Fix additional sentences
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66
67 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
68 \IEEEoverridecommandlockouts
69 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75 % Some very useful LaTeX packages include:
76 % (uncomment the ones you want to load)
77
78 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
79 %
80 %\usepackage{ifpdf}
81 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
82 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
83 % usage:
84 % \ifpdf
85 %   % pdf code
86 % \else
87 %   % dvi code
88 % \fi
89 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
90 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
91 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
92 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
93 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
94 % have to be run twice to clear warning/error messages.
95
96
97
98 % *** CITATION PACKAGES ***
99 %
100 \usepackage{cite}
101 % cite.sty was written by Donald Arseneau
102 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
103 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
104 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
105 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
106 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
107 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
108 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
109 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
110 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
111 % not currently provide for hyperlinked citations.
112 % The latest version can be obtained at:
113 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
114 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
115
116
117
118
119
120
121 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
122 %
123 \ifCLASSINFOpdf
124   \usepackage[pdftex]{graphicx}
125   % declare the path(s) where your graphic files are
126   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
127   % and their extensions so you won't have to specify these with
128   % every instance of \includegraphics
129   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
130 \else
131   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
132   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
133   % driver is specified.
134   % \usepackage[dvips]{graphicx}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   % \graphicspath{{../eps/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
140 \fi
141 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
142 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
143 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
144 % be obtained at: 
145 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
146 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
147 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
148 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
149 %
150 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
151 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
152 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
153 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
154 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
155 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
156 % well as large increases in file sizes.
157 %
158 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
159 % http://www.tug.org/applications/pdftex
160
161
162
163
164
165 % *** MATH PACKAGES ***
166 %
167 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
168 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
169 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
170 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
171 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
172 % it is possible that some math symbols, particularly those within
173 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
174 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
175 %
176 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
177 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
178 %\interdisplaylinepenalty=2500
179 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
180 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
181 % version and documentation can be obtained at:
182 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
183
184
185
186
187
188 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
189 %
190 %\usepackage{algorithmic}
191 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
192 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
193 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
194 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
195 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
196 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
197 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
198 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
199 % algorithmic.sty can be obtained at:
200 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
201 % There is also a support site at:
202 % http://algorithms.berlios.de/index.html
203 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
204 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
205 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
206
207
208
209
210 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
211 %
212 %\usepackage{array}
213 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
214 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
215 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
216 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
217 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
218 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
219 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
220 % latest version and documentation can be obtained at:
221 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
222
223
224 %\usepackage{mdwmath}
225 %\usepackage{mdwtab}
226 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
227 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
228 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
229 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
231
232
233 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
234 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
235 % quality.
236
237
238 %\usepackage{eqparbox}
239 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
240 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
241 % Available at:
242 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
243
244
245
246
247
248 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
249 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
250 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
251 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
252 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
253 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
254 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
255 % be obtained at:
256 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
257 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
258
259
260
261 %\usepackage[caption=false]{caption}
262 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
263 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
264 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
265 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
266 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
267 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
268 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
269 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
270 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
271 % the caption=false option directly:
272 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
273 %
274 % The latest version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
276 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
277 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
278
279
280
281
282 % *** FLOAT PACKAGES ***
283 %
284 %\usepackage{fixltx2e}
285 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
286 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
287 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
288 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
289 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
290 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
291 % figure. The latest version and documentation can be found at:
292 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
293
294
295
296 %\usepackage{stfloats}
297 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
298 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
299 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
300 % LaTeX2e). It also provides a command:
301 %\fnbelowfloat
302 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
303 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
304 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
305 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
306 % version and documentation can be obtained at:
307 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
308 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
309 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
310 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
311 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
312 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
313 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
314 % not format its papers in such ways.
315
316
317
318
319
320 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
321 %
322 %\usepackage{url}
323 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
324 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
325 % systems. The latest version can be obtained at:
326 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
327 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
328 % \url{my_url_here}.
329
330
331
332
333
334 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
335 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
336 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
337 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
338 % to submit to, of course. )
339
340 % correct bad hyphenation here
341 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
342
343 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
344 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
345 \def\acro#1{{\small{#1}}}
346 \def\acrop#1{\acro{#1}s}
347 \def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
348 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
349 \def\GHC{\acro{GHC}}
350 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
351 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
352
353 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
354 % we'll get something more complex later on.
355 \def\hs#1{\texttt{#1}}
356 \def\quote#1{``{#1}"}
357
358 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
359   \begin{list}{}{%
360     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
361     \setlength{\labelsep}{0.5em}
362     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
363     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
364     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
365     \setlength{\rightmargin}{0pt}
366     \setlength{\listparindent}{\parindent}
367     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
368     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
369     }
370   }
371 {\end{list}}
372
373 \usepackage{paralist}
374 \usepackage{xcolor}
375 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
376
377 \usepackage{cleveref}
378 \crefname{figure}{figure}{figures}
379 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
380 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
381
382 \usepackage{epstopdf}
383
384 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
385
386 %include polycode.fmt
387 %include clash.fmt
388
389 \newcounter{Codecount}
390 \setcounter{Codecount}{0}
391
392 \newenvironment{example}
393   {
394     \refstepcounter{equation}
395   }
396   {
397       \begin{flushright}
398       (\arabic{equation})
399       \end{flushright}
400   }
401
402 \begin{document}
403 %
404 % paper title
405 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
406 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
407
408
409 % author names and affiliations
410 % use a multiple column layout for up to three different
411 % affiliations
412 \author{\IEEEauthorblockN{Matthijs Kooijman, Christiaan P.R. Baaij, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
413 \IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
414 Department of EEMCS, University of Twente\\
415 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
416 matthijs@@stdin.nl, c.p.r.baaij@@utwente.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 % \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 }
419 % \and
420 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
421 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
422 % Springfield, USA\\
423 % Email: homer@thesimpsons.com}
424 % \and
425 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
426 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
427 % San Francisco, California 96678-2391\\
428 % Telephone: (800) 555--1212\\
429 % Fax: (888) 555--1212}}
430
431 % conference papers do not typically use \thanks and this command
432 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
433 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
434 % after \documentclass
435
436 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
437 % of the page, use this alternative format:
438
439 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
440 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
441 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
442 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
443 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
444 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
445 %Georgia Institute of Technology,
446 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
447 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
448 %Email: homer@thesimpsons.com}
449 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
450 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
451 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
452
453
454
455
456 % use for special paper notices
457 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
458
459
460
461
462 % make the title area
463 \maketitle
464
465 \begin{abstract}
466 %\boldmath
467 \CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
468 syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
469 Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
470 generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
471 natural way than possible in a traditional hardware description language.
472
473 Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
474 prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
475 test input are also valid Haskell, complete simulations can be compiled as an 
476 executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
477 analysis.
478
479 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
480 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
481 % This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
482 % mealy machine.
483 \end{abstract}
484 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
485 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
486 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
487 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
488 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
489 % math in the abstract anyway.
490
491 % no keywords
492
493
494
495
496 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
497 % page as needed:
498 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
499 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
500 % \fi
501 %
502 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
503 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
504 \IEEEpeerreviewmaketitle
505
506 \section{Introduction}
507 Hardware description languages (\acrop{HDL}) have allowed the productivity of 
508 hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
509 Traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
510 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
511 `programming' language. These standard languages are very good at describing 
512 detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally 
513 cumbersome in expressing higher-level abstractions. In an attempt to raise the 
514 abstraction level of the descriptions, a great number of approaches based on 
515 functional languages has been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL,
516 T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using 
517 functional languages for hardware descriptions started in the early 1980s 
518 \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL}, a time which also saw the birth of the 
519 currently popular hardware description languages, such as \VHDL. Functional 
520 languages are especially well suited to describe hardware because 
521 combinational circuits can be directly modeled as mathematical functions and
522 functional languages are very good at describing and composing these 
523 mathematical functions.
524
525 In an attempt to decrease the amount of work involved in creating all the 
526 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
527 \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired} are embedded as a domain 
528 specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
529 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
530 functions and types that together form the language primitives of the 
531 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
532 process any signals, they instead compose a large domain-specific datatype 
533 (which is usually hidden from the designer). This datatype is then further 
534 processed by an embedded circuit compiler which can perform for example 
535 simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{if}-expressions, 
536 \hs{case}-expressions, etc.) are evaluated at the time the domain-specific 
537 datatype is being build, they are no longer visible to the embedded compiler 
538 that processes the datatype. Consequently, it is impossible the capture 
539 Haskell's choice elements within a circuit description when taking the 
540 embedded language approach. Descriptions can however still contain 
541 polymorphism and higher-order functions.
542
543 The approach taken in this research is not to make another \acro{DSL} embedded 
544 in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for 
545 the purpose of describing hardware. By taking this approach, this research 
546 \emph{can} capture certain language constructs, such as Haskell's choice 
547 elements, within circuit descriptions. To the best knowledge of the authors, 
548 supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array of 
549 choice-elements is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
550 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
551 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
552 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
553 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
554
555 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
556 purposes state and synchronicity, the clock is implied in the context of the 
557 research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of 
558 the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals 
559 as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this 
560 stream of values. The approach taken in this research is to make the current 
561 state an additional input and the updated state a part of the output of a 
562 function. This abstraction of state and time limits the descriptions to 
563 synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
564 add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
565 asynchronous systems.
566
567 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
568 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
569 prototype translator, which has the same name as the language: 
570 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
571 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
572 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
573 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
574
575 Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
576 the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
577 also been able to successfully translate non-trivial functional descriptions 
578 such as a streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating 
579 point numbers.
580
581 \section{Hardware description in Haskell}
582 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
583 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
584 various subsections, the relation between the language elements and their 
585 eventual netlist representation is also highlighted. 
586
587   \subsection{Function application}
588     Two basic syntactic elements of a functional program are functions
589     and function application. These have a single obvious translation to a 
590     netlist format: 
591     \begin{inparaenum}
592       \item every function is translated to a component, 
593       \item every function argument is translated to an input port,
594       \item the result value of a function is translated to an output port, 
595             and
596       \item function applications are translated to component instantiations.
597     \end{inparaenum} 
598     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
599     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
600     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
601     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
602     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
603     result of the application itself. Since every top level function generates 
604     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
605     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
606     % The separation in different components makes it easier for a developer 
607     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
608     % the \CLaSH\ compiler.
609
610     The short example (\ref{lst:code1}) demonstrated below gives an indication 
611     of the level of conciseness that can be achieved with functional hardware 
612     description languages when compared with the more traditional hardware 
613     description languages. The example is a combinational multiply-accumulate 
614     circuit that works for \emph{any} word length (this type of polymorphism 
615     will be further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding 
616     netlist is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
617     
618     \hspace{-1.7em}
619     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
620     \begin{code}
621     mac a b c = add (mul a b) c
622     \end{code}
623     \end{minipage}
624     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
625       \begin{example}
626       \label{lst:code1}
627       \end{example}
628     \end{minipage}
629     
630     \begin{figure}
631     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
632     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
633     \label{img:mac-comb}
634     \vspace{-1.5em}
635     \end{figure}
636     
637     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
638     (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
639     the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
640     Its corresponding netlist can be seen in \Cref{img:mac-comb-composite}.
641     
642     \hspace{-1.7em}
643     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
644     \begin{code}
645     mac a b c = (z, add z c)
646       where
647         z = mul a b
648     \end{code}
649     \end{minipage}
650     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
651       \begin{example}
652       \label{lst:code2}
653       \end{example}
654     \end{minipage}
655     
656     \begin{figure}
657     \vspace{1em}
658     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
659     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
660     \label{img:mac-comb-composite}
661     \vspace{-1.5em}
662     \end{figure}
663
664   \subsection{Choice}
665     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
666     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
667     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
668     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
669     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
670     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
671     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
672     comparators and their combined output forms the selection port of the 
673     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
674     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
675     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
676     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
677     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
678     Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
679     (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
680     (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
681     sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
682     predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. The \hs{pred} 
683     variable is of the following, user-defined, enumeration datatype:
684     
685     \begin{code}
686     data Pred = Equal | NotEqual
687     \end{code}
688
689     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
690     depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
691     compared to \hs{Equal}, as an inequality immediately implies that the 
692     \hs{pred} variable is \hs{NotEqual}.
693
694     \hspace{-1.7em}
695     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
696     \begin{code}    
697     sumif pred a b = case pred of
698       Equal -> case a == b of
699         True      -> a + b
700         False     -> 0
701       NotEqual  -> case a != b of
702         True      -> a + b
703         False     -> 0
704     \end{code}
705     \end{minipage}
706     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
707       \begin{example}
708       \label{lst:code3}
709       \end{example}
710     \end{minipage}
711
712     \hspace{-1.7em}
713     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
714     \begin{code}
715     sumif pred a b = 
716       if pred == Equal then 
717         if a == b then a + b else 0
718       else 
719         if a != b then a + b else 0
720     \end{code}
721     \end{minipage}
722     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
723       \begin{example}
724       \label{lst:code4}
725       \end{example}
726     \end{minipage}
727
728     \begin{figure}
729     \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
730     \caption{Choice - sumif}
731     \label{img:choice}
732     \vspace{-1.5em}
733     \end{figure}
734
735     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
736     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
737     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
738     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
739     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
740     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
741     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
742     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
743     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
744     multiplexers. A third version (\ref{lst:code5}) of the earlier example, 
745     now using both pattern matching and guards, can be seen below. The guard 
746     is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
747     assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to 
748     \hs{true}.
749     
750     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
751     naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
752     versions of the example.
753     
754     \hspace{-1.7em}
755     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
756     \begin{code}
757     sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
758                           | otherwise   = 0
759     sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
760                           | otherwise   = 0
761     \end{code}
762     \end{minipage}
763     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
764       \begin{example}
765       \label{lst:code5}
766       \end{example}
767     \end{minipage}
768
769     % \begin{figure}
770     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
771     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
772     % \label{img:choice}
773     % \end{figure}
774
775   \subsection{Types}
776     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
777     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
778     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
779     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
780     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
781     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
782     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
783     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
784     translate the user-defined types described later on.
785
786     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
787     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
788     type signature. % (even if it is good practice to do so).
789     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
790     concrete types, the \CLaSH\ compiler can specialize polymorphic functions 
791     to functions with concrete types.
792   
793     % Translation of two most basic functional concepts has been
794     % discussed: function application and choice. Before looking further
795     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
796     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
797     % descriptions will be discussed.
798     % 
799     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
800     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
801     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
802     % 
803     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
804     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
805     % define his own types, which will be translated into hardware types
806     % using translation rules that are discussed later on.
807
808   \subsubsection{Built-in types}
809     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
810     compiler:
811     \begin{xlist}
812       \item[\bf{Bit}]
813         the most basic type available. It can have two values:
814         \hs{Low} or \hs{High}. 
815         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
816       \item[\bf{Bool}]
817         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
818         or \hs{False}. 
819         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
820         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
821         % \hs{High}). 
822         Supporting the Bool type is required in order to support the
823         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
824         the condition.
825       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
826         these are types to represent integers and both are parametrizable in 
827         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
828         these types is \emph{wrap-around}.
829         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
830
831         % \begin{code}
832         % type Word32 = SizedWord D32
833         % \end{code}
834
835         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
836         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
837         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
838         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
839         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
840         % \texttt{signed} respectively.
841       \item[\bf{Vector}]
842         this is a vector type that can contain elements of any other type and
843         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
844         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
845         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
846         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
847         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
848         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
849         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
850         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
851         % be:
852
853         % \begin{code}
854         % type RegisterState = Vector D8 Word32
855         % \end{code}
856
857         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
858         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
859         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
860         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
861         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
862         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
863       \item[\bf{Index}]
864         this is another type to describe integers, but unlike the previous
865         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
866         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
867         An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
868         implicitly zero. If a value of this type exceeds either bounds, an 
869         error will be thrown at simulation-time. The main purpose of the 
870         \hs{Index} type is to be used as an index into a \hs{Vector}.
871
872         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
873         % the 8 element vector above, we would do:
874
875         % \begin{code}
876         % type RegisterIndex = RangedWord D7
877         % \end{code}
878
879         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
880         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
881         % other words, this defines an unsigned word with values from
882         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
883         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
884         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
885     \end{xlist}
886
887   \subsubsection{User-defined types}
888     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
889     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
890     keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
891     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
892     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
893     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
894     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
895     % compiler.
896
897     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
898     completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
899     names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
900     and a type renaming requires an explicit conversion. Type synonyms and 
901     type renaming do not need any particular translation, a synonym or 
902     renamed type will just use the same representation as the original type. 
903     
904     For algebraic types, we can make the following distinctions:
905     \begin{xlist}
906       \item[\bf{Single constructor}]
907         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
908         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
909         record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
910         as single constructor algebraic types (but with a bit of
911         syntactic sugar). An example of a single constructor type with 
912         multiple fields is the following pair of integers:
913         \begin{code}
914         data IntPair = IntPair Int Int
915         \end{code}
916         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
917         % for every field in the constructor.
918       \item[\bf{No fields}]
919         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
920         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
921         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
922         defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
923         for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
924         enumeration type is the type that represents the colors in a traffic 
925         light:
926         \begin{code}
927         data TrafficLight = Red | Orange | Green
928         \end{code}
929         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
930         % value for each constructor. This allows references to these 
931         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
932         % value.
933       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
934         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
935         one of these constructors has one or more fields are currently not 
936         supported.
937     \end{xlist}
938
939   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
940     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
941     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
942     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
943     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
944     without mention of any specific type and can be used transparently with 
945     any number of new types.
946
947     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
948     the following \hs{append} function, which appends an element to a
949     vector:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
950     with its type.}
951     
952     \begin{code}
953     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
954     \end{code}
955
956     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
957     all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
958     regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
959     the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
960     This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
961     operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
962     inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
963     these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
964     is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
965     functions, as we will see in the next section.
966
967     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
968     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
969     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
970     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
971     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
972     type classes, where a class definition provides the general interface of a 
973     function, and class instances define the functionality for the specific 
974     types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
975     contains all of Haskell's numerical operations. A designer can make use 
976     of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
977     polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
978     variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
979     overloaded functions associated with the type class. 
980     
981     As an example we will take a look at type signature of the function 
982     \hs{sum}, which sums the values in a vector:
983     \begin{code}
984     sum :: Num a => [a|n] -> a
985     \end{code}
986
987     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
988     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
989     we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
990     \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
991     class. 
992     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
993     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
994
995     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
996     function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
997     developer can also specify his own type classes and corresponding 
998     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
999     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1000     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1001     any polymorphic arguments. The arguments can not be polymorphic as the 
1002     function is never applied and consequently there is no way to determine 
1003     the actual types for the type parameters. The members of some standard 
1004     Haskell type classes are supported as built-in functions, including: 
1005     \hs{Num} for numerical operations, \hs{Eq} for the equality operators, and 
1006     \hs{Ord} for the comparison/order operators.
1007
1008   \subsection{Higher-order functions \& values}
1009     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1010     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1011     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1012     value and be passed around, even as the argument of another
1013     function. The following example should clarify this concept:
1014     
1015     \hspace{-1.7em}
1016     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1017     %format not = "\mathit{not}"
1018     \begin{code}
1019     negateVector xs = map not xs
1020     \end{code}
1021     \end{minipage}
1022     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1023       \begin{example}
1024       \label{lst:code6}
1025       \end{example}
1026     \end{minipage}
1027
1028     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1029     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1030     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1031     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1032     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1033     elements in the vector.
1034
1035     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1036     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1037     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1038     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1039     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1040     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1041     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1042     input vector. All of these characteristics  can readily be inferred from 
1043     the type signature belonging to \hs{map}:
1044
1045     \begin{code}
1046     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1047     \end{code}
1048
1049     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1050     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1051     partial application and lambda abstraction. Partial application
1052     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1053     to a single argument, and the result will again be a function (but
1054     that takes one argument less). As an example, consider the following
1055     expression, that adds one to every element of a vector:
1056
1057     \hspace{-1.7em}
1058     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1059     \begin{code}
1060     map (add 1) xs
1061     \end{code}
1062     \end{minipage}
1063     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1064       \begin{example}
1065       \label{lst:code7}
1066       \end{example}
1067     \end{minipage}
1068
1069     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1070     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1071     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1072     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1073     expression, which again adds one to every element of a vector:
1074
1075     \hspace{-1.7em}
1076     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1077     \begin{code}
1078     map (\x -> x + 1) xs
1079     \end{code}
1080     \end{minipage}
1081     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1082       \begin{example}
1083       \label{lst:code8}
1084       \end{example}
1085     \end{minipage}
1086
1087     Finally, not only built-in functions can have higher order
1088     arguments, but any function defined in \CLaSH\ may have functions as
1089     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
1090     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
1091     code reuse. The only exception is again the top-level function: if a 
1092     function-typed argument is not applied with an actual function, no 
1093     hardware can be generated.    
1094
1095     % \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
1096
1097   \subsection{State}
1098     A very important concept in hardware is the concept of state. In a 
1099     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
1100     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1101     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
1102     combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
1103
1104     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
1105     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1106     conditions:
1107     \begin{inparaenum}
1108       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1109       both cases, and
1110       \item that the function has no observable side-effects.
1111     \end{inparaenum}
1112     % This purity property is important for functional languages, since it 
1113     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1114     % correct for impure functions. 
1115     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1116     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1117     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1118     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1119     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1120     In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
1121     the current state an additional argument of the function, and the 
1122     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1123     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1124     
1125     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1126     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1127     \Cref{img:mac-state}:
1128     
1129     \hspace{-1.7em}
1130     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1131     \begin{code}
1132     macS (State c) a b = (State c', c')
1133       where
1134         c' = mac a b c
1135     \end{code}
1136     \end{minipage}
1137     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1138       \begin{example}
1139       \label{lst:code9}
1140       \end{example}
1141     \end{minipage}
1142     
1143     \begin{figure}
1144     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1145     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1146     \label{img:mac-state}
1147     \vspace{-1.5em}
1148     \end{figure}
1149     
1150     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1151     of the output port. The \hs{State} keyword indicates which arguments are 
1152     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1153     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1154     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1155     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1156     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1157     combination with the existing code and language features, such as all the 
1158     choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
1159     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
1160     
1161     \hspace{-1.7em}
1162     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1163     \begin{code}
1164     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1165       where
1166         (s', o) = f s i
1167     \end{code}
1168     \end{minipage}
1169     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1170       \begin{example}
1171       \label{lst:code10}
1172       \end{example}
1173     \end{minipage}
1174     
1175     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1176     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1177     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1178     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1179     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1180     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1181     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1182     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1183     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1184     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1185     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1186     described earlier.
1187     
1188     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1189     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1190     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1191     Haskell interpreter. Both simulation paths are much faster than first 
1192     translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
1193     simulation.
1194     
1195 \section{The \CLaSH\ compiler}
1196 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1197 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1198 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1199 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1200
1201 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1202 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1203 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1204 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1205 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1206 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1207 \Cref{img:compilerpipeline}.
1208
1209 \begin{figure}
1210 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1211 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1212 \label{img:compilerpipeline}
1213 \vspace{-1.5em}
1214 \end{figure}
1215
1216 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1217 Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1218 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1219 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1220 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1221 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1222 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1223 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1224 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1225 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1226 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1227 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1228 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1229 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1230 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1231 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1232
1233 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1234 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1235 normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
1236 end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
1237 \VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
1238
1239 \section{Use cases}
1240 \label{sec:usecases}
1241 \subsection{FIR Filter}
1242 As an example of a common hardware design where the use of higher-order
1243 functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter, which is 
1244 basically the dot-product of two vectors:
1245
1246 \begin{equation}
1247 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1248 \end{equation}
1249
1250 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1251 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1252 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1253 filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
1254 shown below:
1255
1256 \begin{equation}
1257 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1258 \end{equation}
1259
1260 We can easily and directly implement the equation for the dot-product
1261 using higher-order functions:
1262
1263 \hspace{-1.7em}
1264 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1265 \begin{code}
1266 as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
1267 \end{code}
1268 \end{minipage}
1269 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1270   \begin{example}
1271   \label{lst:code13}
1272   \end{example}
1273 \end{minipage}
1274
1275 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1276 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1277 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1278 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1279
1280 The \hs{foldl1} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1281 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1282 function to the result of the first application and the next element in the 
1283 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1284 the \hs{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
1285 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1286 \hs{foldl1 (+)} function is summation.
1287 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1288 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1289 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1290 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1291 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1292 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1293 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1294 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1295 % transformation to code):
1296
1297 % \begin{equation}
1298 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1299 % \end{equation}
1300 The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
1301
1302 \hspace{-1.7em}
1303 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1304 \begin{code}
1305 fir (State (xs,hs)) x = 
1306   (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1307 \end{code}
1308 \end{minipage}
1309 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1310   \begin{example}
1311   \label{lst:code14}
1312   \end{example}
1313 \end{minipage}
1314
1315 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1316 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1317 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1318 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1319 code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1320 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1321 is shown below:
1322
1323 \hspace{-1.7em}
1324 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1325 \begin{code}
1326 x >> xs = x +> init xs  
1327 \end{code}
1328 \end{minipage}
1329 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1330   \begin{example}
1331   \label{lst:code15}
1332   \end{example}
1333 \end{minipage}
1334
1335 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1336 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1337 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1338 \Cref{img:4tapfir}.
1339
1340 \begin{figure}
1341 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1342 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1343 \label{img:4tapfir}
1344 \vspace{-1.5em}
1345 \end{figure}
1346
1347 \subsection{Higher-order CPU}
1348 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher order
1349 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1350 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1351 common operations.
1352
1353 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1354 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1355 previous outputs of each function units, along with the single data input the 
1356 \acro{CPU} has and two fixed initialization values.
1357
1358 Each of the function units has both its operands connected to all data
1359 sources, and can be programmed to select any data source for either
1360 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1361 opcode input to select the operation it performs. The output of the rightmost 
1362 function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
1363
1364 Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
1365 arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
1366 define the actual operation that takes place inside the function unit,
1367 but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
1368 of two arguments that defines the operation.
1369
1370 \hspace{-1.7em}
1371 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1372 \begin{code}
1373 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1374   where
1375     in1     = inputs!addr1
1376     in2     = inputs!addr2
1377     regIn   = op in1 in2
1378 \end{code}
1379 \end{minipage}
1380 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1381   \begin{example}
1382   \label{lst:code16}
1383   \end{example}
1384 \end{minipage}
1385
1386 The \hs{multiop} function defines the operation that takes place in the
1387 leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU}
1388 that makes good use of pattern matching and guards in its description.
1389 The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number
1390 of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1391 the bitwise xor of its operands.
1392
1393 \hspace{-1.7em}
1394 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1395 \begin{code}
1396 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1397
1398 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1399 multiop Shift   a b                 = shift a b
1400 multiop Xor     a b                 = xor a b
1401 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1402                       | otherwise   = 0
1403 \end{code}
1404 \end{minipage}
1405 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1406   \begin{example}
1407   \label{lst:code17}
1408   \end{example}
1409 \end{minipage}
1410
1411 The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
1412 function four times, to create a different function unit each time. The
1413 first application is interesting, because it does not just pass a
1414 function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
1415 shows how the first function unit effectively gets an extra input,
1416 compared to the others.
1417
1418 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1419 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1420 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1421 their operand. The application of the function units to the \hs{inputs} and
1422 \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1423 a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1424 However, the prototype compiler does not currently support working with lists 
1425 of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1426
1427 \hspace{-1.7em}
1428 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1429 \begin{code}
1430 type CpuState = State [Word | 4]
1431
1432 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1433        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1434 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1435   where
1436     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1437               , fu add            inputs (addrs!1)
1438               , fu sub            inputs (addrs!2)
1439               , fu mul            inputs (addrs!3)
1440               ]
1441     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1442     out       =   head s'
1443 \end{code}
1444 \end{minipage}
1445 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1446   \begin{example}
1447   \label{lst:code18}
1448   \end{example}
1449 \end{minipage}
1450
1451 This is still a simple example, but it could form the basis
1452 of an actual design, in which the same techniques can be reused.
1453
1454 \section{Related work}
1455 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1456 description languages and highlights the advantages that this research has 
1457 over existing work.
1458
1459 Many functional hardware description languages have been developed over the 
1460 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1461 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1462 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1463 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1464 circuits, and has a particular focus on layout. 
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 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1474 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1475 higher-order functions. Published work suggests that there is no direct 
1476 simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
1477 be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
1478 simulated in a \VHDL\ simulator. Certain aspects of HML, such as higher-order
1479 functions are however not supported by the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The 
1480 \CLaSH\ compiler on the other hand can correctly translate all of the language 
1481 constructs mentioned in this paper. % to a netlist format.
1482
1483 Like the work presented in this paper, many functional hardware description 
1484 languages have some sort of foundation in the functional programming language 
1485 Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
1486 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
1487 specifications can be simulated; to the best knowledge of the authors there is 
1488 however no support for automated circuit synthesis. 
1489
1490 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1491 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1492 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1493 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1494 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1495 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1496 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1497 Unlike \CLaSH\ there is no support for the automated synthesis of descriptions 
1498 that contain polymorphism or higher-order functions.
1499
1500 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
1501 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
1502 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
1503 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
1504 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
1505 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
1506 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
1507 circuit he will have to explicitly instantiate a multiplexer-like component. 
1508
1509 In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, 
1510 such as case-statements and pattern matching, are synthesized to choice 
1511 elements in the eventual circuit. As such, richer control structures can both 
1512 be specified and synthesized in \CLaSH\ compared to any of the embedded 
1513 languages, such as: Hawk, ForSyDe, or Lava.
1514
1515 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
1516 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
1517 exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support 
1518 for generics has been extended to types and subprograms, allowing a developer 
1519 to describe components with polymorphic ports and function-valued arguments. 
1520 Note that the types and subprograms still require an explicit generic map, 
1521 whereas types can be automatically inferred, and function-values can be 
1522 automatically propagated by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally 
1523 available) \VHDL\ synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 
1524 standard, and thus the synthesis of polymorphic types and function-valued 
1525 arguments.
1526
1527 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1528
1529 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1530 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1531 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1532
1533 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1534 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1535 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1536 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1537 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1538 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1539 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1540 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1541 %
1542 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1543 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1544 % displayed while in draft mode.
1545 %
1546 %\begin{figure}[!t]
1547 %\centering
1548 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1549 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1550 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1551 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1552 %\caption{Simulation Results}
1553 %\label{fig_sim}
1554 %\end{figure}
1555
1556 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1557 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1558
1559
1560 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1561 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1562 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1563 % \label for the overall figure must come after \caption.
1564 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1565 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1566 % used instead of \subfloat.
1567 %
1568 %\begin{figure*}[!t]
1569 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1570 %\label{fig_first_case}}
1571 %\hfil
1572 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1573 %\label{fig_second_case}}}
1574 %\caption{Simulation results}
1575 %\label{fig_sim}
1576 %\end{figure*}
1577 %
1578 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1579 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1580 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1581
1582
1583 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1584 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1585 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1586 % The \label must come after \caption as always.
1587 %
1588 %\begin{table}[!t]
1589 %% increase table row spacing, adjust to taste
1590 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1591 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1592 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1593 %\caption{An Example of a Table}
1594 %\label{table_example}
1595 %\centering
1596 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1597 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1598 %\begin{tabular}{|c||c|}
1599 %\hline
1600 %One & Two\\
1601 %\hline
1602 %Three & Four\\
1603 %\hline
1604 %\end{tabular}
1605 %\end{table}
1606
1607
1608 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1609 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1610 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1611 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1612 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1613 % command of the stfloats package.
1614
1615
1616
1617 \section{Conclusion}
1618 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1619 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1620 for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
1621 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
1622 choice elements, such as pattern matching, that are well suited to describe 
1623 the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides being able 
1624 to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the prototype 
1625 compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1626 polymorphic types and function-valued arguments.
1627
1628 Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1629 embed themselves in an existing functional language, this research features a 
1630 `true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
1631 and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
1632 actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
1633 languages do not offer.
1634
1635 \section{Future Work}
1636 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1637 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1638 usually very clear, one finds that dealing with unpacking, passing, receiving 
1639 and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
1640 of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
1641 abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
1642
1643 The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
1644 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1645 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1646 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1647 process always terminates. Though various use cases suggests that these 
1648 properties usually hold, they have not been formally proven. A systematic 
1649 approach to defining the set of transformations allows one to proof that the 
1650 earlier mentioned properties do indeed exist.
1651
1652 % conference papers do not normally have an appendix
1653
1654
1655 % use section* for acknowledgement
1656 % \section*{Acknowledgment}
1657
1658 % The authors would like to thank...
1659
1660 % trigger a \newpage just before the given reference
1661 % number - used to balance the columns on the last page
1662 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1663 % the document is modified later
1664 % \IEEEtriggeratref{14}
1665 % The "triggered" command can be changed if desired:
1666 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1667
1668 % references section
1669
1670 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1671 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1672 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1673 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1674 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1675 \bibliographystyle{IEEEtran}
1676 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1677 \bibliography{clash}
1678 %
1679 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1680 % set second argument of \begin to the number of references
1681 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1682 % \begin{thebibliography}{1}
1683
1684 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1685 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1686 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1687
1688 % \end{thebibliography}
1689
1690
1691
1692
1693 % that's all folks
1694 \end{document}
1695
1696 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: