9d4fb22e8c05715952ca6d5c04d65761b0e3d194
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.tex
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\VHDL{\textsc{vhdl}}
347 \def\GHC{\textsc{ghc}}
348 \def\CLaSH{\textsc{C$\lambda$aSH}}
349
350 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
351 % we'll get something more complex later on.
352 \def\hs#1{\texttt{#1}}
353 \def\quote#1{``{#1}"}
354
355 \begin{document}
356 %
357 % paper title
358 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
359 \title{\CLaSH: Structural Descriptions \\ of Synchronous Hardware using Haskell}
360
361
362 % author names and affiliations
363 % use a multiple column layout for up to three different
364 % affiliations
365 \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
366 \IEEEauthorblockA{University of Twente, Department of EEMCS\\
367 P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
368 c.p.r.baaij@utwente.nl, matthijs@stdin.nl}}
369 % \and
370 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
371 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
372 % Springfield, USA\\
373 % Email: homer@thesimpsons.com}
374 % \and
375 % \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
376 % \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
377 % San Francisco, California 96678-2391\\
378 % Telephone: (800) 555--1212\\
379 % Fax: (888) 555--1212}}
380
381 % conference papers do not typically use \thanks and this command
382 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
383 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
384 % after \documentclass
385
386 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
387 % of the page, use this alternative format:
388
389 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
390 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
391 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
392 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
393 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
394 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
395 %Georgia Institute of Technology,
396 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
397 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
398 %Email: homer@thesimpsons.com}
399 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
400 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
401 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
402
403
404
405
406 % use for special paper notices
407 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
408
409
410
411
412 % make the title area
413 \maketitle
414
415
416 \begin{abstract}
417 %\boldmath
418 The abstract goes here.
419 \end{abstract}
420 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
421 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
422 % if the conference you are submitting to favors bold math in the abstract,
423 % then you can use LaTeX's standard command \boldmath at the very start
424 % of the abstract to achieve this. Many IEEE journals/conferences frown on
425 % math in the abstract anyway.
426
427 % no keywords
428
429
430
431
432 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
433 % page as needed:
434 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
435 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
436 % \fi
437 %
438 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
439 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
440 \IEEEpeerreviewmaketitle
441
442
443 \section{Introduction}
444 Hardware description languages has allowed the productivity of hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard Hardware description languages, like \VHDL\ and Verilog, allowed an engineer to describe circuits using a programming language. These standard languages are very good at describing detailed hardware properties such as timing behavior, but are generally cumbersome in expressing higher-level abstractions. These languages also tend to have a complex syntax and a lack of formal semantics. To overcome these complexities, and raise the abstraction level, a great number of approaches based on functional languages has been proposed \cite{T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using functional languages started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL}, a time which also saw the birth of the currently popular hardware description languages such as \VHDL.
445
446 What gives functional languages as hardware description languages their merits is the fact that basic combinatorial circuits are equivalent to mathematical function, and that functional languages lend themselves very well to describe and compose these mathematical functions.
447 \section{Hardware description in Haskell}
448
449   \subsection{Function application}
450     The basic syntactic elements of a functional program are functions
451     and function application. These have a single obvious \VHDL\
452     translation: each top level function becomes a hardware component,
453     where each argument is an input port and the result value is the
454     (single) output port. This output port can have a complex type (such
455     as a tuple), so having just a single output port does not create a
456     limitation.
457
458     Each function application in turn becomes component instantiation.
459     Here, the result of each argument expression is assigned to a
460     signal, which is mapped to the corresponding input port. The output
461     port of the function is also mapped to a signal, which is used as
462     the result of the application itself.
463
464     Since every top level function generates its own component, the
465     hierarchy of of function calls is reflected in the final \VHDL\
466     output as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the
467     hardware.  This separation in different components makes the
468     resulting \VHDL\ output easier to read and debug.
469
470     Example that defines the \texttt{mac} function by applying the
471     \texttt{add} and \texttt{mul} functions to calculate $a * b + c$:
472
473 \begin{verbatim}
474 mac a b c = add (mul a b) c
475 \end{verbatim}
476
477     TODO: Pretty picture
478
479   \subsection{Choices }
480     Although describing components and connections allows describing a
481     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
482     choice. We need some way to be able to choose between values based
483     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
484     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
485
486     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
487     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
488     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
489     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
490     conditions use equality comparisons against the constructors in the
491     \hs{case} expressions.
492
493     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
494     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
495     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
496     pattern, the corresponding clause will be used.
497
498     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
499     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
500     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
501     guard.
502
503     Contrived example that sums two values when they are equal or
504     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
505     otherwise. This shows three implementations, one using and if
506     expression, one using only case expressions and one using pattern
507     matching and guards.
508
509 \begin{verbatim}
510 sumif pred a b = if pred == Eq && a == b || pred == Neq && a != b
511                  then a + b
512                  else 0
513 \end{verbatim}
514
515 \begin{verbatim}
516 sumif pred a b = case pred of
517   Eq -> case a == b of
518     True -> a + b
519     False -> 0
520   Neq -> case a != b of
521     True -> a + b
522     False -> 0
523 \end{verbatim}
524
525 \begin{verbatim}
526 sumif Eq a b | a == b = a + b
527 sumif Neq a b | a != b = a + b
528 sumif _ _ _ = 0
529 \end{verbatim}
530
531   TODO: Pretty picture
532
533   \subsection{Types}
534     Translation of two most basic functional concepts has been
535     discussed: function application and choice. Before looking further
536     into less obvious concepts like higher-order expressions and
537     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
538     descriptions will be discussed.
539
540     Some way is needed to translate every values used to its hardware
541     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
542     every \emph{type} used in a hardware description is needed
543
544     Since most functional languages have a lot of standard types that
545     are hard to translate (integers without a fixed size, lists without
546     a static length, etc.), a number of \quote{built-in} types will be
547     defined first. These types are built-in in the sense that our
548     compiler will have a fixed VHDL type for these. User defined types,
549     on the other hand, will have their hardware type derived directly
550     from their Haskell declaration automatically, according to the rules
551     sketched here.
552
553   \subsection{Built-in types}
554     The language currently supports the following built-in types. Of these,
555     only the \hs{Bool} type is supported by Haskell out of the box (the
556     others are defined by the \CLaSH\ package, so they are user-defined types
557     from Haskell's point of view).
558
559     \begin{description}
560       \item[\hs{Bit}]
561         This is the most basic type available. It is mapped directly onto
562         the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. Mapping this to the
563         \texttt{bit} type might make more sense (since the Haskell version
564         only has two values), but using \texttt{std\_logic} is more standard
565         (and allowed for some experimentation with don't care values)
566
567       \item[\hs{Bool}]
568         This is the only built-in Haskell type supported and is translated
569         exactly like the Bit type (where a value of \hs{True} corresponds to a
570         value of \hs{High}). Supporting the Bool type is particularly
571         useful to support \hs{if ... then ... else ...} expressions, which
572         always have a \hs{Bool} value for the condition.
573
574         A \hs{Bool} is translated to a \texttt{std\_logic}, just like \hs{Bit}.
575       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
576         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
577         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
578         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
579         ollows:
580
581         \begin{verbatim}
582           type Word32 = SizedWord D32
583         \end{verbatim}
584
585         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
586         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
587         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
588         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word.
589
590         These types are translated to the \small{VHDL} \texttt{unsigned} and
591         \texttt{signed} respectively.
592       \item[\hs{Vector}]
593         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
594         has a fixed length. It has two type parameters: its
595         length and the type of the elements contained in it. By putting the
596         length parameter in the type, the length of a vector can be determined
597         at compile time, instead of only at run-time for conventional lists.
598
599         The \hs{Vector} type constructor takes two type arguments: the length
600         of the vector and the type of the elements contained in it. The state
601         type of an 8 element register bank would then for example be:
602
603         \begin{verbatim}
604         type RegisterState = Vector D8 Word32
605         \end{verbatim}
606
607         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
608         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The type
609         level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} (The 32
610         bit word type as defined above). In other words, the
611         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words.
612
613         A fixed size vector is translated to a \VHDL\ array type.
614       \item[\hs{RangedWord}]
615         This is another type to describe integers, but unlike the previous
616         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
617         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
618         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
619         implicitly zero. There is a lot of added implementation complexity
620         when adding a lower bound and having just an upper bound was enough
621         for the primary purpose of this type: type-safely indexing vectors.
622
623         To define an index for the 8 element vector above, we would do:
624
625         \begin{verbatim}
626         type RegisterIndex = RangedWord D7
627         \end{verbatim}
628
629         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
630         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
631         other words, this defines an unsigned word with values from
632         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
633         8 element vector \hs{RegisterState} above.
634
635         This type is translated to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
636     \end{description}
637   \subsection{User-defined types}
638     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
639     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
640     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
641     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
642     existential typing, \small{GADT}s, etc.) which are not standard
643     Haskell.  These will be left outside the scope of this research.
644
645     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
646     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
647     below. Type synonyms and renamings only define new names for
648     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
649     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
650     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
651     just use the same representation as the original type. The
652     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
653     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
654
655     For algebraic types, we can make the following distinction: 
656
657     \begin{description}
658
659       \item[Product types]
660         A product type is an algebraic datatype with a single constructor with
661         two or more fields, denoted in practice like (a,b), (a,b,c), etc. This
662         is essentially a way to pack a few values together in a record-like
663         structure. In fact, the built-in tuple types are just algebraic product
664         types (and are thus supported in exactly the same way).
665
666         The ``product'' in its name refers to the collection of values belonging
667         to this type. The collection for a product type is the Cartesian
668         product of the collections for the types of its fields.
669
670         These types are translated to \VHDL\ record types, with one field for
671         every field in the constructor. This translation applies to all single
672         constructor algebraic data-types, including those with just one
673         field (which are technically not a product, but generate a VHDL
674         record for implementation simplicity).
675       \item[Enumerated types]
676         An enumerated type is an algebraic datatype with multiple constructors, but
677         none of them have fields. This is essentially a way to get an
678         enumeration-like type containing alternatives.
679
680         Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an
681         enumeration type, but we have a fixed translation for that.
682
683         These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one value for
684         each constructor. This allows references to these constructors to be
685         translated to the corresponding enumeration value.
686       \item[Sum types]
687         A sum type is an algebraic datatype with multiple constructors, where
688         the constructors have one or more fields. Technically, a type with
689         more than one field per constructor is a sum of products type, but
690         for our purposes this distinction does not really make a
691         difference, so this distinction is note made.
692
693         The ``sum'' in its name refers again to the collection of values
694         belonging to this type. The collection for a sum type is the
695         union of the the collections for each of the constructors.
696
697         Sum types are currently not supported by the prototype, since there is
698         no obvious \VHDL\ alternative. They can easily be emulated, however, as
699         we will see from an example:
700
701         \begin{verbatim}
702         data Sum = A Bit Word | B Word
703         \end{verbatim}
704
705         An obvious way to translate this would be to create an enumeration to
706         distinguish the constructors and then create a big record that
707         contains all the fields of all the constructors. This is the same
708         translation that would result from the following enumeration and
709         product type (using a tuple for clarity):
710
711         \begin{verbatim}
712         data SumC = A | B
713         type Sum = (SumC, Bit, Word, Word)
714         \end{verbatim}
715
716         Here, the \hs{SumC} type effectively signals which of the latter three
717         fields of the \hs{Sum} type are valid (the first two if \hs{A}, the
718         last one if \hs{B}), all the other ones have no useful value.
719
720         An obvious problem with this naive approach is the space usage: the
721         example above generates a fairly big \VHDL\ type. Since we can be
722         sure that the two \hs{Word}s in the \hs{Sum} type will never be valid
723         at the same time, this is a waste of space.
724
725         Obviously, duplication detection could be used to reuse a
726         particular field for another constructor, but this would only
727         partially solve the problem. If two fields would be, for
728         example, an array of 8 bits and an 8 bit unsigned word, these are
729         different types and could not be shared. However, in the final
730         hardware, both of these types would simply be 8 bit connections,
731         so we have a 100\% size increase by not sharing these.
732       \end{description}
733
734
735 \section{\CLaSH\ prototype}
736
737 foo\par bar
738
739 \section{Related work}
740 Many functional hardware description languages have been developed over the years. Early work includes such languages as \textsc{$\mu$fp}~\cite{muFP}, an extension of Backus' \textsc{fp} language to synchronous streams, designed particularly for describing and reasoning about regular circuits. The Ruby~\cite{Ruby} language uses relations, instead of functions, to describe circuits, and has a particular focus on layout. \textsc{hml}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict functional language \textsc{ml}, and has support for polymorphic types and higher-order functions. Published work suggests that there is no direct simulation support for \textsc{hml}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
741
742 Like this work, many functional hardware description languages have some sort of foundation in the functional programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} uses Haskell to describe system-level executable specifications used to model the behavior of superscalar microprocessors. Hawk specifications can be simulated, but there seems to be no support for automated circuit synthesis. The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system models, which can (manually) be transformed into an implementation model using semantic preserving transformations. ForSyDe has several simulation and synthesis backends, though synthesis is restricted to the synchronous subset of the ForSyDe language.
743
744 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the structural representation of hardware. Besides support for simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with formal method tools for formal verification. Lava descriptions are actually circuit generators when viewed from a synthesis viewpoint, in that the language elements of Haskell, such as choice, can be used to guide the circuit generation. If a developer wants to insert a choice element inside an actual circuit he will have to specify this explicitly as a component. In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, such as case-statements and patter matching, are synthesized to choice elements in the eventual circuit. As such, richer control structures can both be specified and synthesized in \CLaSH\ compared to any of the languages mentioned in this section.
745
746 The merits of polymorphic typing, combined with higher-order functions, are now also recognized in the `main-stream' hardware description languages, exemplified by the new \VHDL\ 2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 has support to specify types as generics, thus allowing a developer to describe polymorphic components. Note that those types still require an explicit generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in \CLaSH.
747
748 Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
749
750 A functional language designed specifically for hardware design is $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier language called \textsc{fl}~\cite{FL} to la
751
752 % An example of a floating figure using the graphicx package.
753 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
754 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
755 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
756 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
757 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
758 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
759 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
760 %
761 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
762 % option should be used if it is desired that the figures are to be
763 % displayed while in draft mode.
764 %
765 %\begin{figure}[!t]
766 %\centering
767 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
768 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
769 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
770 % via \DeclareGraphicsExtensions.
771 %\caption{Simulation Results}
772 %\label{fig_sim}
773 %\end{figure}
774
775 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
776 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
777
778
779 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
780 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
781 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
782 % \label for the overall figure must come after \caption.
783 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
784 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
785 % used instead of \subfloat.
786 %
787 %\begin{figure*}[!t]
788 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
789 %\label{fig_first_case}}
790 %\hfil
791 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
792 %\label{fig_second_case}}}
793 %\caption{Simulation results}
794 %\label{fig_sim}
795 %\end{figure*}
796 %
797 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
798 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
799 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
800
801
802 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
803 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
804 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
805 % The \label must come after \caption as always.
806 %
807 %\begin{table}[!t]
808 %% increase table row spacing, adjust to taste
809 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
810 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
811 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
812 %\caption{An Example of a Table}
813 %\label{table_example}
814 %\centering
815 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
816 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
817 %\begin{tabular}{|c||c|}
818 %\hline
819 %One & Two\\
820 %\hline
821 %Three & Four\\
822 %\hline
823 %\end{tabular}
824 %\end{table}
825
826
827 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
828 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
829 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
830 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
831 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
832 % command of the stfloats package.
833
834
835
836 \section{Conclusion}
837 The conclusion goes here.
838
839
840
841
842 % conference papers do not normally have an appendix
843
844
845 % use section* for acknowledgement
846 \section*{Acknowledgment}
847
848
849 The authors would like to thank...
850
851
852
853
854
855 % trigger a \newpage just before the given reference
856 % number - used to balance the columns on the last page
857 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
858 % the document is modified later
859 %\IEEEtriggeratref{8}
860 % The "triggered" command can be changed if desired:
861 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
862
863 % references section
864
865 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
866 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
867 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
868 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
869 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
870 \bibliographystyle{IEEEtran}
871 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
872 \bibliography{IEEEabrv,cλash.bib}
873 %
874 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
875 % set second argument of \begin to the number of references
876 % (used to reserve space for the reference number labels box)
877 % \begin{thebibliography}{1}
878
879 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
880 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
881 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
882
883 % \end{thebibliography}
884
885
886
887
888 % that's all folks
889 \end{document}
890
891 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: