Introduce our approach to functional HDL, and introduce the prototype translater
[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 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
67 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73 % Some very useful LaTeX packages include:
74 % (uncomment the ones you want to load)
75
76 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
77 %
78 %\usepackage{ifpdf}
79 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
80 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
81 % usage:
82 % \ifpdf
83 %   % pdf code
84 % \else
85 %   % dvi code
86 % \fi
87 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
88 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
89 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
90 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
91 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
92 % have to be run twice to clear warning/error messages.
93
94
95
96
97
98
99 % *** CITATION PACKAGES ***
100 %
101 \usepackage{cite}
102 % cite.sty was written by Donald Arseneau
103 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
104 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
105 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
106 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
107 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
108 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
109 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
110 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
111 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
112 % not currently provide for hyperlinked citations.
113 % The latest version can be obtained at:
114 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
115 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
116
117
118
119
120
121
122 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
123 %
124 \ifCLASSINFOpdf
125   % \usepackage[pdftex]{graphicx}
126   % declare the path(s) where your graphic files are
127   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
128   % and their extensions so you won't have to specify these with
129   % every instance of \includegraphics
130   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
131 \else
132   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
133   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
134   % driver is specified.
135   % \usepackage[dvips]{graphicx}
136   % declare the path(s) where your graphic files are
137   % \graphicspath{{../eps/}}
138   % and their extensions so you won't have to specify these with
139   % every instance of \includegraphics
140   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
141 \fi
142 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
143 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
144 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
145 % be obtained at: 
146 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
147 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
148 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
149 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
150 %
151 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
152 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
153 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
154 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
155 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
156 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
157 % well as large increases in file sizes.
158 %
159 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
160 % http://www.tug.org/applications/pdftex
161
162
163
164
165
166 % *** MATH PACKAGES ***
167 %
168 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
169 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
170 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
171 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
172 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
173 % it is possible that some math symbols, particularly those within
174 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
175 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
176 %
177 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
178 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
179 %\interdisplaylinepenalty=2500
180 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
181 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
182 % version and documentation can be obtained at:
183 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
184
185
186
187
188
189 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
190 %
191 %\usepackage{algorithmic}
192 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
193 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
194 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
195 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
196 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
197 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
198 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
199 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
200 % algorithmic.sty can be obtained at:
201 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
202 % There is also a support site at:
203 % http://algorithms.berlios.de/index.html
204 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
205 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
207
208
209
210
211 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
212 %
213 %\usepackage{array}
214 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
215 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
216 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
217 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
218 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
219 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
220 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
221 % latest version and documentation can be obtained at:
222 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
223
224
225 %\usepackage{mdwmath}
226 %\usepackage{mdwtab}
227 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
228 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
229 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
230 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
231 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
232
233
234 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
235 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
236 % quality.
237
238
239 %\usepackage{eqparbox}
240 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
241 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
242 % Available at:
243 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
244
245
246
247
248
249 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
250 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
251 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
252 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
253 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
254 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
255 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
256 % be obtained at:
257 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
258 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
259
260
261
262 %\usepackage[caption=false]{caption}
263 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
264 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
265 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
266 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
267 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
268 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
269 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
270 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
271 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
272 % the caption=false option directly:
273 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
274 %
275 % The latest version and documentation can be obtained at:
276 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
277 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
278 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
279
280
281
282
283 % *** FLOAT PACKAGES ***
284 %
285 %\usepackage{fixltx2e}
286 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
287 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
288 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
289 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
290 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
291 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
292 % figure. The latest version and documentation can be found at:
293 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
294
295
296
297 %\usepackage{stfloats}
298 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
299 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
300 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
301 % LaTeX2e). It also provides a command:
302 %\fnbelowfloat
303 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
304 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
305 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
306 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
307 % version and documentation can be obtained at:
308 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
309 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
310 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
311 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
312 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
313 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
314 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
315 % not format its papers in such ways.
316
317
318
319
320
321 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
322 %
323 %\usepackage{url}
324 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
325 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
326 % systems. The latest version can be obtained at:
327 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
328 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
329 % \url{my_url_here}.
330
331
332
333
334
335 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
336 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
337 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
338 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
339 % to submit to, of course. )
340
341 % correct bad hyphenation here
342 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
343
344 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
345 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
346 \def\acro#1{{\small{#1}}}
347 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
348 \def\GHC{\acro{GHC}}
349 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
350
351 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
352 % we'll get something more complex later on.
353 \def\hs#1{\texttt{#1}}
354 \def\quote#1{``{#1}"}
355
356 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
357   \begin{list}{}{%
358     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
359     \setlength{\labelsep}{0.5cm}
360     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
361     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
362     \setlength{\rightmargin}{0pt}
363     \setlength{\parsep}{0.5ex plus 0.2ex minus 0.1ex}
364     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
365     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
366     }
367   }
368 {\end{list}}
369
370 \usepackage{paralist}
371
372 %include polycode.fmt
373 %include clash.fmt
374
375 \begin{document}
376 %
377 % paper title
378 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
379 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
380
381
382 % author names and affiliations
383 % use a multiple column layout for up to three different
384 % affiliations
385 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
386 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
387 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
388 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl}}
389 % \and
390 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
391 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
392 % Springfield, USA\\
393 % Email: homer@thesimpsons.com}
394 % \and
395 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
396 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
397 % San Francisco, California 96678-2391\\
398 % Telephone: (800) 555--1212\\
399 % Fax: (888) 555--1212}}
400
401 % conference papers do not typically use \thanks and this command
402 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
403 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
404 % after \documentclass
405
406 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
407 % of the page, use this alternative format:
408
409 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
410 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
411 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
412 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
413 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
414 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
415 %Georgia Institute of Technology,
416 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
417 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
418 %Email: homer@thesimpsons.com}
419 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
420 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
421 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
422
423
424
425
426 % use for special paper notices
427 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
428
429
430
431
432 % make the title area
433 \maketitle
434
435
436 \begin{abstract}
437 %\boldmath
438 The abstract goes here.
439 \end{abstract}
440 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
441 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
442 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
443 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
444 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
445 % math in the abstract anyway.
446
447 % no keywords
448
449
450
451
452 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
453 % page as needed:
454 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
455 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
456 % \fi
457 %
458 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
459 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
460 \IEEEpeerreviewmaketitle
461
462
463 \section{Introduction}
464 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
465 engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
466 Hardware description languages, like \VHDL\ and Verilog, allowed an engineer 
467 to describe circuits using a programming language. These standard languages 
468 are very good at describing detailed hardware properties such as timing 
469 behavior, but are generally cumbersome in expressing higher-level 
470 abstractions. These languages also tend to have a complex syntax and a lack of 
471 formal semantics. To overcome these complexities, and raise the abstraction 
472 level, a great number of approaches based on functional languages has been 
473 proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea 
474 of using functional languages started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,
475 muFP,DAISY,FHDL}, a time which also saw the birth of the currently popular 
476 hardware description languages such as \VHDL. What gives functional languages 
477 as hardware description languages their merits is the fact that basic 
478 combinatorial circuits are equivalent to mathematical function, and that 
479 functional languages lend themselves very well to describe and compose these 
480 mathematical functions.
481
482 In an attempt to decrease the amount of work involved with creating all the 
483 required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional hardware 
484 description languages are embedded as a domain specific language inside the 
485 functional language Haskell \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}. What this 
486 means is that a developer is given a library of Haskell functions and types 
487 that together form the language primitives of the domain specific language. 
488 Using these functions, the designer does not only describes a circuit, but 
489 actually builds a large domain-specific datatype which can be further 
490 processed by an embedded compiler. This compiler actually runs in the same 
491 environment as the description; as a result compile-time and run-time become 
492 hard to define, as the embedded compiler is usually compiled by the same 
493 Haskell compiler as the circuit description itself.
494
495 The approach taken in this research is not to make another domain specific 
496 language embedded in Haskell, but to use (a subset) of the Haskell language 
497 itself to be used as hardware description language. By taking this approach, 
498 we can capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
499 (if-statement, case-statment, etc.), which are not available in the functional 
500 hardware description languages that are embedded in Haskell. As far as the 
501 authors know, such extensive support for choice-elements is new in the domain 
502 of functional hardware description language. As the hardware descriptions are 
503 plain Haskell functions, these descriptions can be compiled for simulation 
504 using using the optimizing Haskell compiler \GHC.
505
506 Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
507 functional hardware description languages must eventually be converted into a 
508 netlist. This research also features an a prototype translater called \CLaSH\ 
509 (pronounced: Clash), which converts the Haskell code to equivalently behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format by optimizing \VHDL\ synthesis tools.
510
511 \section{Hardware description in Haskell}
512
513   \subsection{Function application}
514     The basic syntactic elements of a functional program are functions
515     and function application. These have a single obvious \VHDL\
516     translation: each top level function becomes a hardware component,
517     where each argument is an input port and the result value is the
518     (single) output port. This output port can have a complex type (such
519     as a tuple), so having just a single output port does not create a
520     limitation.
521
522     Each function application in turn becomes component instantiation.
523     Here, the result of each argument expression is assigned to a
524     signal, which is mapped to the corresponding input port. The output
525     port of the function is also mapped to a signal, which is used as
526     the result of the application itself.
527
528     Since every top level function generates its own component, the
529     hierarchy of of function calls is reflected in the final \VHDL\
530     output as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the
531     hardware.  This separation in different components makes the
532     resulting \VHDL\ output easier to read and debug.
533
534     Example that defines the \texttt{mac} function by applying the
535     \texttt{add} and \texttt{mul} functions to calculate $a * b + c$:
536
537 \begin{code}
538 mac a b c = add (mul a b) c
539 \end{code}
540
541     TODO: Pretty picture
542
543   \subsection{Choices}
544     Although describing components and connections allows describing a
545     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
546     choice. We need some way to be able to choose between values based
547     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
548     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
549
550     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
551     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
552     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
553     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
554     conditions use equality comparisons against the constructors in the
555     \hs{case} expressions.
556
557     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
558     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
559     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
560     pattern, the corresponding clause will be used.
561
562     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
563     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
564     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
565     guard.
566
567     Contrived example that sums two values when they are equal or
568     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
569     otherwise. This shows three implementations, one using and if
570     expression, one using only case expressions and one using pattern
571     matching and guards.
572
573 \begin{code}
574 sumif pred a b =  if  pred == Eq && a == b ||
575                       pred == Neq && a != b
576                   then  a + b
577                   else  0
578
579 sumif pred a b = case pred of
580   Eq ->   case a == b of
581     True    -> a + b
582     False   -> 0
583   Neq ->  case a != b of
584     True    -> a + b
585     False   -> 0
586
587 sumif Eq a b    | a == b = a + b
588 sumif Neq a b   | a != b = a + b
589 sumif _ _ _     = 0
590 \end{code}
591
592   TODO: Pretty picture
593
594   \subsection{Types}
595     Translation of two most basic functional concepts has been
596     discussed: function application and choice. Before looking further
597     into less obvious concepts like higher-order expressions and
598     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
599     descriptions will be discussed.
600
601     Some way is needed to translate every value used to its hardware
602     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
603     every \emph{type} used in a hardware description is needed.
604
605     The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
606     translation is fixed into the \CLaSH compiler. A designer can also
607     define his own types, which will be translated into hardware types
608     using translation rules that are discussed later on.
609
610   \subsection{Built-in types}
611     \begin{xlist}
612       \item[\hs{Bit}]
613         This is the most basic type available. It can have two values:
614         \hs{Low} and \hs{High}. It is mapped directly onto the
615         \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
616       \item[\hs{Bool}]
617         This is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
618         and \hs{False}. It is translated to \texttt{std\_logic} exactly
619         like the \hs{Bit} type (where a value of \hs{True} corresponds
620         to a value of \hs{High}). Supporting the Bool type is
621         particularly useful to support \hs{if ... then ... else ...}
622         expressions, which always have a \hs{Bool} value for the
623         condition.
624       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
625         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
626         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
627         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
628         follows:
629
630 \begin{code}
631 type Word32 = SizedWord D32
632 \end{code}
633
634         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
635         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
636         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
637         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word.
638
639         These types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and
640         \texttt{signed} respectively.
641       \item[\hs{Vector}]
642         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
643         has a fixed length.
644
645         The \hs{Vector} type constructor takes two type arguments: the length
646         of the vector and the type of the elements contained in it. The state
647         type of an 8 element register bank would then for example be:
648
649 \begin{code}
650 type RegisterState = Vector D8 Word32
651 \end{code}
652
653         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
654         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The type
655         level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} (The 32
656         bit word type as defined above). In other words, the
657         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words.
658
659         A fixed size vector is translated to a \VHDL\ array type.
660       \item[\hs{RangedWord}]
661         This is another type to describe integers, but unlike the previous
662         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
663         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
664         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
665         implicitly zero.
666
667         The main purpose of the \hs{RangedWord} type is to be used as an
668         index to a \hs{Vector}.
669
670         TODO: Perhaps remove this example?
671
672         To define an index for the 8 element vector above, we would do:
673
674 \begin{code}
675 type RegisterIndex = RangedWord D7
676 \end{code}
677
678         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
679         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
680         other words, this defines an unsigned word with values from
681         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
682         8 element vector \hs{RegisterState} above.
683
684         This type is translated to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
685     \end{xlist}
686
687   \subsection{User-defined types}
688     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
689     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
690     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
691     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
692     existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard
693     Haskell. These are not currently supported.
694
695     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
696     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
697     below. Type synonyms and renamings only define new names for
698     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
699     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
700     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
701     just use the same representation as the original type. The
702     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
703     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
704
705     For algebraic types, we can make the following distinction: 
706
707     \begin{xlist}
708       \item[\bf{Single constructor}]
709         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
710         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
711         record-like structure.
712
713         An example of such a type is the following pair of integers:
714
715 \begin{code}
716 data IntPair = IntPair Int Int
717 \end{code}
718
719         Haskell's builtin tuple types are also defined as single
720         constructor algebraic types and are translated according to this
721         rule by the \CLaSH compiler.
722
723         These types are translated to \VHDL\ record types, with one field for
724         every field in the constructor.
725       \item[\bf{No fields}]
726         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
727         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
728         containing alternatives.
729
730         Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an
731         enumeration type, but we have a fixed translation for that.
732
733         These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one value for
734         each constructor. This allows references to these constructors to be
735         translated to the corresponding enumeration value.
736       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
737         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
738         one of these constructors has one or more fields are not
739         currently supported.
740     \end{xlist}
741
742   \subsection{State}
743     A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
744     stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or the 
745     state. State is usually stored in registers, which retain their value 
746     during a clock cycle. As we want to describe more than simple 
747     combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
748
749     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
750     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
751     conditions:
752     \begin{inparaenum}
753       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
754       both cases, and
755       \item when the function is called, it should not have observable 
756       side-effects.
757     \end{inparaenum}
758     This purity property is important for functional languages, since it 
759     enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
760     correct for impure functions. Pure functions are as such a perfect match 
761     for a combinatorial circuit, where the output solely depends on the 
762     inputs. When a circuit has state however, it can no longer be simply
763     described by a pure function. Simply removing the purity property is not a 
764     valid option, as the language would then lose many of it mathematical 
765     properties. In an effort to include the concept of state in pure 
766     functions, the current value of the state is made an argument of the  
767     function; the updated state becomes part of the result.
768     
769     A simple example is the description of an accumulator circuit:
770     \begin{code}
771     acc :: Word -> State Word -> (State Word, Word)
772     acc inp (State s) = (State s', outp)
773       where
774         outp  = s + inp
775         s'    = outp
776     \end{code}
777     This approach makes the state of a function very explicit: which variables 
778     are part of the state is completely determined by the type signature. This 
779     approach to state is well suited to be used in combination with the 
780     existing code and language features, such as all the choice constructs, as 
781     state values are just normal values.
782 \section{\CLaSH\ prototype}
783
784 foo\par bar
785
786 \section{Related work}
787 Many functional hardware description languages have been developed over the 
788 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
789 extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
790 particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
791 Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
792 circuits, and has a particular focus on layout. \acro{HML}~\cite{HML2} is a 
793 hardware modeling language based on the strict functional language 
794 \acro{ML}, and has support for polymorphic types and higher-order functions. 
795 Published work suggests that there is no direct simulation support for 
796 \acro{HML}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
797
798 Like this work, many functional hardware description languages have some sort 
799 of foundation in the functional programming language Haskell. 
800 Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable 
801 specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk 
802 specifications can be simulated, but there seems to be no support for 
803 automated circuit synthesis. The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell 
804 to specify abstract system models, which can (manually) be transformed into an 
805 implementation model using semantic preserving transformations. ForSyDe has 
806 several simulation and synthesis backends, though synthesis is restricted to 
807 the synchronous subset of the ForSyDe language.
808
809 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
810 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
811 circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method 
812 tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit 
813 generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language 
814 elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit 
815 generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual 
816 circuit he will have to specify this explicitly as a component. In this 
817 respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, such as 
818 case-statements and pattern matching, are synthesized to choice elements in the 
819 eventual circuit. As such, richer control structures can both be specified and 
820 synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages mentioned in this 
821 section.
822
823 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are 
824 now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, 
825 exemplified by the new \VHDL\-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 has 
826 support to specify types as generics, thus allowing a developer to describe 
827 polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
828 generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in 
829 \CLaSH.
830
831 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
832
833 % A functional language designed specifically for hardware design is 
834 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
835 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
836
837 % An example of a floating figure using the graphicx package.
838 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
839 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
840 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
841 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
842 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
843 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
844 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
845 %
846 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
847 % option should be used if it is desired that the figures are to be
848 % displayed while in draft mode.
849 %
850 %\begin{figure}[!t]
851 %\centering
852 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
853 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
854 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
855 % via \DeclareGraphicsExtensions.
856 %\caption{Simulation Results}
857 %\label{fig_sim}
858 %\end{figure}
859
860 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
861 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
862
863
864 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
865 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
866 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
867 % \label for the overall figure must come after \caption.
868 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
869 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
870 % used instead of \subfloat.
871 %
872 %\begin{figure*}[!t]
873 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
874 %\label{fig_first_case}}
875 %\hfil
876 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
877 %\label{fig_second_case}}}
878 %\caption{Simulation results}
879 %\label{fig_sim}
880 %\end{figure*}
881 %
882 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
883 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
884 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
885
886
887 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
888 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
889 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
890 % The \label must come after \caption as always.
891 %
892 %\begin{table}[!t]
893 %% increase table row spacing, adjust to taste
894 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
895 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
896 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
897 %\caption{An Example of a Table}
898 %\label{table_example}
899 %\centering
900 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
901 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
902 %\begin{tabular}{|c||c|}
903 %\hline
904 %One & Two\\
905 %\hline
906 %Three & Four\\
907 %\hline
908 %\end{tabular}
909 %\end{table}
910
911
912 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
913 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
914 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
915 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
916 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
917 % command of the stfloats package.
918
919
920
921 \section{Conclusion}
922 The conclusion goes here.
923
924
925
926
927 % conference papers do not normally have an appendix
928
929
930 % use section* for acknowledgement
931 \section*{Acknowledgment}
932
933
934 The authors would like to thank...
935
936
937
938
939
940 % trigger a \newpage just before the given reference
941 % number - used to balance the columns on the last page
942 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
943 % the document is modified later
944 %\IEEEtriggeratref{8}
945 % The "triggered" command can be changed if desired:
946 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
947
948 % references section
949
950 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
951 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
952 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
953 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
954 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
955 \bibliographystyle{IEEEtran}
956 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
957 \bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
958 %
959 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
960 % set second argument of \begin to the number of references
961 % (used to reserve space for the reference number labels box)
962 % \begin{thebibliography}{1}
963
964 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
965 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
966 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
967
968 % \end{thebibliography}
969
970
971
972
973 % that's all folks
974 \end{document}
975
976 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: