Improve the sections on application and choice a bit.
[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]{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
342 % correct bad hyphenation here
343 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
344
345 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
346 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
347 \def\VHDL{\textsc{VHDL}}
348 \def\GHC{\textsc{GHC}}
349 \def\CLaSH{C$\lambda$aSH}
350
351 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
352 % we'll get something more complex later on.
353 \def\hs#1{\texttt{#1}}
354
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 have 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 \section{Hardware description in Haskell}
447
448   \subsection{Function application}
449     The basic syntactic elements of a functional program are functions
450     and function application. These have a single obvious \VHDL\
451     translation: each top level function becomes a hardware component,
452     where each argument is an input port and the result value is the
453     (single) output port. This output port can have a complex type (such
454     as a tuple), so having just a single output port does not create a
455     limitation.
456
457     Each function application in turn becomes component instantiation.
458     Here, the result of each argument expression is assigned to a
459     signal, which is mapped to the corresponding input port. The output
460     port of the function is also mapped to a signal, which is used as
461     the result of the application itself.
462
463     Since every top level function generates its own component, the
464     hierarchy of of function calls is reflected in the final \VHDL\
465     output as well, creating a hierarchical \VHDL\ description of the
466     hardware.  This separation in different components makes the
467     resulting \VHDL\ output easier to read and debug.
468
469     Example that defines the \texttt{mac} function by applying the
470     \texttt{add} and \texttt{mul} functions to calculate $a * b + c$:
471
472 \begin{verbatim}
473 mac a b c = add (mul a b) c
474 \end{verbatim}
475
476     TODO: Pretty picture
477
478   \subsection{Choices }
479     Although describing components and connections allows describing a
480     lot of hardware designs already, there is an obvious thing missing:
481     choice. We need some way to be able to choose between values based
482     on another value.  In Haskell, choice is achieved by \hs{case}
483     expressions, \hs{if} expressions, pattern matching and guards.
484
485     The easiest of these are of course case expressions (and \hs{if}
486     expressions, which can be very directly translated to \hs{case}
487     expressions). A \hs{case} expression can in turn simply be
488     translated to a conditional assignment in \VHDL, where the
489     conditions use equality comparisons against the constructors in the
490     \hs{case} expressions.
491
492     A slightly more complex (but very powerful) form of choice is
493     pattern matching. A function can be defined in multiple clauses,
494     where each clause specifies a pattern. When the arguments match the
495     pattern, the corresponding clause will be used.
496
497     A pattern match (with optional guards) can also be implemented using
498     conditional assignments in \VHDL, where the condition is the logical
499     and of comparison results of each part of the pattern as well as the
500     guard.
501
502     Contrived example that sums two values when they are equal or
503     non-equal (depending on the predicate given) and returns 0
504     otherwise. This shows three implementations, one using and if
505     expression, one using only case expressions and one using pattern
506     matching and guards.
507
508 \begin{verbatim}
509 sumif pred a b = if pred == Eq && a == b || pred == Neq && a != b
510                  then a + b
511                  else 0
512 \end{verbatim}
513
514 \begin{verbatim}
515 sumif pred a b = case pred of
516   Eq -> case a == b of
517     True -> a + b
518     False -> 0
519   Neq -> case a != b of
520     True -> a + b
521     False -> 0
522 \end{verbatim}
523
524 \begin{verbatim}
525 sumif Eq a b | a == b = a + b
526 sumif Neq a b | a != b = a + b
527 sumif _ _ _ = 0
528 \end{verbatim}
529
530   TODO: Pretty picture
531
532   \subsection{Types}
533     Translation of two most basic functional concepts has been
534     discussed: function application and choice. Before looking further
535     into less obvious concepts like higher-order expressions and
536     polymorphism, the possible types that can be used in hardware
537     descriptions will be discussed.
538
539     Some way is needed to translate every values used to its hardware
540     equivalents. In particular, this means a hardware equivalent for
541     every \emph{type} used in a hardware description is needed
542
543     Since most functional languages have a lot of standard types that
544     are hard to translate (integers without a fixed size, lists without
545     a static length, etc.), a number of \quote{built-in} types will be
546     defined first. These types are built-in in the sense that our
547     compiler will have a fixed VHDL type for these. User defined types,
548     on the other hand, will have their hardware type derived directly
549     from their Haskell declaration automatically, according to the rules
550     sketched here.
551
552   \subsection{Built-in types}
553     The language currently supports the following built-in types. Of these,
554     only the \hs{Bool} type is supported by Haskell out of the box (the
555     others are defined by the \CLaSH\ package, so they are user-defined types
556     from Haskell's point of view).
557
558     \begin{description}
559       \item[\hs{Bit}]
560         This is the most basic type available. It is mapped directly onto
561         the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. Mapping this to the
562         \texttt{bit} type might make more sense (since the Haskell version
563         only has two values), but using \texttt{std\_logic} is more standard
564         (and allowed for some experimentation with don't care values)
565
566       \item[\hs{Bool}]
567         This is the only built-in Haskell type supported and is translated
568         exactly like the Bit type (where a value of \hs{True} corresponds to a
569         value of \hs{High}). Supporting the Bool type is particularly
570         useful to support \hs{if ... then ... else ...} expressions, which
571         always have a \hs{Bool} value for the condition.
572
573         A \hs{Bool} is translated to a \texttt{std\_logic}, just like \hs{Bit}.
574       \item[\hs{SizedWord}, \hs{SizedInt}]
575         These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
576         while a \hs{SizedInt} is signed. These types are parametrized by a
577         length type, so you can define an unsigned word of 32 bits wide as
578         ollows:
579
580         \begin{verbatim}
581           type Word32 = SizedWord D32
582         \end{verbatim}
583
584         Here, a type synonym \hs{Word32} is defined that is equal to the
585         \hs{SizedWord} type constructor applied to the type \hs{D32}. \hs{D32}
586         is the \emph{type level representation} of the decimal number 32,
587         making the \hs{Word32} type a 32-bit unsigned word.
588
589         These types are translated to the \small{VHDL} \texttt{unsigned} and
590         \texttt{signed} respectively.
591       \item[\hs{Vector}]
592         This is a vector type, that can contain elements of any other type and
593         has a fixed length. It has two type parameters: its
594         length and the type of the elements contained in it. By putting the
595         length parameter in the type, the length of a vector can be determined
596         at compile time, instead of only at run-time for conventional lists.
597
598         The \hs{Vector} type constructor takes two type arguments: the length
599         of the vector and the type of the elements contained in it. The state
600         type of an 8 element register bank would then for example be:
601
602         \begin{verbatim}
603         type RegisterState = Vector D8 Word32
604         \end{verbatim}
605
606         Here, a type synonym \hs{RegisterState} is defined that is equal to
607         the \hs{Vector} type constructor applied to the types \hs{D8} (The type
608         level representation of the decimal number 8) and \hs{Word32} (The 32
609         bit word type as defined above). In other words, the
610         \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words.
611
612         A fixed size vector is translated to a \VHDL\ array type.
613       \item[\hs{RangedWord}]
614         This is another type to describe integers, but unlike the previous
615         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
616         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
617         A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
618         implicitly zero. There is a lot of added implementation complexity
619         when adding a lower bound and having just an upper bound was enough
620         for the primary purpose of this type: type-safely indexing vectors.
621
622         To define an index for the 8 element vector above, we would do:
623
624         \begin{verbatim}
625         type RegisterIndex = RangedWord D7
626         \end{verbatim}
627
628         Here, a type synonym \hs{RegisterIndex} is defined that is equal to
629         the \hs{RangedWord} type constructor applied to the type \hs{D7}. In
630         other words, this defines an unsigned word with values from
631         0 to 7 (inclusive). This word can be be used to index the
632         8 element vector \hs{RegisterState} above.
633
634         This type is translated to the \texttt{unsigned} \VHDL type.
635     \end{description}
636   \subsection{User-defined types}
637     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
638     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
639     keyword and type renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
640     offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
641     existential typing, \small{GADT}s, etc.) which are not standard
642     Haskell.  These will be left outside the scope of this research.
643
644     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
645     completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
646     below. Type synonyms and renamings only define new names for
647     existing types (where synonyms are completely interchangeable and
648     renamings need explicit conversion). Therefore, these do not need
649     any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
650     just use the same representation as the original type. The
651     distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
652     in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL.
653
654     For algebraic types, we can make the following distinction: 
655
656     \begin{description}
657
658       \item[Product types]
659         A product type is an algebraic datatype with a single constructor with
660         two or more fields, denoted in practice like (a,b), (a,b,c), etc. This
661         is essentially a way to pack a few values together in a record-like
662         structure. In fact, the built-in tuple types are just algebraic product
663         types (and are thus supported in exactly the same way).
664
665         The ``product'' in its name refers to the collection of values belonging
666         to this type. The collection for a product type is the Cartesian
667         product of the collections for the types of its fields.
668
669         These types are translated to \VHDL\ record types, with one field for
670         every field in the constructor. This translation applies to all single
671         constructor algebraic data-types, including those with just one
672         field (which are technically not a product, but generate a VHDL
673         record for implementation simplicity).
674       \item[Enumerated types]
675         An enumerated type is an algebraic datatype with multiple constructors, but
676         none of them have fields. This is essentially a way to get an
677         enumeration-like type containing alternatives.
678
679         Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an
680         enumeration type, but we have a fixed translation for that.
681
682         These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one value for
683         each constructor. This allows references to these constructors to be
684         translated to the corresponding enumeration value.
685       \item[Sum types]
686         A sum type is an algebraic datatype with multiple constructors, where
687         the constructors have one or more fields. Technically, a type with
688         more than one field per constructor is a sum of products type, but
689         for our purposes this distinction does not really make a
690         difference, so this distinction is note made.
691
692         The ``sum'' in its name refers again to the collection of values
693         belonging to this type. The collection for a sum type is the
694         union of the the collections for each of the constructors.
695
696         Sum types are currently not supported by the prototype, since there is
697         no obvious \VHDL\ alternative. They can easily be emulated, however, as
698         we will see from an example:
699
700         \begin{verbatim}
701         data Sum = A Bit Word | B Word
702         \end{verbatim}
703
704         An obvious way to translate this would be to create an enumeration to
705         distinguish the constructors and then create a big record that
706         contains all the fields of all the constructors. This is the same
707         translation that would result from the following enumeration and
708         product type (using a tuple for clarity):
709
710         \begin{verbatim}
711         data SumC = A | B
712         type Sum = (SumC, Bit, Word, Word)
713         \end{verbatim}
714
715         Here, the \hs{SumC} type effectively signals which of the latter three
716         fields of the \hs{Sum} type are valid (the first two if \hs{A}, the
717         last one if \hs{B}), all the other ones have no useful value.
718
719         An obvious problem with this naive approach is the space usage: the
720         example above generates a fairly big \VHDL\ type. Since we can be
721         sure that the two \hs{Word}s in the \hs{Sum} type will never be valid
722         at the same time, this is a waste of space.
723
724         Obviously, duplication detection could be used to reuse a
725         particular field for another constructor, but this would only
726         partially solve the problem. If two fields would be, for
727         example, an array of 8 bits and an 8 bit unsigned word, these are
728         different types and could not be shared. However, in the final
729         hardware, both of these types would simply be 8 bit connections,
730         so we have a 100\% size increase by not sharing these.
731       \end{description}
732
733
734 \section{\CLaSH\ prototype}
735
736 foo\par bar
737
738 \section{Related work}
739 Many functional hardware description languages have been developed over the years. Early work includes such languages as $\mu$FP~\cite{muFP}, an extension of Backus' 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. HML~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict functional language ML, and has support for polymorphic types and higher-order functions. Published work suggests that there is no direct simulation support for HML, and that the translation to VHDL is only partial.
740
741 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.
742
743 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.
744
745 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.
746
747 Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
748
749 A functional language designed specifically for hardware design is $re{\mathit{FL}}^{ect}$~\cite{reFLect}, which draws experience from earlier language called FL~\cite{FL} to la
750
751 % An example of a floating figure using the graphicx package.
752 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
753 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
754 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
755 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
756 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
757 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
758 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
759 %
760 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
761 % option should be used if it is desired that the figures are to be
762 % displayed while in draft mode.
763 %
764 %\begin{figure}[!t]
765 %\centering
766 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
767 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
768 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
769 % via \DeclareGraphicsExtensions.
770 %\caption{Simulation Results}
771 %\label{fig_sim}
772 %\end{figure}
773
774 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
775 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
776
777
778 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
779 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
780 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
781 % \label for the overall figure must come after \caption.
782 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
783 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
784 % used instead of \subfloat.
785 %
786 %\begin{figure*}[!t]
787 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
788 %\label{fig_first_case}}
789 %\hfil
790 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
791 %\label{fig_second_case}}}
792 %\caption{Simulation results}
793 %\label{fig_sim}
794 %\end{figure*}
795 %
796 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
797 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
798 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
799
800
801 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
802 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
803 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
804 % The \label must come after \caption as always.
805 %
806 %\begin{table}[!t]
807 %% increase table row spacing, adjust to taste
808 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
809 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
810 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
811 %\caption{An Example of a Table}
812 %\label{table_example}
813 %\centering
814 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
815 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
816 %\begin{tabular}{|c||c|}
817 %\hline
818 %One & Two\\
819 %\hline
820 %Three & Four\\
821 %\hline
822 %\end{tabular}
823 %\end{table}
824
825
826 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
827 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
828 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
829 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
830 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
831 % command of the stfloats package.
832
833
834
835 \section{Conclusion}
836 The conclusion goes here.
837
838
839
840
841 % conference papers do not normally have an appendix
842
843
844 % use section* for acknowledgement
845 \section*{Acknowledgment}
846
847
848 The authors would like to thank...
849
850
851
852
853
854 % trigger a \newpage just before the given reference
855 % number - used to balance the columns on the last page
856 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
857 % the document is modified later
858 %\IEEEtriggeratref{8}
859 % The "triggered" command can be changed if desired:
860 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
861
862 % references section
863
864 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
865 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
866 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
867 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
868 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
869 \bibliographystyle{IEEEtran}
870 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
871 \bibliography{IEEEabrv,cλash.bib}
872 %
873 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
874 % set second argument of \begin to the number of references
875 % (used to reserve space for the reference number labels box)
876 % \begin{thebibliography}{1}
877
878 % \bibitem{IEEEhowto:kopka}
879 % H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
880 %   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
881
882 % \end{thebibliography}
883
884
885
886
887 % that's all folks
888 \end{document}
889
890 % vim: set ai sw=2 sts=2 expandtab: