \VHDL\ using the prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and test input are also valid Haskell, complete simulations can be done by a Haskell compiler or interpreter, allowing high-speed simulation and analysis.
481
482 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
483 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
484 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
485 % mealy machine.
486 \end{abstract}
487 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
488 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
489 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
490 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
491 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
492 % math in the abstract anyway.
493
494 % no keywords
495
496
497
498
499 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
500 % page as needed:
501 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
502 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
503 % \fi
504 %
505 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
506 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
507 \IEEEpeerreviewmaketitle
508
509 \section{Introduction}
510 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have not allowed the productivity 
511 of hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
512 While traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
513 Verilog~\cite{Verilog}, are very good at describing detailed hardware 
514 properties such as timing behavior, they are generally cumbersome in 
515 expressing the higher-level abstractions needed for today's large and complex 
516 circuit designs. In an attempt to raise the abstraction level of the 
517 descriptions, a great number of approaches based on functional languages have 
518 been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
519 Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
520 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL}, a 
521 time which also saw the birth of the currently popular \acrop{HDL}, such as 
522 \VHDL. Functional languages are especially well suited to describe hardware 
523 because combinational circuits can be directly modeled as mathematical 
524 functions and functional languages are very good at describing and composing 
525 these functions.
526
527 In an attempt to reduce the effort involved with prototyping a new 
528 language, such as creating all the required tooling like parsers and 
529 type-checkers, many functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are 
530 embedded as a domain specific language (\acro{DSL}) within the functional 
531 language Haskell \cite{Haskell}. This means that a developer is given a 
532 library of Haskell functions and types that together form the language 
533 primitives of the \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a 
534 circuit do not actually process any signals, they instead compose a large 
535 graph (which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
536 processed by an embedded circuit compiler which can perform e.g. simulation or 
537 synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, 
538 pattern-matching, etc.) are evaluated at the time the graph is being build, 
539 they are no longer visible to the embedded compiler that processes the graph. 
540 Consequently, it is impossible to capture Haskell's choice elements within a 
541 circuit description when taking the embedded language approach. This does not 
542 mean that circuits specified in an embedded language can not contain choice, 
543 just that choice elements only exist as functions, e.g. a multiplexer 
544 function, and not as syntactic elements of the language itself.
545
546 This research uses (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for the 
547 purpose of describing hardware. As a result, certain language constructs, like 
548 all of Haskell's choice elements, \emph{can} now be captured within circuit 
549 descriptions. Advanced features of Haskell, such as polymorphic typing and 
550 higher-order functions, are also supported.
551
552 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
553 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
554 % is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
555 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
556 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
557 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
558 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
559
560 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
561 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions 
562 and research presented in this paper. A circuit designer describes the 
563 behavior of the hardware between clock cycles, as a transition from the 
564 current state to the next. Many functional \acrop{HDL} model signals as a 
565 stream of values over time; state is then modeled as a delay on this stream of 
566 values. Descriptions presented in this research make the current state an 
567 additional input and the updated state a part of their output. This 
568 abstraction of state and time limits the descriptions to synchronous hardware. 
569 However, work is in progress to add an abstraction mechanism that allows the 
570 modeling of asynchronous and multi-clock systems.
571
572 Likewise as with the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a 
573 functional \acro{HDL} must eventually be converted into a netlist. This 
574 research also features a prototype compiler, which has the same name as the 
575 language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: 
576 % \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware.
577 ``Hidden for blind review'' Language for Synchronous Hardware
578
579 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
580 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
581 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
582
583 To the best knowledge of the authors, \CLaSH\ is the only (functional) 
584 \acro{HDL} that allows circuit specification to be written in a very concise 
585 way and at the same time support such advanced features as polymorphic typing, 
586 user-defined higher-order functions and pattern matching.
587
588 \newpage
589 \noindent The next section will describe the language elements of \CLaSH, and 
590 \Cref{sec:compiler} gives a high-level overview of the \CLaSH\ compiler. 
591 \Cref{sec:usecases} discusses two use-cases, a \acro{FIR} filter, and a 
592 higher-order \acro{CPU} design. The related work section 
593 (\Cref{sec:relatedwork}) is placed towards the end, as the features of \CLaSH\ 
594 should be presented before comparing \CLaSH\ to existing (functional) 
595 \acrop{HDL}. Conclusions are presented in \Cref{sec:conclusion}, and future 
596 work is discussed in \Cref{sec:futurework}.
597  
598 \section{Hardware description in Haskell}
599 This section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the support 
600 of these elements within the \CLaSH\ compiler. In various subsections, the 
601 relation between the language elements and their eventual netlist 
602 representation is also highlighted. 
603
604   \subsection{Function application}
605     Two basic elements of a functional program are functions and function 
606     application. These have a single obvious translation to a netlist format: 
607     \begin{inparaenum}
608       \item every function is translated to a component, 
609       \item every function argument is translated to an input port,
610       \item the result value of a function is translated to an output port, 
611             and
612       \item function applications are translated to component instantiations.
613     \end{inparaenum} 
614     The result value can have a composite type (such as a tuple), so the fact 
615     that a function has just a single result value does not pose any 
616     limitation. The actual arguments of a function application are assigned to 
617     signals, which are then mapped to the corresponding input ports of the 
618     component. The output port of the function is also mapped to a signal, 
619     which is used as the result of the application itself. Since every 
620     function generates its own component, the hierarchy of function calls is 
621     reflected in the final netlist. 
622     %, creating a hierarchical description of the hardware. 
623     % The separation in different components makes it easier for a developer 
624     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
625     % the \CLaSH\ compiler.
626
627     The short example below (\ref{code:mac}) gives a demonstration of 
628     the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared to 
629     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
630     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
631     type of polymorphism will be further elaborated in 
632     \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist is depicted in 
633     \Cref{img:mac-comb}.
634     
635     \hspace{-1.7em}
636     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
637     \begin{code}
638     mac a b c = add (mul a b) c
639     \end{code}
640     \end{minipage}
641     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
642       \begin{example}
643       \label{code:mac}
644       \end{example}
645     \end{minipage}
646     
647     \begin{figure}
648     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
649     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
650     \label{img:mac-comb}
651     \vspace{-1.5em}
652     \end{figure}
653     
654     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
655     (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit returns 
656     not only the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
657     result (see \Cref{img:mac-comb-composite}, where the double arrow suggests 
658     the composite output).
659     
660     \hspace{-1.7em}
661     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
662     \begin{code}
663     mac a b c = (z, add z c)
664       where
665         z = mul a b
666     \end{code}
667     \end{minipage}
668     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
669       \begin{example}
670       \label{code:mac-composite}
671       \end{example}
672     \end{minipage}
673     \vspace{-1.5em}
674     
675     \begin{figure}
676     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
677     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
678     \label{img:mac-comb-composite}
679     \vspace{-1.5em}
680     \end{figure}
681
682   \subsection{Choice}
683     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
684     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
685     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
686     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
687     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
688     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
689     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
690     comparators, and their combined output forms the selection port of the 
691     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
692     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
693     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
694     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
695     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
696     
697     % Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
698     % (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
699     % (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
700     % sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
701     % predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. 
702     
703     A code example (\ref{code:counter1}) that uses a \hs{case} expression and 
704     \hs{if-then-else} expressions is shown below. The function counts up or 
705     down depending on the \hs{direction} variable, and has a \hs{bound} 
706     variable that determines both the upper bound and wrap-around point of the 
707     counter. The \hs{direction} variable is of the following, user-defined, 
708     enumeration datatype:
709     
710     \begin{code}
711     data Direction = Up | Down
712     \end{code}
713
714     The naive netlist corresponding to this example is depicted in 
715     \Cref{img:counter}. Note that the \hs{direction} variable is only
716     compared to \hs{Up}, as an inequality immediately implies that 
717     \hs{direction} is \hs{Down} (as derived by the compiler).
718
719     \hspace{-1.7em}
720     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
721     \begin{code}    
722     counter bound direction x = case direction of
723         Up    -> if   x < bound   then 
724                       x + 1       else 
725                       0
726         Down  -> if   x > 0       then 
727                       x - 1       else 
728                       bound
729     \end{code}
730     \end{minipage}
731     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
732       \begin{example}
733       \label{code:counter1}
734       \end{example}
735     \end{minipage}
736     
737     % \hspace{-1.7em}
738     % \begin{minipage}{0.93\linewidth}
739     % \begin{code}
740     % sumif pred a b = 
741     %   if pred == Equal then 
742     %     if a == b then a + b else 0
743     %   else 
744     %     if a != b then a + b else 0
745     % \end{code}
746     % \end{minipage}
747     % \begin{minipage}{0.07\linewidth}
748     %   \begin{example}
749     %   \label{lst:code4}
750     %   \end{example}
751     % \end{minipage}
752
753     % \begin{figure}
754     % \vspace{1em}
755     % \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
756     % \caption{Choice - sumif}
757     % \label{img:choice}
758     % \vspace{-1.5em}
759     % \end{figure}
760
761     \begin{figure}
762     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
763     \caption{Counter netlist}
764     \label{img:counter}
765     \vspace{-1.5em}
766     \end{figure}
767
768     A \emph{user-friendly} and also powerful form of choice that is not found 
769     in the traditional \acrop{HDL} is pattern matching. A function can be 
770     defined in multiple clauses, where each clause corresponds to a pattern. 
771     When an argument matches a pattern, the corresponding clause will be used. 
772     Expressions can also contain guards, where the expression is only executed 
773     if the guard evaluates to true, and continues with the next clause if the 
774     guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} expressions, pattern 
775     matching and guards have a (straightforward) translation to \hs{case} 
776     expressions and can as such be mapped to multiplexers. A second version 
777     (\ref{code:counter2}) of the earlier example, now using both pattern 
778     matching and guards, can be seen below. The guard is the expression that 
779     follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the assignment operator 
780     (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to \hs{true}.
781     
782     The second version corresponds to the same naive netlist representation 
783     (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
784     
785     \hspace{-1.7em}
786     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
787     \begin{code}
788     counter bound Up    x  | x < bound  = x + 1
789                            | otherwise  = 0
790                            
791     counter bound Down  x  | x > 0      = x - 1
792                            | otherwise  = bound
793     \end{code}
794     \end{minipage}
795     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
796       \begin{example}
797       \label{code:counter2}
798       \end{example}
799     \end{minipage}
800
801     % \begin{figure}
802     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
803     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
804     % \label{img:choice}
805     % \end{figure}
806
807   \subsection{Types}
808     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
809     variable or function is determined at compile-time. Not all of 
810     Haskell's typing constructs have a clear translation to hardware, 
811     therefore this section only deals with the types that do have a clear 
812     correspondence to hardware. The translatable types are divided into two 
813     categories: \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in 
814     types are those types for which a fixed translation is defined within the 
815     \CLaSH\ compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
816     translate the user-defined types, which are described later on.
817
818     Type annotations (entities in \VHDL) are optional, since the \CLaSH\ 
819     compiler can derive them when the top-level function \emph{is} annotated
820     with its type.    
821   
822     % Translation of two most basic functional concepts has been
823     % discussed: function application and choice. Before looking further
824     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
825     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
826     % descriptions will be discussed.
827     % 
828     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
829     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
830     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
831     % 
832     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
833     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
834     % define his own types, which will be translated into hardware types
835     % using translation rules that are discussed later on.
836
837   \subsubsection{Built-in types}
838     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
839     compiler:
840     \begin{xlist}
841       \item[\bf{Bit}]
842         the most basic type available. It can have two values:
843         \hs{Low} or \hs{High}. 
844         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
845       \item[\bf{Bool}]
846         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
847         or \hs{False}. 
848         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
849         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
850         % \hs{High}). 
851         Supporting the Bool type is required in order to support the
852         \hs{if-then-else} expression.
853       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
854         these are types to represent integers, and both are parametrizable in 
855         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
856         these types is \emph{wrap-around}.
857         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
858
859         % \begin{code}
860         % type Word32 = SizedWord D32
861         % \end{code}
862
863         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
864         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
865         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
866         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
867         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
868         % \texttt{signed} respectively.
869       \item[\bf{Vector}]
870         this type can contain elements of any type and has a static length. 
871         The \hs{Vector} type constructor takes two arguments: the length of 
872         the vector and the type of the elements contained in it. The 
873         short-hand notation used for the vector type in the rest of paper is: 
874         \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element type, and \hs{n} is the length 
875         of the vector. 
876         % Note that this is a notation used in this paper only, vectors are 
877         % slightly more verbose in real \CLaSH\ descriptions.
878         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
879         % be:
880
881         % \begin{code}
882         % type RegisterState = Vector D8 Word32
883         % \end{code}
884
885         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
886         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
887         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
888         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
889         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
890         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
891       \item[\bf{Index}]
892         the main purpose of the \hs{Index} type is to be used as an index into 
893         a \hs{Vector}, and has an integer range from zero to a specified upper 
894         bound.
895         % This means that its range is not limited to powers of two, but 
896         % can be any number.  
897         If a value of this type exceeds either bounds, an error will be thrown 
898         during simulation. 
899
900         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
901         % the 8 element vector above, we would do:
902
903         % \begin{code}
904         % type RegisterIndex = RangedWord D7
905         % \end{code}
906
907         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
908         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
909         % other words, this defines an unsigned word with values from
910         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
911         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
912         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
913     \end{xlist}
914
915   \subsubsection{User-defined types}
916     % There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
917     % data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
918     % keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
919     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
920     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
921     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
922     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
923     % compiler.
924     A designer may define a completely new type by an algebraic datatype 
925     declaration using the \hs{data} keyword. Type synonyms can be introduced 
926     using the \hs{type} keyword.
927     % Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
928     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
929     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
930     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
931     Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym will 
932     use the same representation as the original type. 
933     
934     Algebraic datatypes can be categorized as follows:
935     \begin{xlist}
936       \item[\bf{Single constructor}]
937         datatypes with a single constructor with one or more fields allow 
938         values to be packed together in a record-like structure. Haskell's 
939         built-in tuple types are also defined as single constructor algebraic 
940         types (using some syntactic sugar). An example of a single constructor 
941         type with multiple fields is the following pair of integers:
942         \begin{code}
943         data IntPair = IntPair Int Int
944         \end{code}
945         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
946         % for every field in the constructor.
947       \item[\bf{Multiple constructors, No fields}]
948         datatypes with multiple constructors, but without any fields are 
949         enumeration types. 
950         % Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an enumeration 
951         % type, but that there is a fixed translation for that type within the 
952         % \CLaSH\ compiler. 
953         An example of an enumeration type definition is:
954         \begin{code}
955         data TrafficLight = Red | Orange | Green
956         \end{code}
957         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
958         % value for each constructor. This allows references to these 
959         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
960         % value.
961       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
962         datatypes with multiple constructors, where at least
963         one of these constructors has one or more fields are currently not 
964         supported. Additional research is required to optimize the overlap of
965         fields belonging to the different constructors.
966     \end{xlist}
967
968   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
969     A powerful feature of some programming languages is polymorphism, it 
970     allows a function to handle values of different data types in a uniform 
971     way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning that 
972     functions can be written without mentioning specific types, and that those
973     functions can be used for arbitrary types.
974
975     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
976     the \hs{first} function, which returns the first element of a 
977     tuple:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
978     with its type.}
979     
980     \begin{code}
981     first :: (a,b) -> a
982     \end{code}
983
984     This type is parameterized in \hs{a} and \hs{b}, which can both 
985     represent any type that is supported by the \CLaSH\ compiler. This means 
986     that \hs{first} works for any tuple, regardless of what elements it 
987     contains. This kind of polymorphism is extremely useful in hardware 
988     designs, for example when routing signals without knowing their exact 
989     type, or specifying vector operations that work on vectors of any length 
990     and element type. Polymorphism also plays an important role in most higher 
991     order functions, as will be shown in the next section.
992
993     % Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
994     % polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
995     % functions which can be applied to arguments of different types, but 
996     % which behave differently depending on the type of the argument to which 
997     % they are applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through 
998     % the use of \emph{type classes}, where a class definition provides the 
999     % general interface of a function, and class \emph{instances} define the 
1000     % functionality for the specific types. An example of such a type class is 
1001     % the \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical 
1002     % operations. A designer can make use of this ad-hoc polymorphism by 
1003     % adding a \emph{constraint} to a parametrically polymorphic type 
1004     % variable. Such a constraint indicates that the type variable can only be 
1005     % instantiated to a type whose members supports the overloaded functions 
1006     % associated with the type class. 
1007     
1008     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc polymorphism}, which refers
1009     to functions that can be applied to arguments of a limited set to types.
1010     Furthermore, how such functions work may depend on the type of their
1011     arguments. For instance, multiplication only works for numeric types, and 
1012     it works differently for e.g. integers and complex numbers.
1013     
1014     In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of \emph{type
1015     classes}, where a class definition provides the general interface of a 
1016     function, and class \emph{instances} define the functionality for the 
1017     specific types. For example, all numeric operators are gathered in the 
1018     \hs{Num} class, so every type that wants to use those operators must be
1019     made an instance of \hs{Num}.
1020     
1021     By prefixing a type signature with class constraints, the constrained type 
1022     parameters are forced to belong to that type class. For example, the 
1023     arguments of the \hs{add} function must belong to the \hs{Num} type class 
1024     because the \hs{add} function adds them with the (\hs{+}) operator:
1025     
1026     \hspace{-1.7em}
1027     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1028     \begin{code}
1029     add :: Num a => a -> a -> a
1030     add a b = a + b
1031     \end{code}
1032     \end{minipage}
1033     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1034       \begin{example}
1035       \label{code:add}
1036       \end{example}
1037     \end{minipage}
1038     
1039     % An example of a type signature that includes such a constraint if the 
1040     % signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
1041     % \begin{code}
1042     % sum :: Num a => [a|n] -> a
1043     % \end{code}
1044     % 
1045     % This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
1046     % types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so 
1047     % that the compiler knows that the addition (+) operator is defined for 
1048     % that type.
1049     
1050     % A place where class constraints also play a role is in the size and 
1051     % range parameters of the \hs{Vector} and numeric types. The reason being 
1052     % that these parameters have to be limited to types that can represent 
1053     % \emph{natural} numbers. The complete type of for example the \hs{Vector} 
1054     % type is:
1055     % \begin{code}
1056     % Natural n => Vector n a
1057     % \end{code}    
1058     
1059     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
1060     % class. 
1061     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
1062     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
1063
1064     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. A
1065     circuit designer can specify his own type classes and corresponding 
1066     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1067     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1068     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1069     polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1070     polymorphic as there is no way to infer the \emph{specific} types of the 
1071     arguments. 
1072     
1073     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1074     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1075     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1076     operators of \hs{Eq}, and the comparison (order) operators of \hs{Ord}.
1077
1078   \subsection{Higher-order functions \& values}
1079     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1080     the concept of \emph{functions as a first class value} and
1081     \emph{higher-order functions}. These concepts allows a function to be 
1082     treated as a value and be passed around, even as the argument of another
1083     function. The following example clarifies this concept:
1084     
1085     \hspace{-1.7em}
1086     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1087     %format not = "\mathit{not}"
1088     \begin{code}
1089     negate{-"\!\!\!"-}Vector xs = map not xs
1090     \end{code}
1091     \end{minipage}
1092     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1093       \begin{example}
1094       \label{code:negatevector}
1095       \end{example}
1096     \end{minipage}
1097
1098     The code above defines the \hs{negate{-"\!\!\!"-}Vector} function, which 
1099     takes a vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the 
1100     values are negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and 
1101     passing it another \emph{function}, boolean negation, and the vector of 
1102     booleans, \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to 
1103     all the elements in the vector.
1104
1105     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1106     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1107     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1108     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1109     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1110     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1111     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1112     input vector. All of these characteristics can be inferred from the type 
1113     signature of \hs{map}:
1114
1115     \begin{code}
1116     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1117     \end{code}
1118
1119     In Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1120     partial application and lambda abstraction. Partial application means that 
1121     a function that takes multiple arguments can be applied to a single 
1122     argument, and the result will again be a function, but takes one argument 
1123     less. As an example, consider the following expression, that adds one to 
1124     every element of a vector:
1125
1126     \hspace{-1.7em}
1127     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1128     \begin{code}
1129     map (add 1) xs
1130     \end{code}
1131     \end{minipage}
1132     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1133       \begin{example}
1134       \label{code:partialapplication}
1135       \end{example}
1136     \end{minipage}
1137
1138     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1139     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1140     adds 1 to its (next) argument. 
1141     
1142     A lambda expression allows a designer to introduce an anonymous function 
1143     in any expression. Consider the following expression, which again adds 1 
1144     to every element of a vector:
1145
1146     \hspace{-1.7em}
1147     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1148     \begin{code}
1149     map (\x -> x + 1) xs
1150     \end{code}
1151     \end{minipage}
1152     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1153       \begin{example}
1154       \label{code:lambdaexpression}
1155       \end{example}
1156     \end{minipage}
1157
1158     Finally, not only built-in functions can have higher-order arguments (such 
1159     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1160     functions as arguments. This allows the circuit designer to apply a 
1161     large amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1162     function: if a function-typed argument is not instantiated with an actual 
1163     function, no hardware can be generated.    
1164
1165     An example of a common circuit where higher-order functions and partial 
1166     application lead to a very concise and natural description is a crossbar.
1167     The code (\ref{code:crossbar}) for this example can be seen below:
1168     
1169     \hspace{-1.7em}
1170     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1171     \begin{code}
1172     crossbar inputs selects = map (mux inputs) selects
1173       where
1174         mux inp x = (inp ! x)
1175     \end{code}
1176     \end{minipage}
1177     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1178       \begin{example}
1179       \label{code:crossbar}
1180       \end{example}
1181     \end{minipage}
1182     
1183     The \hs{crossbar} function selects those values from \hs{inputs} that
1184     are indicated by the indexes in the vector \hs{selects}. The crossbar is 
1185     polymorphic in the width of the input (defined by the length of 
1186     \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of 
1187     \hs{selects}), and the signal type (defined by the element type of 
1188     \hs{inputs}). The type-checker can also automatically infer that 
1189     \hs{selects} is a vector of \hs{Index} values due to the use of the vector
1190     indexing operator (\hs{!}).
1191
1192   \subsection{State}
1193     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
1194     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1195     during a clock cycle. 
1196     % As \CLaSH\ has to be able to describe more than plain combinational 
1197     % designs, there is a need for an abstraction mechanism for state.
1198
1199     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
1200     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1201     conditions:
1202     \begin{inparaenum}
1203       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1204       both cases, and
1205       \item that the function has no observable side-effects.
1206     \end{inparaenum}
1207     % This purity property is important for functional languages, since it 
1208     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1209     % correct for impure functions. 
1210     Pure functions are a perfect match for combinational circuits, where the 
1211     output solely depends on the inputs. When a circuit has state however, it 
1212     can no longer be described by a pure function. 
1213     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1214     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1215     \CLaSH\ deals with the concept of state by making the current state an 
1216     additional argument of the function, and the updated state part of the 
1217     result. In this sense the descriptions made in \CLaSH\ are the 
1218     combinational parts of a mealy machine.
1219     
1220     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1221     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1222     \Cref{img:mac-state}:
1223     
1224     \hspace{-1.7em}
1225     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1226     \begin{code}
1227     macS (State c) (a, b) = (State c', c')
1228       where
1229         c' = mac a b c
1230     \end{code}
1231     \end{minipage}
1232     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1233       \begin{example}
1234       \label{code:macstate}
1235       \end{example}
1236     \end{minipage}
1237     
1238     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1239     of the output port. The \hs{State} wrapper indicates which arguments are 
1240     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1241     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1242     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1243     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1244     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1245     combination with the existing code and language features, such as all the 
1246     choice elements, as state values are just normal values from Haskell's 
1247     point of view. Stateful descriptions are simulated using the recursive 
1248     \hs{run} function:
1249     
1250     \hspace{-1.7em}
1251     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1252     \begin{code}
1253     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1254       where
1255         (s', o) = f s i
1256     \end{code}
1257     \end{minipage}
1258     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1259       \begin{example}
1260       \label{code:run}
1261       \end{example}
1262     \end{minipage}
1263     
1264     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1265     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1266     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1267     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1268     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1269     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1270     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1271     inputs, \hs{inps}. In the context of this paper, it is assumed that there 
1272     is one input per clock cycle. Note that the order of \hs{s',o,s,i} in the 
1273     \hs{where} clause of the \hs{run} functions corresponds with the order of 
1274     the input, output and state of the \hs{macS} function
1275     (\ref{code:macstate}). Thus, the expression below (\ref{code:runmacs}) 
1276     simulates \hs{macS} on \hs{inputpairs} starting with the value \hs{0}: 
1277     
1278     \hspace{-1.7em}
1279     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1280     \begin{code}
1281     run macS 0 inputpairs 
1282     \end{code}
1283     \end{minipage}
1284     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1285       \begin{example}
1286       \label{code:runmacs}
1287       \end{example}
1288     \end{minipage}
1289     
1290     \begin{figure}
1291     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1292     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1293     \label{img:mac-state}
1294     \vspace{-1.5em}
1295     \end{figure}
1296     
1297     The complete simulation can be compiled to an executable binary by a 
1298     Haskell compiler, or executed in a Haskell interpreter. Both 
1299     simulation paths require less effort from a circuit designer than first 
1300     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1301     simulation; it is also very likely that both simulation paths are much 
1302     faster.
1303     
1304 \section{The \CLaSH\ compiler}
1305 \label{sec:compiler}
1306 The prototype \CLaSH\ compiler translates descriptions made in the \CLaSH\ 
1307 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1308 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1309
1310 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open source Haskell 
1311 compiler that also provides a high level \acro{API} to most of its internals. 
1312 Furthermore, it provides several parts of the prototype compiler for free, 
1313 such as the parser, the semantics checker, and the type checker. These parts 
1314 together form the front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1315 \Cref{img:compilerpipeline}.
1316
1317 \begin{figure}
1318 \vspace{1em}
1319 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1320 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1321 \label{img:compilerpipeline}
1322 \vspace{-1.5em}
1323 \end{figure}
1324
1325 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1326 Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a small 
1327 typed functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1328 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1329 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1330 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1331 to be transformed to a \emph{normal form}, which corresponds directly to 
1332 hardware. The second stage of the compiler, the \emph{normalization} phase, 
1333 exhaustively applies a set of \emph{meaning-preserving} transformations on the 
1334 \emph{Core} description until this description is in a \emph{normal form}. 
1335 This set of transformations includes transformations typically found in 
1336 reduction systems and lambda calculus~\cite{lambdacalculus}, such as 
1337 $\beta$-reduction and $\eta$-expansion. It also includes transformations that 
1338 are responsible for the specialization of higher-order functions to `regular' 
1339 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1340
1341 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1342 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to the resemblance of a 
1343 normalized description and a set of concurrent signal assignments. The 
1344 end-product of the \CLaSH\ compiler is called a \VHDL\ \emph{netlist} as the 
1345 result resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ 
1346 is only an implementation detail; e.g., the output could have been Verilog or 
1347 even \acro{EDIF}.
1348
1349 \section{Use cases}
1350 \label{sec:usecases}
1351 \subsection{FIR Filter}
1352 As an example of a common hardware design where the relation between 
1353 functional languages and mathematical functions, combined with the use of 
1354 higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} 
1355 filter:
1356
1357 \begin{equation}
1358 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1359 \end{equation}
1360
1361 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1362 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1363 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1364 filter is equivalent to the equation of the dot-product of two vectors, which 
1365 is shown below:
1366
1367 \begin{equation}
1368 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1369 \end{equation}
1370
1371 The equation for the dot-product is easily and directly implemented using 
1372 higher-order functions:
1373
1374 \hspace{-1.7em}
1375 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1376 \begin{code}
1377 as *+* bs = fold (+) (zip{-"\!\!\!"-}With (*) as bs)
1378 \end{code}
1379 \end{minipage}
1380 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1381   \begin{example}
1382   \label{code:dotproduct}
1383   \end{example}
1384 \end{minipage}
1385
1386 The \hs{zip{-"\!\!\!"-}With} function is very similar to the \hs{map} function 
1387 seen earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function 
1388 to each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, 
1389 \hs{zip{-"\!\!\!"-}With (*) [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1390
1391 The \hs{fold} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1392 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1393 function to the result of the first application and the next element in the 
1394 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1395 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
1396 that the \hs{zip{-"\!\!\!\!"-}With (*)} function is pairwise multiplication 
1397 and that the \hs{fold (+)} function is summation.
1398 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1399 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1400 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1401 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1402 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1403 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1404 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1405 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1406 % transformation to code):
1407
1408 % \begin{equation}
1409 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1410 % \end{equation}
1411 The complete definition of the \acro{FIR} filter in \CLaSH\ is:
1412
1413 \hspace{-1.7em}
1414 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1415 \begin{code}
1416 fir (State (xs,hs)) x = 
1417   (State (shiftInto x xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1418 \end{code}
1419 \end{minipage}
1420 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1421   \begin{example}
1422   \label{code:fir}
1423   \end{example}
1424 \end{minipage}
1425
1426 where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1427 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1428 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1429 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1430 code for the \hs{shiftInto} function, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1431 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1432 is shown below:
1433
1434 \hspace{-1.7em}
1435 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1436 \begin{code}
1437 shiftInto x xs = x +> init xs  
1438 \end{code}
1439 \end{minipage}
1440 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1441   \begin{example}
1442   \label{code:shiftinto}
1443   \end{example}
1444 \end{minipage}
1445
1446 where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1447 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1448 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1449 \Cref{img:4tapfir}.
1450
1451 \begin{figure}
1452 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1453 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1454 \label{img:4tapfir}
1455 \vspace{-1.5em}
1456 \end{figure}
1457
1458 \subsection{Higher-order CPU}
1459 %format fun x = "\textit{fu}_" x
1460 This section discusses a somewhat more elaborate example in which user-defined 
1461 higher-order function, partial application, lambda expressions, and pattern 
1462 matching are exploited. The example concerns a \acro{CPU} which consists of 
1463 four function units, \hs{fun 0,{-"\ldots"-},fun 3}, (see 
1464 \Cref{img:highordcpu}) that each perform some binary operation.
1465
1466 \begin{figure}
1467 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1468 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1469 \label{img:highordcpu}
1470 \vspace{-1.5em}
1471 \end{figure}
1472
1473 Every function unit has seven data inputs (of type \hs{Signed 16}), and two 
1474 address inputs (of type \hs{Index 6}) that indicate which data inputs have to 
1475 be chosen as arguments for the binary operation that the unit performs. 
1476 These data inputs consist of one external input \hs{x}, two fixed 
1477 initialization values (0 and 1), and the previous outputs of the four function 
1478 units. The output of the \acro{CPU} as a whole is the previous output of 
1479 \hs{fun 3}.
1480
1481 The function units \hs{fun 1}, \hs{fun 2}, and \hs{fun 3} can perform a fixed 
1482 binary operation, whereas \hs{fun 0} has an additional input for an opcode to 
1483 choose a binary operation out of a few possibilities. Each function unit 
1484 outputs its result into a register, i.e., the state of the \acro{CPU}. This 
1485 state can e.g. be defined as follows:
1486
1487 \begin{code}
1488 type CpuState = State [Signed 16 | 4]
1489 \end{code}
1490
1491 Every function unit can now be defined by the following higher-order function, 
1492 \hs{fu}, which takes three arguments: the operation \hs{op} that the function 
1493 unit performs, the seven \hs{inputs}, and the address pair 
1494 \hs{({-"a_0"-},{-"a_1"-})}:
1495
1496 \hspace{-1.7em}
1497 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1498 \begin{code}
1499 fu op inputs ({-"a_0"-}, {-"a_1"-}) = 
1500   op (inputs!{-"a_0"-}) (inputs!{-"a_1"-})
1501 \end{code}
1502 \end{minipage}
1503 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1504   \begin{example}
1505   \label{code:functionunit}
1506   \end{example}
1507 \end{minipage}
1508
1509 \noindent Using partial application we now define:
1510
1511 \hspace{-1.7em}
1512 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1513 \begin{code}
1514 fun 1 = fu add
1515 fun 2 = fu sub
1516 fun 3 = fu mul
1517 \end{code}
1518 \end{minipage}
1519 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1520   \begin{example}
1521   \label{code:functionunits1to3}
1522   \end{example}
1523 \end{minipage}
1524
1525 In order to define \hs{fun 0}, the \hs{Opcode} type and the \hs{multiop} 
1526 function that chooses a specific operation given the opcode, are defined 
1527 first. It is assumed that the binary functions \hs{shift} (where \hs{shift a 
1528 b} shifts \hs{a} by the number of bits indicated by \hs{b}) and \hs{xor} (for 
1529 the bitwise \hs{xor}) exist.
1530
1531 \hspace{-1.7em}
1532 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1533 \begin{code}
1534 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1535
1536 multiop Shift   = shift
1537 multiop Xor     = xor
1538 multiop Equal   = \a b -> if a == b then 1 else 0
1539 \end{code}
1540 \end{minipage}
1541 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1542   \begin{example}
1543   \label{code:multiop}
1544   \end{example}
1545 \end{minipage}
1546
1547 Note that the result of \hs{multiop} is a binary function; this is supported 
1548 by \CLaSH. The complete definition of \hs{fun 0}, which takes an opcode as 
1549 additional argument, is:
1550
1551 \hspace{-1.7em}
1552 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1553 \begin{code}
1554 fun 0 c = fu (multiop c)
1555 \end{code}
1556 \end{minipage}
1557 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1558   \begin{example}
1559   \label{code:functionunit0}
1560   \end{example}
1561 \end{minipage}
1562
1563 \noindent Now comes the definition of the full \acro{CPU}. Its type is:
1564
1565 \begin{code}
1566 cpu :: CpuState 
1567   -> (Signed 16, Opcode, [(Index 6, Index 6) | 4])
1568   -> (CpuState, Signed 16)
1569 \end{code}
1570
1571 \noindent Note that this type fits the requirements of the \hs{run} function. 
1572 The actual definition of the \hs{cpu} function is:
1573
1574 \hspace{-1.7em}
1575 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1576 \begin{code}
1577 cpu (State s) (x,opc,addrs) = (State s', out)
1578   where
1579     inputs    =   x +> (0 +> (1 +> s))
1580     s'        =   [{-"\;"-}fun 0 opc   inputs (addrs!0)
1581                   ,{-"\;"-}fun 1       inputs (addrs!1)
1582                   ,{-"\;"-}fun 2       inputs (addrs!2)
1583                   ,{-"\;"-}fun 3       inputs (addrs!3)
1584                   ]
1585     out       =   last s
1586 \end{code}
1587 \end{minipage}
1588 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1589   \begin{example}
1590   \label{code:cpu}
1591   \end{example}
1592 \end{minipage}
1593
1594 Due to space restrictions, \Cref{img:highordcpu} does not depict the actual 
1595 functionality of the \hs{fu}-components, but note that e.g. \hs{multiop} is a 
1596 subcomponent of \hs{fun 0}.
1597
1598 While the \acro{CPU} has a simple (and maybe not very useful) design, it 
1599 illustrates some possibilities that \CLaSH\ offers and suggests how to write 
1600 actual designs.
1601
1602 % Each of the function units has both its operands connected to all data
1603 % sources, and can be programmed to select any data source for either
1604 % operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1605 % opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
1606 % rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
1607
1608 % The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the 
1609 % operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual 
1610 % operation that takes place inside the function unit is supplied as the 
1611 % (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
1612
1613
1614
1615 % The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1616 % the bitwise xor of its operands.
1617
1618
1619 % The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
1620 % the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
1621 % function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
1622 % just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
1623 % This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
1624 % compared to the others.
1625
1626 % The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1627 % each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1628 % a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1629 % their operand. 
1630 % The application of the function units to the \hs{inputs} and
1631 % \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1632 % a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1633 % However, the prototype compiler does not currently support working with 
1634 % lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1635
1636 % While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
1637 % design, in which the same techniques can be reused.
1638
1639 \section{Related work}
1640 \label{sec:relatedwork}
1641 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1642 description languages and highlights the advantages that \CLaSH\ has 
1643 over existing work.
1644
1645 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1646 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1647 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1648 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1649 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1650 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1651
1652 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1653 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1654 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
1655 so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and the 
1656 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
1657 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
1658 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
1659 correctly translate all of its language constructs.
1660
1661 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1662 description languages have a foundation in the functional programming language 
1663 Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling language embedded in Haskell 
1664 and has sequential environments that make it easier to specify stateful 
1665 computation (by using the \acro{ST} monad). Hawk specifications can be 
1666 simulated; to the best knowledge of the authors there is however no support 
1667 for automated circuit synthesis. 
1668
1669 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1670 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1671 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1672 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1673 electronic systems which have both analog and digital parts. ForSyDe has 
1674 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1675 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1676 Although ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1677 choice elements are limited to \hs{if-then-else} and \hs{case} expressions. 
1678 ForSyDe's explicit conversions, where functions have to be wrapped in 
1679 processes and processes have to be wrapped in systems, combined with the 
1680 explicit instantiations of components, also makes ForSyDe far more verbose 
1681 than \CLaSH.
1682
1683 Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a \acro{HDL} embedded in Haskell which focuses 
1684 on the structural representation of hardware. Like \CLaSH, Lava has support 
1685 for polymorphic types and higher-order functions. Besides support for 
1686 simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with 
1687 formal method tools for formal verification. As discussed in the introduction, 
1688 taking the embedded language approach does not allow for Haskell's choice 
1689 elements to be captured within the circuit descriptions. In this respect 
1690 \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice elements, such as 
1691 \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized to choice elements 
1692 in the eventual circuit. Consequently, descriptions containing rich control 
1693 structures can be specified in a more user-friendly way in \CLaSH\ than 
1694 possible within Lava, and hence are less error-prone.
1695
1696 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1697 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1698 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1699 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1700 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1701 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1702 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1703 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1704
1705 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1706 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1707 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1708 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1709 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1710 subprograms still require an explicit generic map, while the \CLaSH\ compiler 
1711 automatically infers types, and automatically propagates function-valued 
1712 arguments. There are also no (generally available) \VHDL\ synthesis tools that 
1713 currently support the \VHDL-2008 standard.
1714
1715 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1716
1717 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1718 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1719 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1720
1721 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1722 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1723 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1724 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1725 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1726 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1727 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1728 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1729 %
1730 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1731 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1732 % displayed while in draft mode.
1733 %
1734 %\begin{figure}[!t]
1735 %\centering
1736 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1737 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1738 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1739 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1740 %\caption{Simulation Results}
1741 %\label{fig_sim}
1742 %\end{figure}
1743
1744 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1745 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1746
1747
1748 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1749 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1750 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1751 % \label for the overall figure must come after \caption.
1752 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1753 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1754 % used instead of \subfloat.
1755 %
1756 %\begin{figure*}[!t]
1757 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1758 %\label{fig_first_case}}
1759 %\hfil
1760 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1761 %\label{fig_second_case}}}
1762 %\caption{Simulation results}
1763 %\label{fig_sim}
1764 %\end{figure*}
1765 %
1766 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1767 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1768 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1769
1770
1771 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1772 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1773 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1774 % The \label must come after \caption as always.
1775 %
1776 %\begin{table}[!t]
1777 %% increase table row spacing, adjust to taste
1778 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1779 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1780 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1781 %\caption{An Example of a Table}
1782 %\label{table_example}
1783 %\centering
1784 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1785 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1786 %\begin{tabular}{|c||c|}
1787 %\hline
1788 %One & Two\\
1789 %\hline
1790 %Three & Four\\
1791 %\hline
1792 %\end{tabular}
1793 %\end{table}
1794
1795
1796 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1797 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1798 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1799 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1800 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1801 % command of the stfloats package.
1802
1803
1804
1805 \section{Conclusion}
1806 \label{sec:conclusion}
1807 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1808 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1809 for component instantiation. While circuit descriptions made in \CLaSH\ are 
1810 very concise when compared to other (traditional) \acrop{HDL}, their intended 
1811 functionality remains clear. \CLaSH\ goes beyond the existing (functional) 
1812 \acrop{HDL} by including advanced choice elements, such as pattern matching 
1813 and guards, which are well suited to describe the conditional assignments in 
1814 control-oriented circuits. Besides being able to translate these basic 
1815 constructs to synthesizable \VHDL, the prototype compiler can also translate 
1816 descriptions that contain both polymorphic types and user-defined higher-order 
1817 functions.
1818
1819 % Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1820 % embed themselves in an existing functional language, this research features 
1821 % a `true' compiler. As a result there is a clear distinction between 
1822 % compile-time and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be 
1823 % part of the actual circuit description; a feature the embedded hardware 
1824 % description languages do not offer.
1825
1826 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
1827 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
1828 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
1829 streaming reduction circuit~\cite{blindreview} %~\cite{reductioncircuit}
1830 for floating point numbers.
1831
1832 \section{Future Work}
1833 \label{sec:futurework}
1834 The choice of describing state explicitly as an extra argument and result can 
1835 be seen as a mixed blessing. Even though descriptions that use state are 
1836 usually very clear, distributing and collecting substate can become tedious 
1837 and even error-prone. Automating the required distribution and collection, or 
1838 finding a more suitable abstraction mechanism for state would make \CLaSH\ 
1839 easier to use. Currently, one of the examined approaches to suppress state in 
1840 the specification is by using Haskell's arrow-abstraction.
1841
1842 The transformations in the normalization phase of the prototype compiler are 
1843 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1844 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1845 transformations will always lead to a normal form or whether the normalization 
1846 process always terminates. Although extensive use of the compiler suggests 
1847 that these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
1848 systematic approach to defining the set of transformations allows one to proof 
1849 that the earlier mentioned properties do indeed hold.
1850
1851 % conference papers do not normally have an appendix
1852
1853
1854 % use section* for acknowledgement
1855 % \section*{Acknowledgment}
1856
1857 % The authors would like to thank...
1858
1859 % trigger a \newpage just before the given reference
1860 % number - used to balance the columns on the last page
1861 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1862 % the document is modified later
1863 % \IEEEtriggeratref{14}
1864 % The "triggered" command can be changed if desired:
1865 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1866
1867 % references section
1868
1869 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1870 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1871 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1872 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1873 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1874 \bibliographystyle{IEEEtran}
1875 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1876 \bibliography{clash}
1877 %
1878 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1879 % set second argument of \begin to the number of references
1880 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1881 % \begin{thebibliography}{1}
1882
1883 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1884 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1885 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1886
1887 % \end{thebibliography}
1888
1889
1890
1891
1892 % that's all folks
1893 \end{document}
1894
1895 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: