Update text on fir filter use-case
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66
67 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
68 \IEEEoverridecommandlockouts
69 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75 % Some very useful LaTeX packages include:
76 % (uncomment the ones you want to load)
77
78 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
79 %
80 %\usepackage{ifpdf}
81 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
82 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
83 % usage:
84 % \ifpdf
85 %   % pdf code
86 % \else
87 %   % dvi code
88 % \fi
89 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
90 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
91 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
92 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
93 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
94 % have to be run twice to clear warning/error messages.
95
96
97
98 % *** CITATION PACKAGES ***
99 %
100 \usepackage{cite}
101 % cite.sty was written by Donald Arseneau
102 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
103 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
104 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
105 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
106 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
107 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
108 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
109 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
110 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
111 % not currently provide for hyperlinked citations.
112 % The latest version can be obtained at:
113 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
114 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
115
116
117
118
119
120
121 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
122 %
123 \ifCLASSINFOpdf
124   \usepackage[pdftex]{graphicx}
125   % declare the path(s) where your graphic files are
126   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
127   % and their extensions so you won't have to specify these with
128   % every instance of \includegraphics
129   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
130 \else
131   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
132   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
133   % driver is specified.
134   % \usepackage[dvips]{graphicx}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   % \graphicspath{{../eps/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
140 \fi
141 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
142 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
143 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
144 % be obtained at: 
145 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
146 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
147 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
148 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
149 %
150 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
151 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
152 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
153 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
154 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
155 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
156 % well as large increases in file sizes.
157 %
158 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
159 % http://www.tug.org/applications/pdftex
160
161
162
163
164
165 % *** MATH PACKAGES ***
166 %
167 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
168 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
169 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
170 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
171 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
172 % it is possible that some math symbols, particularly those within
173 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
174 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
175 %
176 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
177 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
178 %\interdisplaylinepenalty=2500
179 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
180 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
181 % version and documentation can be obtained at:
182 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
183
184
185
186
187
188 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
189 %
190 %\usepackage{algorithmic}
191 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
192 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
193 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
194 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
195 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
196 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
197 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
198 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
199 % algorithmic.sty can be obtained at:
200 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
201 % There is also a support site at:
202 % http://algorithms.berlios.de/index.html
203 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
204 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
205 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
206
207
208
209
210 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
211 %
212 %\usepackage{array}
213 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
214 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
215 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
216 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
217 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
218 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
219 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
220 % latest version and documentation can be obtained at:
221 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
222
223
224 %\usepackage{mdwmath}
225 %\usepackage{mdwtab}
226 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
227 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
228 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
229 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
231
232
233 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
234 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
235 % quality.
236
237
238 %\usepackage{eqparbox}
239 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
240 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
241 % Available at:
242 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
243
244
245
246
247
248 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
249 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
250 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
251 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
252 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
253 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
254 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
255 % be obtained at:
256 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
257 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
258
259
260
261 %\usepackage[caption=false]{caption}
262 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
263 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
264 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
265 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
266 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
267 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
268 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
269 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
270 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
271 % the caption=false option directly:
272 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
273 %
274 % The latest version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
276 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
277 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
278
279
280
281
282 % *** FLOAT PACKAGES ***
283 %
284 %\usepackage{fixltx2e}
285 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
286 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
287 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
288 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
289 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
290 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
291 % figure. The latest version and documentation can be found at:
292 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
293
294
295
296 %\usepackage{stfloats}
297 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
298 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
299 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
300 % LaTeX2e). It also provides a command:
301 %\fnbelowfloat
302 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
303 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
304 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
305 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
306 % version and documentation can be obtained at:
307 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
308 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
309 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
310 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
311 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
312 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
313 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
314 % not format its papers in such ways.
315
316
317
318
319
320 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
321 %
322 \usepackage{url}
323 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
324 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
325 % systems. The latest version can be obtained at:
326 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
327 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
328 % \url{my_url_here}.
329
330
331
332
333
334 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
335 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
336 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
337 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
338 % to submit to, of course. )
339
340 % correct bad hyphenation here
341 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
342
343 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
344 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
345 \def\acro#1{{\small{#1}}}
346 \def\acrop#1{\acro{#1}s}
347 \def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
348 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
349 \def\GHC{\acro{GHC}}
350 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
351 \def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
352
353 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
354 % we'll get something more complex later on.
355 \def\hs#1{\texttt{#1}}
356 \def\quote#1{``{#1}"}
357
358 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
359   \begin{list}{}{%
360     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
361     \setlength{\labelsep}{0.5em}
362     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
363     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
364     \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
365     \setlength{\rightmargin}{0pt}
366     \setlength{\listparindent}{\parindent}
367     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
368     \renewcommand{\makelabel}[1]{##1:\hfil}
369     }
370   }
371 {\end{list}}
372
373 \usepackage{paralist}
374 \usepackage{xcolor}
375 \def\comment#1{{\color[rgb]{1.0,0.0,0.0}{#1}}}
376
377 \usepackage{cleveref}
378 \crefname{figure}{figure}{figures}
379 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
380 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
381
382 \usepackage{epstopdf}
383
384 \epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
385
386 %include polycode.fmt
387 %include clash.fmt
388
389 \newcounter{Codecount}
390 \setcounter{Codecount}{0}
391
392 \newenvironment{example}
393   {
394     \refstepcounter{equation}
395   }
396   {
397       \begin{flushright}
398       (\arabic{equation})
399       \end{flushright}
400   }
401
402 \begin{document}
403 %
404 % paper title
405 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
406 \title{C$\lambda$aSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
407
408
409 % author names and affiliations
410 % use a multiple column layout for up to three different
411 % affiliations
412 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, 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 c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
417 \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
418 }
419 % \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 not allowed the productivity 
508 of hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
509 While traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
510 Verilog~\cite{Verilog}, are very good at describing detailed hardware 
511 properties such as timing behavior, they are generally cumbersome in 
512 expressing the higher-level abstractions needed for today's large and complex 
513 circuit designs. In an attempt to raise the abstraction level of the 
514 descriptions, a great number of approaches based on functional languages has 
515 been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
516 Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
517 descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a 
518 time which also saw the birth of the currently popular \acrop{HDL}, such as 
519 \VHDL. Functional languages are especially well suited to describe hardware 
520 because combinational circuits can be directly modeled as mathematical 
521 functions and functional languages are very good at describing and composing 
522 these functions.
523
524 In an attempt to ease the prototyping process of the language, such as 
525 creating all the required tooling, like parsers and type-checkers, many 
526 functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are embedded as a domain 
527 specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
528 \cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
529 functions and types that together form the language primitives of the 
530 \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
531 process any signals, they instead compose a large domain-specific graph 
532 (which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
533 processed by an embedded circuit compiler which can perform for example 
534 simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, 
535 pattern-matching etc.) are evaluated at the time the domain-specific graph is 
536 being build, they are no longer visible to the embedded compiler that 
537 processes the datatype. Consequently, it is impossible to capture Haskell's 
538 choice elements within a circuit description when taking the embedded language 
539 approach. This does not mean that circuits specified in an embedded language 
540 can not contain choice, just that choice elements only exists as functions, 
541 e.g. a multiplexer function, and not as language elements.
542
543 The approach taken in this research is to use (a subset of) the Haskell 
544 language \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this 
545 approach, this research \emph{can} capture certain language constructs, like 
546 all of Haskell's choice elements, within circuit descriptions. The more 
547 advanced features of Haskel, such as polymorphic typing and higher-order 
548 function, are also supported.
549
550 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
551 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
552 % is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
553 % As the hardware descriptions are plain Haskell 
554 % functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
555 % for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
556 % Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
557
558 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
559 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions and research presented in this paper. A circuit designer describes the behavior of the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} model signals as a stream of all values over time; state is then modeled as a delay on this stream of values. Descriptions presented in this research make the current state an additional input and the updated state a part of their output. This abstraction of state and time limits the descriptions to synchronous hardware, there is however room within the language to eventually add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of asynchronous systems.
560
561 Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
562 must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
563 prototype translator, which has the same name as the language: 
564 \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware} 
565 (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
566 behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
567 format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
568
569 To the best knowledge of the authors, \CLaSH\ is the only (functional) 
570 \acro{HDL} that allows circuit specification to be written in a very concise 
571 way and at the same time support such advanced features as polymorphic typing, 
572 user-defined higher-order functions and pattern matching.
573
574 \section{Hardware description in Haskell}
575 The following section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
576 extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
577 various subsections, the relation between the language elements and their 
578 eventual netlist representation is also highlighted. 
579
580   \subsection{Function application}
581     Two basic elements of a functional program are functions and function 
582     application. These have a single obvious translation to a netlist format: 
583     \begin{inparaenum}
584       \item every function is translated to a component, 
585       \item every function argument is translated to an input port,
586       \item the result value of a function is translated to an output port, 
587             and
588       \item function applications are translated to component instantiations.
589     \end{inparaenum} 
590     The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
591     just a single result value does not pose any limitation. The actual 
592     arguments of a function application are assigned to signals, which are 
593     then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
594     port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
595     result of the application itself. Since every top level function generates 
596     its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
597     final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
598     % The separation in different components makes it easier for a developer 
599     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
600     % the \CLaSH\ compiler.
601
602     The short example (\ref{code:mac}) seen below gives a demonstration of 
603     the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared with 
604     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
605     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
606     type of polymorphism will be further elaborated in 
607     \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding netlist is depicted in 
608     \Cref{img:mac-comb}.
609     
610     \hspace{-1.7em}
611     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
612     \begin{code}
613     mac a b c = add (mul a b) c
614     \end{code}
615     \end{minipage}
616     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
617       \begin{example}
618       \label{code:mac}
619       \end{example}
620     \end{minipage}
621     
622     \begin{figure}
623     \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
624     \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
625     \label{img:mac-comb}
626     \vspace{-1.5em}
627     \end{figure}
628     
629     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
630     (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit not only 
631     returns the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
632     result. Its corresponding netlist can be seen in 
633     \Cref{img:mac-comb-composite}.
634     
635     \hspace{-1.7em}
636     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
637     \begin{code}
638     mac a b c = (z, add z c)
639       where
640         z = mul a b
641     \end{code}
642     \end{minipage}
643     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
644       \begin{example}
645       \label{code:mac-composite}
646       \end{example}
647     \end{minipage}
648     \vspace{-1.5em}
649     
650     \begin{figure}
651     \vspace{1em}
652     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
653     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
654     \label{img:mac-comb-composite}
655     \vspace{-1.5em}
656     \end{figure}
657
658   \subsection{Choice}
659     In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
660     consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
661     pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
662     expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
663     \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
664     netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
665     control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
666     comparators and their combined output forms the selection port of the 
667     multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
668     linked to the corresponding input port of the multiplexer.
669     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
670     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
671     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
672     
673     % Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
674     % (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
675     % (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
676     % sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
677     % predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. 
678     
679     An code example (\ref{code:counter1}) that uses a \hs{case} expression and 
680     \hs{if-then-else} expressions is shown below. The function counts up or 
681     down depending on the \hs{direction} variable, and has a \hs{wrap} 
682     variable that determines both the upper bound and wrap-around point of the 
683     counter. The \hs{direction} variable is of the following, user-defined, 
684     enumeration datatype:
685     
686     \begin{code}
687     data Direction = Up | Down
688     \end{code}
689
690     The naive netlist corresponding to this example is depicted in 
691     \Cref{img:counter}. Note that the \hs{direction} variable is only
692     compared to \hs{Up}, as an inequality immediately implies that 
693     \hs{direction} is \hs{Down}.
694
695     \hspace{-1.7em}
696     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
697     \begin{code}    
698     counter direction wrap x = case direction of
699         Up    -> if   x < wrap  then 
700                       x + 1     else 
701                       0
702         Down  -> if   x > 0   then 
703                       x - 1   else 
704                       wrap
705     \end{code}
706     \end{minipage}
707     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
708       \begin{example}
709       \label{code:counter1}
710       \end{example}
711     \end{minipage}
712     
713     % \hspace{-1.7em}
714     % \begin{minipage}{0.93\linewidth}
715     % \begin{code}
716     % sumif pred a b = 
717     %   if pred == Equal then 
718     %     if a == b then a + b else 0
719     %   else 
720     %     if a != b then a + b else 0
721     % \end{code}
722     % \end{minipage}
723     % \begin{minipage}{0.07\linewidth}
724     %   \begin{example}
725     %   \label{lst:code4}
726     %   \end{example}
727     % \end{minipage}
728
729     % \begin{figure}
730     % \vspace{1em}
731     % \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
732     % \caption{Choice - sumif}
733     % \label{img:choice}
734     % \vspace{-1.5em}
735     % \end{figure}
736
737     \begin{figure}
738     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
739     \caption{Counter netlist}
740     \label{img:counter}
741     \vspace{-2em}
742     \end{figure}
743
744     A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
745     the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
746     function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
747     to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
748     will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
749     only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
750     clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
751     expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
752     translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
753     multiplexers. A second version (\ref{code:counter2}) of the earlier 
754     example, now using both pattern matching and guards, can be seen below. 
755     The guard is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and 
756     precedes the assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards 
757     always evaluate to \hs{true}.
758     
759     The version using pattern matching and guards corresponds to the same 
760     naive netlist representation (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
761     
762     \hspace{-1.7em}
763     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
764     \begin{code}
765     counter Up    wrap x  | x < wrap    = x + 1
766                           | otherwise   = 0
767     counter Down  wrap x  | x > 0       = x - 1
768                           | otherwise   = wrap
769     \end{code}
770     \end{minipage}
771     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
772       \begin{example}
773       \label{code:counter2}
774       \end{example}
775     \end{minipage}
776
777     % \begin{figure}
778     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
779     % \caption{Choice - \emph{if-then-else}}
780     % \label{img:choice}
781     % \end{figure}
782
783   \subsection{Types}
784     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
785     variable or function is determined at compile-time. Not all of Haskell's 
786     typing constructs have a clear translation to hardware, this section will 
787     therefore only deal with the types that do have a clear correspondence 
788     to hardware. The translatable types are divided into two categories: 
789     \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in types are 
790     those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
791     compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
792     translate the user-defined types, which are described later on.
793
794     The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
795     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
796     type signature. % (even if it is good practice to do so).
797     Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
798     concrete/monomorphic types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
799     polymorphic functions to functions with concrete types.
800   
801     % Translation of two most basic functional concepts has been
802     % discussed: function application and choice. Before looking further
803     % into less obvious concepts like higher-order expressions and
804     % polymorphism, the possible types that can be used in hardware
805     % descriptions will be discussed.
806     % 
807     % Some way is needed to translate every value used to its hardware
808     % equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
809     % every \emph{type} used in a hardware description is needed.
810     % 
811     % The following types are \emph{built-in}, meaning that their hardware
812     % translation is fixed into the \CLaSH\ compiler. A designer can also
813     % define his own types, which will be translated into hardware types
814     % using translation rules that are discussed later on.
815
816   \subsubsection{Built-in types}
817     The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
818     compiler:
819     \begin{xlist}
820       \item[\bf{Bit}]
821         the most basic type available. It can have two values:
822         \hs{Low} or \hs{High}. 
823         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
824       \item[\bf{Bool}]
825         this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
826         or \hs{False}. 
827         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
828         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
829         % \hs{High}). 
830         Supporting the Bool type is required in order to support the
831         \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
832         the condition.
833       \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
834         these are types to represent integers and both are parametrizable in 
835         their size. The overflow behavior of the numeric operators defined for 
836         these types is \emph{wrap-around}.
837         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
838
839         % \begin{code}
840         % type Word32 = SizedWord D32
841         % \end{code}
842
843         % Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
844         % \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. 
845         % \hs{D32} is the \emph{type level representation} of the decimal 
846         % number 32, making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word. These 
847         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
848         % \texttt{signed} respectively.
849       \item[\bf{Vector}]
850         this is a vector type that can contain elements of any other type and
851         has a static length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
852         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
853         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
854         the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
855         type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
856         a notation used in this paper only, vectors are slightly more
857         verbose in real \CLaSH\ descriptions.
858         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
859         % be:
860
861         % \begin{code}
862         % type RegisterState = Vector D8 Word32
863         % \end{code}
864
865         % Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
866         % the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The 
867         % type level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} 
868         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
869         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
870         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
871       \item[\bf{Index}]
872         the main purpose of the \hs{Index} type is to be used as an index into 
873         a \hs{Vector}, and has no specified bit-size, but a specified upper 
874         bound. This means that its range is not limited to powers of two, but 
875         can be any number. An \hs{Index} only has an upper bound, its lower 
876         bound is implicitly zero. If a value of this type exceeds either 
877         bounds, an error will be thrown at \emph{simulation}-time. 
878
879         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
880         % the 8 element vector above, we would do:
881
882         % \begin{code}
883         % type RegisterIndex = RangedWord D7
884         % \end{code}
885
886         % Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
887         % the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
888         % other words, this defines an unsigned word with values from
889         % 0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
890         % 8 element vector \hs{RegisterState} above. This type is translated 
891         % to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
892     \end{xlist}
893
894   \subsubsection{User-defined types}
895     % There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
896     % data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
897     % keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
898     % \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
899     % existential typing, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
900     % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
901     % correspond to hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ 
902     % compiler.
903     A completely new type is introduced by an algebraic datatype declaration 
904     which is defined using the \hs{data} keyword. Type synonyms can be 
905     introduced using the \hs{type} keyword.
906     % Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
907     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
908     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
909     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
910     Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym  will 
911     just use the same representation as the original type. 
912     
913     Algebraic datatypes can be categorized as follows:
914     \begin{xlist}
915       \item[\bf{Single constructor}]
916         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
917         fields allow values to be packed together in a record-like structure. 
918         Haskell's built-in tuple types are also defined as single constructor 
919         algebraic types (using a bit of syntactic sugar). An example of a 
920         single constructor type with multiple fields is the following pair of 
921         integers:
922         \begin{code}
923         data IntPair = IntPair Int Int
924         \end{code}
925         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
926         % for every field in the constructor.
927       \item[\bf{No fields}]
928         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
929         fields are essentially enumeration types. Note that Haskell's 
930         \hs{Bool} type is also defined as an enumeration type, but that there 
931         is a fixed translation for that type within the \CLaSH\ compiler. An 
932         example of an enumeration type definition is the definition for a 
933         traffic light:
934         \begin{code}
935         data TrafficLight = Red | Orange | Green
936         \end{code}
937         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
938         % value for each constructor. This allows references to these 
939         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
940         % value.
941       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
942         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
943         one of these constructors has one or more fields are currently not 
944         supported. Additional research is required to allow for the overlap of
945         the fields belonging to the different constructors.
946     \end{xlist}
947
948   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
949     A powerful feature of most (functional) programming languages is 
950     polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
951     types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric 
952     polymorphism}~\cite{polymorphism}, meaning functions can be written 
953     without mention of any specific type and can be used transparently with 
954     any number of new types.
955
956     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
957     the following \hs{first} function, which returns the first element of a 
958     tuple:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
959     with its type.}
960     
961     \begin{code}
962     first :: (a,b) -> a
963     \end{code}
964
965     This type is parameterized in both \hs{a} and \hs{b}, which can both 
966     represent any type at all (as long as that type is supported by the 
967     \CLaSH\ compiler). This means that \hs{first} works for any tuple, 
968     regardless of what elements it contains. This kind of polymorphism is 
969     extremely useful in hardware designs, for example when routing signals 
970     without knowing their exact type, or specifying vector operations that 
971     work on vectors of any length and element type. Polymorphism also plays an 
972     important role in most higher order functions, as will be shown in the 
973     next section.
974
975     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
976     polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
977     functions which can be applied to arguments of different types, but which 
978     behave differently depending on the type of the argument to which they are 
979     applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
980     \emph{type classes}, where a class definition provides the general 
981     interface of a function, and class \emph{instances} define the 
982     functionality for the specific types. An example of such a type class is 
983     the \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical operations. 
984     A designer can make use of this ad-hoc polymorphism by adding a 
985     \emph{constraint} to a parametrically polymorphic type variable. Such a 
986     constraint indicates that the type variable can only be instantiated to a 
987     type whose members supports the overloaded functions associated with the 
988     type class. 
989     
990     An example of a type signature that includes such a constraint if the 
991     signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
992     \begin{code}
993     sum :: Num a => [a|n] -> a
994     \end{code}
995
996     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
997     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
998     the compiler knows that the addition (+) operator is defined for that 
999     type.
1000     
1001     A place where class constraints also play a role is in the size and range 
1002     parameters of the \hs{Vector} and numeric types. The reason being that 
1003     these parameters have to be limited to types that can represent 
1004     \emph{natural} numbers. The complete type of for example the \hs{Vector} 
1005     type is:
1006     \begin{code}
1007     Natural n => Vector n a
1008     \end{code}    
1009     
1010     % \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num} 
1011     % class. 
1012     % so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
1013     % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
1014
1015     \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
1016     function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
1017     circuit designer can also specify his own type classes and corresponding 
1018     instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
1019     argument depending on how the function is applied. There is however one 
1020     constraint: the top level function that is being translated can not have 
1021     any polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
1022     polymorphic as the function is never applied and consequently there is no 
1023     way to determine the actual types for the type parameters. 
1024     
1025     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
1026     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
1027     functions. These include: the numerial operators of \hs{Num}, the equality 
1028     operators of \hs{Eq}, and the comparison/order operators of \hs{Ord}.
1029
1030   \subsection{Higher-order functions \& values}
1031     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
1032     the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
1033     \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
1034     value and be passed around, even as the argument of another
1035     function. The following example should clarify this concept:
1036     
1037     \hspace{-1.7em}
1038     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1039     %format not = "\mathit{not}"
1040     \begin{code}
1041     negateVector xs = map not xs
1042     \end{code}
1043     \end{minipage}
1044     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1045       \begin{example}
1046       \label{code:negatevector}
1047       \end{example}
1048     \end{minipage}
1049
1050     The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
1051     vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values are 
1052     negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
1053     \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
1054     \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
1055     elements in the vector.
1056
1057     The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
1058     another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
1059     parametric polymorphic function: it does not pose any constraints on the 
1060     type of the input vector, other than that its elements must have the same 
1061     type as the first argument of the function passed to \hs{map}. The element 
1062     type of the resulting vector is equal to the return type of the function 
1063     passed, which need not necessarily be the same as the element type of the 
1064     input vector. All of these characteristics can be inferred from the type 
1065     signature belonging to \hs{map}:
1066
1067     \begin{code}
1068     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
1069     \end{code}
1070
1071     So far, only functions have been used as higher-order values. In
1072     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
1073     partial application and lambda abstraction. Partial application
1074     means that a function that takes multiple arguments can be applied
1075     to a single argument, and the result will again be a function (but
1076     that takes one argument less). As an example, consider the following
1077     expression, that adds one to every element of a vector:
1078
1079     \hspace{-1.7em}
1080     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1081     \begin{code}
1082     map (add 1) xs
1083     \end{code}
1084     \end{minipage}
1085     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1086       \begin{example}
1087       \label{code:partialapplication}
1088       \end{example}
1089     \end{minipage}
1090
1091     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
1092     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
1093     adds one to its (next) argument. A lambda expression allows one to 
1094     introduce an anonymous function in any expression. Consider the following 
1095     expression, which again adds one to every element of a vector:
1096
1097     \hspace{-1.7em}
1098     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1099     \begin{code}
1100     map (\x -> x + 1) xs
1101     \end{code}
1102     \end{minipage}
1103     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1104       \begin{example}
1105       \label{code:lambdaexpression}
1106       \end{example}
1107     \end{minipage}
1108
1109     Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
1110     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
1111     functions as arguments. This allows the circuit designer to use a 
1112     powerful amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
1113     function: if a function-typed argument is not applied with an actual 
1114     function, no hardware can be generated.    
1115
1116     An example of a common circuit where higher-order functions and partial 
1117     application lead to a very concise and natural description is a crossbar.
1118     The code (\ref{code:crossbar}) for this example can be seen below:
1119     
1120     \hspace{-1.7em}
1121     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1122     \begin{code}
1123     crossbar inputs selects = map (mux inputs) selects
1124       where
1125         mux inp x = (inp ! x)
1126     \end{code}
1127     \end{minipage}
1128     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1129       \begin{example}
1130       \label{code:crossbar}
1131       \end{example}
1132     \end{minipage}
1133
1134     The crossbar is polymorphic in the width of the input (defined by the 
1135     length of \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of
1136     \hs{selects}), and the signal type (defined by the element type of 
1137     \hs{inputs}). The type-checker can also automatically infer that 
1138     \hs{selects} is a vector of \hs{Index} values due to the use of the vector
1139     indexing operator (\hs{!}).
1140
1141   \subsection{State}
1142     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
1143     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
1144     during a clock cycle. As \CLaSH\ has to be able to describe more than 
1145     simple combinational designs, there is a need for an abstraction mechanism 
1146     for state.
1147
1148     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
1149     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
1150     conditions:
1151     \begin{inparaenum}
1152       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
1153       both cases, and
1154       \item that the function has no observable side-effects.
1155     \end{inparaenum}
1156     % This purity property is important for functional languages, since it 
1157     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
1158     % correct for impure functions. 
1159     Pure functions are as such a perfect match for combinational circuits, 
1160     where the output solely depends on the inputs. When a circuit has state 
1161     however, it can no longer be simply described by a pure function. 
1162     % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
1163     % language would then lose many of it mathematical properties. 
1164     In \CLaSH\ deals with the concept of state in pure functions by making 
1165     the current state an additional argument of the function, and the 
1166     updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
1167     \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
1168     
1169     A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
1170     multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
1171     \Cref{img:mac-state}:
1172     
1173     \hspace{-1.7em}
1174     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1175     \begin{code}
1176     macS (State c) a b = (State c', c')
1177       where
1178         c' = mac a b c
1179     \end{code}
1180     \end{minipage}
1181     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1182       \begin{example}
1183       \label{code:macstate}
1184       \end{example}
1185     \end{minipage}
1186     
1187     Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
1188     of the output port. The \hs{State} wrapper indicates which arguments are 
1189     part of the current state, and what part of the output is part of the 
1190     updated state. This aspect will also be reflected in the type signature of 
1191     the function. Abstracting the state of a circuit in this way makes it very 
1192     explicit: which variables are part of the state is completely determined 
1193     by the type signature. This approach to state is well suited to be used in 
1194     combination with the existing code and language features, such as all the 
1195     choice elements, as state values are just normal values. Stateful   
1196     descriptions are simulated using the recursive \hs{run} function:
1197     
1198     \hspace{-1.7em}
1199     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1200     \begin{code}
1201     run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
1202       where
1203         (s', o) = f s i
1204     \end{code}
1205     \end{minipage}
1206     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1207       \begin{example}
1208       \label{code:run}
1209       \end{example}
1210     \end{minipage}
1211     
1212     The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
1213     left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
1214     remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
1215     developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
1216     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
1217     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
1218     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
1219     inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
1220     it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
1221     order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
1222     with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
1223     described earlier.
1224
1225     \begin{figure}
1226     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
1227     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
1228     \label{img:mac-state}
1229     \vspace{-1.5em}
1230     \end{figure}
1231     
1232     As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
1233     inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
1234     an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
1235     Haskell interpreter. Both simulation paths require less effort from a 
1236     circuit designer than first translating the description to \VHDL\ and then 
1237     running a \VHDL\ simulation; it is also very likely that both simulation 
1238     paths are much faster.
1239     
1240 \section{The \CLaSH\ compiler}
1241 An important aspect in this research is the creation of the prototype 
1242 compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
1243 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
1244 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
1245
1246 The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
1247 compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
1248 availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
1249 tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
1250 checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
1251 front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
1252 \Cref{img:compilerpipeline}.
1253
1254 \begin{figure}
1255 \vspace{1em}
1256 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
1257 \caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
1258 \label{img:compilerpipeline}
1259 \vspace{-1.5em}
1260 \end{figure}
1261
1262 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
1263 Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
1264 typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
1265 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
1266 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
1267 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
1268 to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
1269 have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
1270 \emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
1271 \emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
1272 this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
1273 includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
1274 calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
1275 $\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
1276 responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
1277 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
1278
1279 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
1280 \emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
1281 normalized description and a set of concurrent signal assignments. The 
1282 end-product of the \CLaSH\ compiler is called a \VHDL\ \emph{netlist} as the 
1283 result resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ 
1284 is only an implementation detail; the output could for example also be in 
1285 Verilog.
1286
1287 \section{Use cases}
1288 \label{sec:usecases}
1289 \subsection{FIR Filter}
1290 As an example of a common hardware design where the relation between functional languages and mathematical functions, combined with the use of higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter:
1291
1292 \begin{equation}
1293 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
1294 \end{equation}
1295
1296 A \acro{FIR} filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
1297 and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
1298 are summed, to produce the result at time $t$. The equation of a \acro{FIR} 
1299 filter is equivalent to the equation of the dot-product, which is shown below:
1300
1301 \begin{equation}
1302 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
1303 \end{equation}
1304
1305 The equation for the dot-product is easily and directly implemented using 
1306 higher-order functions:
1307
1308 \hspace{-1.7em}
1309 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1310 \begin{code}
1311 as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
1312 \end{code}
1313 \end{minipage}
1314 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1315   \begin{example}
1316   \label{code:dotproduct}
1317   \end{example}
1318 \end{minipage}
1319
1320 The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function seen 
1321 earlier: It takes a function, two vectors, and then applies the function to 
1322 each of the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) 
1323 [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
1324
1325 The \hs{fold} function takes a binary function, a single vector, and applies 
1326 the function to the first two elements of the vector. It then applies the
1327 function to the result of the first application and the next element in the 
1328 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
1329 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
1330 that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
1331 \hs{fold (+)} function is summation.
1332 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
1333 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
1334 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
1335 % and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
1336 % received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
1337 % sample, and $x_i$ stores the $ith$ previous sample. This changes the equation 
1338 % to the following (note that this is completely equivalent to the original 
1339 % equation, just with a different definition of $x$ that will better suit the 
1340 % transformation to code):
1341
1342 % \begin{equation}
1343 % y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
1344 % \end{equation}
1345 The complete definition of the \acro{FIR} filter in \CLaSH\ is:
1346
1347 \hspace{-1.7em}
1348 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1349 \begin{code}
1350 fir (State (xs,hs)) x = 
1351   (State (shiftInto x xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
1352 \end{code}
1353 \end{minipage}
1354 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1355   \begin{example}
1356   \label{code:fir}
1357   \end{example}
1358 \end{minipage}
1359
1360 Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
1361 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
1362 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
1363 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
1364 code for the \hs{shiftInto} function, that adds the new input sample (\hs{x}) 
1365 to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
1366 is shown below:
1367
1368 \hspace{-1.7em}
1369 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1370 \begin{code}
1371 shiftInto x xs = x +> init xs  
1372 \end{code}
1373 \end{minipage}
1374 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1375   \begin{example}
1376   \label{code:shiftinto}
1377   \end{example}
1378 \end{minipage}
1379
1380 Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
1381 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
1382 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
1383 \Cref{img:4tapfir}.
1384
1385 \begin{figure}
1386 \centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
1387 \caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
1388 \label{img:4tapfir}
1389 \vspace{-1.5em}
1390 \end{figure}
1391
1392 \subsection{Higher-order CPU}
1393 The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher-order
1394 functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
1395 units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
1396 common operations. 
1397
1398 The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
1399 horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
1400 previous output of every function unit, along with the single data input of 
1401 the \acro{CPU} and two fixed initialization values.
1402
1403 Each of the function units has both its operands connected to all data
1404 sources, and can be programmed to select any data source for either
1405 operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
1406 opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
1407 rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
1408
1409 The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual operation that takes place inside the function unit is supplied as the (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
1410
1411 \hspace{-1.7em}
1412 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1413 \begin{code}
1414 fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
1415   where
1416     in1     = inputs!addr1
1417     in2     = inputs!addr2
1418     regIn   = op in1 in2
1419 \end{code}
1420 \end{minipage}
1421 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1422   \begin{example}
1423   \label{code:functionunit}
1424   \end{example}
1425 \end{minipage}
1426
1427 The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
1428 the bitwise xor of its operands.
1429
1430 \hspace{-1.7em}
1431 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1432 \begin{code}
1433 data Opcode = Shift | Xor | Equal
1434
1435 multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
1436 multiop Shift   a b                 = shift a b
1437 multiop Xor     a b                 = xor a b
1438 multiop Equal   a b   | a == b      = 1
1439                       | otherwise   = 0
1440 \end{code}
1441 \end{minipage}
1442 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1443   \begin{example}
1444   \label{code:multiop}
1445   \end{example}
1446 \end{minipage}
1447
1448 The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
1449 the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
1450 function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
1451 just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
1452 This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
1453 compared to the others.
1454
1455 The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
1456 each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
1457 a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
1458 their operand. 
1459 % The application of the function units to the \hs{inputs} and
1460 % \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
1461 % a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
1462 % However, the prototype compiler does not currently support working with 
1463 % lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
1464
1465 \hspace{-1.7em}
1466 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
1467 \begin{code}
1468 type CpuState = State [Word | 4]
1469
1470 cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
1471        -> Opcode -> (CpuState, Word)
1472 cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
1473   where
1474     s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
1475               , fu add            inputs (addrs!1)
1476               , fu sub            inputs (addrs!2)
1477               , fu mul            inputs (addrs!3)
1478               ]
1479     inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
1480     out       =   last s
1481 \end{code}
1482 \end{minipage}
1483 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
1484   \begin{example}
1485   \label{code:cpu}
1486   \end{example}
1487 \end{minipage}
1488
1489 While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
1490 design, in which the same techniques can be reused.
1491
1492 \section{Related work}
1493 This section describes the features of existing (functional) hardware 
1494 description languages and highlights the advantages that this research has 
1495 over existing work.
1496
1497 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
1498 % years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
1499 % extension of Backus' \acro{FP} language to synchronous streams, designed 
1500 % particularly for describing and reasoning about regular circuits. The 
1501 % Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe 
1502 % circuits, and has a particular focus on layout. 
1503
1504 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
1505 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
1506 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
1507 so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and that the 
1508 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
1509 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
1510 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
1511 correctly translate all of the language constructs mentioned in this paper.
1512
1513 \begin{figure}
1514 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
1515 \caption{CPU with higher-order Function Units}
1516 \label{img:highordcpu}
1517 \vspace{-1.5em}
1518 \end{figure}
1519
1520 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
1521 description languages have some sort of foundation in the functional 
1522 programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling 
1523 language embedded in Haskell and has sequential environments that make it 
1524 easier to specify stateful computation. Hawk specifications can be simulated; 
1525 to the best knowledge of the authors there is however no support for automated 
1526 circuit synthesis. 
1527
1528 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
1529 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
1530 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
1531 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
1532 electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
1533 several backends including simulation and automated synthesis, though 
1534 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
1535 Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
1536 choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
1537 explicit conversions, where function have to be wrapped in processes and 
1538 processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
1539 instantiations of components, also makes ForSyDe more verbose than \CLaSH.
1540
1541 Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a hardware description language, embedded in 
1542 Haskell, and focuses on the structural representation of hardware. Like 
1543 \CLaSH, Lava has support for polymorphic types and higher-order functions. 
1544 Besides support for simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be 
1545 interfaced with formal method tools for formal verification. As discussed in 
1546 the introduction, taking the embedded language approach does not allow for 
1547 Haskell's choice elements to be captured within the circuit descriptions. In 
1548 this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice 
1549 elements, such as \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized 
1550 to choice elements in the eventual circuit. Consequently, descriptions 
1551 containing rich control structures can be specified in a more user-friendly 
1552 way in \CLaSH\ than possible within Lava, and are hence less error-prone.
1553
1554 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
1555 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
1556 structures based on these atomic transactions. Bluespec, like \CLaSH, supports 
1557 polymorphic typing and function-valued arguments. Bluespec's syntax and 
1558 language features \emph{had} their basis in Haskell. However, in order to 
1559 appeal to the users of the traditional \acrop{HDL}, Bluespec has adapted 
1560 imperative features and a syntax that resembles Verilog. As a result, Bluespec 
1561 is (unnecessarily) verbose when compared to \CLaSH.
1562
1563 The merits of polymorphic typing and function-valued arguments are now also 
1564 recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008 
1565 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
1566 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
1567 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
1568 subprograms still require an explicit generic map, whereas types can be 
1569 automatically inferred, and function-values can be automatically propagated 
1570 by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally available) \VHDL\ 
1571 synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
1572
1573 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
1574
1575 % A functional language designed specifically for hardware design is 
1576 % $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier 
1577 % language called \acro{FL}~\cite{FL} to la
1578
1579 % An example of a floating figure using the graphicx package.
1580 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
1581 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
1582 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
1583 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
1584 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
1585 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
1586 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
1587 %
1588 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
1589 % option should be used if it is desired that the figures are to be
1590 % displayed while in draft mode.
1591 %
1592 %\begin{figure}[!t]
1593 %\centering
1594 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
1595 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
1596 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
1597 % via \DeclareGraphicsExtensions.
1598 %\caption{Simulation Results}
1599 %\label{fig_sim}
1600 %\end{figure}
1601
1602 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
1603 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
1604
1605
1606 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
1607 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
1608 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
1609 % \label for the overall figure must come after \caption.
1610 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
1611 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
1612 % used instead of \subfloat.
1613 %
1614 %\begin{figure*}[!t]
1615 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
1616 %\label{fig_first_case}}
1617 %\hfil
1618 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
1619 %\label{fig_second_case}}}
1620 %\caption{Simulation results}
1621 %\label{fig_sim}
1622 %\end{figure*}
1623 %
1624 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1625 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
1626 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1627
1628
1629 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
1630 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
1631 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
1632 % The \label must come after \caption as always.
1633 %
1634 %\begin{table}[!t]
1635 %% increase table row spacing, adjust to taste
1636 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1637 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1638 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1639 %\caption{An Example of a Table}
1640 %\label{table_example}
1641 %\centering
1642 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1643 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1644 %\begin{tabular}{|c||c|}
1645 %\hline
1646 %One & Two\\
1647 %\hline
1648 %Three & Four\\
1649 %\hline
1650 %\end{tabular}
1651 %\end{table}
1652
1653
1654 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
1655 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
1656 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
1657 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1658 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
1659 % command of the stfloats package.
1660
1661
1662
1663 \section{Conclusion}
1664 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
1665 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
1666 for component instantiation. While circuit descriptions made in \CLaSH\ are 
1667 very concise when compared to other (traditional) \acrop{HDL}, their intended 
1668 functionality remains clear. Where \CLaSH\ goes beyond the existing 
1669 (functional) hardware descriptions languages is the inclusion of advanced 
1670 choice elements, such as pattern matching and guards, that are well suited to 
1671 describe the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides 
1672 being able to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, the 
1673 prototype compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
1674 polymorphic types and user-defined higher-order functions.
1675
1676 % Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
1677 % embed themselves in an existing functional language, this research features 
1678 % a `true' compiler. As a result there is a clear distinction between 
1679 % compile-time and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be 
1680 % part of the actual circuit description; a feature the embedded hardware 
1681 % description languages do not offer.
1682
1683 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
1684 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
1685 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
1686 streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point 
1687 numbers.
1688
1689 \section{Future Work}
1690 The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
1691 be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
1692 usually very clear, one finds that distributing and collecting substate can 
1693 become tedious and even error-prone. Removing the required boilerplate for 
1694 distribution and collection, or finding a more suitable abstraction mechanism 
1695 for state would make \CLaSH\ easier to use.
1696
1697 The transformations in normalization phase of the prototype compiler are 
1698 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
1699 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
1700 transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
1701 process always terminates. Though extensive use of the compiler suggests that 
1702 these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
1703 systematic approach to defining the set of transformations allows one to proof 
1704 that the earlier mentioned properties do indeed exist.
1705
1706 % conference papers do not normally have an appendix
1707
1708
1709 % use section* for acknowledgement
1710 % \section*{Acknowledgment}
1711
1712 % The authors would like to thank...
1713
1714 % trigger a \newpage just before the given reference
1715 % number - used to balance the columns on the last page
1716 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1717 % the document is modified later
1718 % \IEEEtriggeratref{14}
1719 % The "triggered" command can be changed if desired:
1720 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1721
1722 % references section
1723
1724 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1725 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1726 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1727 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1728 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1729 \bibliographystyle{IEEEtran}
1730 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1731 \bibliography{clash}
1732 %
1733 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1734 % set second argument of \begin to the number of references
1735 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1736 % \begin{thebibliography}{1}
1737
1738 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
1739 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1740 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1741
1742 % \end{thebibliography}
1743
1744
1745
1746
1747 % that's all folks
1748 \end{document}
1749
1750 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: