Update section about State to include FIR example
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
index 1e5649f3012d3731d3df015cec89468fc4a97179..2c5ad89aa06c0c03bfc98d40ba2a70a390ad6d84 100644 (file)
@@ -525,7 +525,7 @@ functional hardware description language must eventually be converted into a
 netlist. This research also features a prototype translator called \CLaSH\ 
 (pronounced: clash), which converts the Haskell code to equivalently behaving 
 synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format 
-by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
+by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
 
 \section{Hardware description in Haskell}
 
@@ -755,36 +755,30 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
   \subsubsection{User-defined types}
     There are three ways to define new types in Haskell: algebraic
     data-types with the \hs{data} keyword, type synonyms with the \hs{type}
-    keyword and datatype renamings with the \hs{newtype} keyword. \GHC\
-    offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
-    existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard
-    Haskell. These are not currently supported.
+    keyword and datatype renaming constructs with the \hs{newtype} keyword. 
+    \GHC\ offers a few more advanced ways to introduce types (type families,
+    existential typing, {\small{GADT}}s, etc.) which are not standard Haskell. 
+    As it is currently unclear how these advanced type constructs correspond 
+    with hardware, they are for now unsupported by the \CLaSH\ compiler
 
     Only an algebraic datatype declaration actually introduces a
-    completely new type, for which we provide the \VHDL\ translation
-    below. Type synonyms and renamings only define new names for
-    existing types, where synonyms are completely interchangeable and
-    renamings need explicit conversiona. Therefore, these do not need
-    any particular \VHDL\ translation, a synonym or renamed type will
-    just use the same representation as the original type. The
-    distinction between a renaming and a synonym does no longer matter
-    in hardware and can be disregarded in the generated \VHDL. For algebraic 
-    types, we can make the following distinction: 
+    completely new type. Type synonyms and renaming constructs only define new 
+    names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
+    and renaming constructs need explicit conversions. Therefore, these do not 
+    need any particular translation, a synonym or renamed type will just use 
+    the same representation as the original type. For algebraic types, we can 
+    make the following distinctions: 
 
     \begin{xlist}
       \item[\bf{Single constructor}]
         Algebraic datatypes with a single constructor with one or more
         fields, are essentially a way to pack a few values together in a
-        record-like structure. An example of such a type is the following pair 
-        of integers:
-
+        record-like structure. Haskell's built-in tuple types are also defined 
+        as single constructor algebraic types  An example of a single 
+        constructor type is the following pair of integers:
         \begin{code}
         data IntPair = IntPair Int Int
         \end{code}
-
-        Haskell's builtin tuple types are also defined as single
-        constructor algebraic types and are translated according to this
-        rule by the \CLaSH\ compiler.
         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
         % for every field in the constructor.
       \item[\bf{No fields}]
@@ -792,7 +786,11 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
         fields are essentially a way to get an enumeration-like type
         containing alternatives. Note that Haskell's \hs{Bool} type is also 
         defined as an enumeration type, but we have a fixed translation for 
-        that. 
+        that. An example of such an enum type is the type that represents the
+        colors in a traffic light:
+        \begin{code}
+        data TrafficLight = Red | Orange | Green
+        \end{code}
         % These types are translated to \VHDL\ enumerations, with one 
         % value for each constructor. This allows references to these 
         % constructors to be translated to the corresponding enumeration 
@@ -803,149 +801,141 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
         currently supported.
     \end{xlist}
 
-  \subsection{Polymorphic functions}
-    A powerful construct in most functional language is polymorphism.
-    This means the arguments of a function (and consequentially, values
-    within the function as well) do not need to have a fixed type.
-    Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning a
-    function's type can be parameterized with another type.
-
-    As an example of a polymorphic function, consider the following
-    \hs{append} function's type:
-    
-    \comment{TODO: Use vectors instead of lists?}
+  \subsection{Polymorphism}
+    A powerful construct in most functional languages is polymorphism, it 
+    allows a function to handle values of different data types in a uniform 
+    way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}~\cite{polymorphism}, 
+    meaning functions can be written without mention of any specific type and 
+    can be used transparently with any number of new types.
 
+    As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
+    the following \hs{append} function, which appends an element to a vector:
     \begin{code}
     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
     \end{code}
 
     This type is parameterized by \hs{a}, which can contain any type at
-    all. This means that append can append an element to a list,
-    regardless of the type of the elements in the list (but the element
-    added must match the elements in the list, since there is only one
-    \hs{a}).
-
-    This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to
-    make operations work on a vector without knowing exactly what elements
-    are inside, routing signals without knowing exactly what kinds of
-    signals these are, or working with a vector without knowing exactly
-    how long it is. Polymorphism also plays an important role in most
-    higher order functions, as we will see in the next section.
-
-    The previous example showed unconstrained polymorphism \comment{(TODO: How 
-    is this really called?)}: \hs{a} can have \emph{any} type. 
-    Furthermore,Haskell supports limiting the types of a type parameter to 
-    specific class of types. An example of such a type class is the 
-    \hs{Num} class, which contains all of Haskell's numerical types.
-
-    Now, take the addition operator, which has the following type:
-
+    all. This means that \hs{append} can append an element to a vector,
+    regardless of the type of the elements in the list (as long as the type of 
+    the value to be added is of the same type as the values in the vector). 
+    This kind of polymorphism is extremely useful in hardware designs to make 
+    operations work on a vector without knowing exactly what elements are 
+    inside, routing signals without knowing exactly what kinds of signals 
+    these are, or working with a vector without knowing exactly how long it 
+    is. Polymorphism also plays an important role in most higher order 
+    functions, as we will see in the next section.
+
+    Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
+    polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
+    functions which can be applied to arguments of different types, but which 
+    behave differently depending on the type of the argument to which they are 
+    applied. In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of 
+    type classes, where a class definition provides the general interface of a 
+    function, and class instances define the functionality for the specific 
+    types. An example of such a type class is the \hs{Num} class, which 
+    contains all of Haskell's numerical operations. A developer can make use 
+    of this ad-hoc polymorphism by adding a constraint to a parametrically 
+    polymorphic type variable. Such a constraint indicates that the type 
+    variable can only be instantiated to a type whose members supports the 
+    overloaded functions associated with the type class. 
+    
+    As an example we will take a look at type signature of the function 
+    \hs{sum}, which sums the values in a vector:
     \begin{code}
-    (+) :: Num a => a -> a -> a
+    sum :: Num a => [a|n] -> a
     \end{code}
 
     This type is again parameterized by \hs{a}, but it can only contain
-    types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}.
-    Our numerical built-in types are also instances of the \hs{Num}
+    types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
+    we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
+    \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
     class, so we can use the addition operator on \hs{SizedWords} as
-    well as on {SizedInts}.
+    well as on \hs{SizedInts}.
 
-    In \CLaSH, unconstrained polymorphism is completely supported. Any
-    function defined can have any number of unconstrained type
-    parameters. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every such
-    argument depending on how the function is applied. There is one
-    exception to this: The top level function that is translated, can
-    not have any polymorphic arguments (since it is never applied, so
-    there is no way to find out the actual types for the type
-    parameters).
+    In \CLaSH, parametric polymorphism is completely supported. Any function 
+    defined can have any number of unconstrained type parameters. The \CLaSH\ 
+    compiler will infer the type of every such argument depending on how the 
+    function is applied. There is one exception to this: The top level 
+    function that is translated, can not have any polymorphic arguments (as 
+    they are never applied, so there is no way to find out the actual types 
+    for the type parameters).
 
     \CLaSH\ does not support user-defined type classes, but does use some
-    of the builtin ones for its builtin functions (like \hs{Num} and
-    \hs{Eq}).
+    of the built-in type classes for its built-in function, such as: \hs{Num} 
+    for numerical operations, \hs{Eq} for the equality operators, and
+    \hs{Ord} for the comparison/order operators.
 
-  \subsection{Higher order}
+  \subsection{Higher-order functions \& values}
     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
-    the concept of \emph{higher order functions}, or \emph{functions as
+    the concept of \emph{higher-order functions}, or \emph{functions as
     a first class value}. This allows a function to be treated as a
     value and be passed around, even as the argument of another
-    function. Let's clarify that with an example:
+    function. The following example should clarify this concept:
     
     \begin{code}
-    notList xs = map not xs
+    negVector xs = map not xs
     \end{code}
 
-    This defines a function \hs{notList}, with a single list of booleans
-    \hs{xs} as an argument, which simply negates all of the booleans in
-    the list. To do this, it uses the function \hs{map}, which takes
-    \emph{another function} as its first argument and applies that other
-    function to each element in the list, returning again a list of the
-    results.
-
-    As you can see, the \hs{map} function is a higher order function,
-    since it takes another function as an argument. Also note that
-    \hs{map} is again a polymorphic function: It does not pose any
-    constraints on the type of elements in the list passed, other than
-    that it must be the same as the type of the argument the passed
-    function accepts. The type of elements in the resulting list is of
-    course equal to the return type of the function passed (which need
-    not be the same as the type of elements in the input list). Both of
-    these can be readily seen from the type of \hs{map}:
+    The code above defines a function \hs{negVector}, which takes a vector of
+    booleans, and returns a vector where all the values are negated. It 
+    achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
+    \emph{another function}, boolean negation, and the vector of booleans, 
+    \hs{xs}. The \hs{map} function applies the negation function to all the 
+    elements in the vector.
+
+    The \hs{map} function is called a higher-order function, since it takes 
+    another function as an argument. Also note that \hs{map} is again a 
+    parametric polymorphic function: It does not pose any constraints on the 
+    type of the vector elements, other than that it must be the same type as 
+    the input type of the function passed to \hs{map}. The element type of the 
+    resulting vector is equal to the return type of the function passed, which 
+    need not necessarily be the same as the element type of the input vector. 
+    All of these characteristics  can readily be inferred from the type 
+    signature belonging to \hs{map}:
 
     \begin{code}
-    map :: (a -> b) -> [a] -> [b]
+    map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
     \end{code}
     
-    As an example from a common hardware design, let's look at the
-    equation of a FIR filter.
+    As an example of a common hardware design where the use of higher-order
+    functions leads to a very natural description is a FIR filter, which is 
+    basically the dot-product of two vectors:
 
     \begin{equation}
     y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
     \end{equation}
+    
+    A FIR filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
+    and a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
+    are summed, to produce the result at time $t$. The equation of the FIR 
+    filter is indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
+    shown below:
+    
+    \begin{equation}
+    \mathbf{x}\bullet\mathbf{y} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i \cdot y_i } 
+    \end{equation}
 
-    A FIR filter multiplies fixed constants ($h$) with the current and
-    a few previous input samples ($x$). Each of these multiplications
-    are summed, to produce the result at time $t$.
-
-    This is easily and directly implemented using higher order
-    functions. Consider that the vector \hs{hs} contains the FIR
-    coefficients and the vector \hs{xs} contains the current input sample
-    in front and older samples behind. How \hs{xs} gets its value will be
-    show in the next section about state.
+    We can easily and directly implement the equation for the dot-product
+    using higher-order functions:
 
     \begin{code}
-    fir ... = foldl1 (+) (zipwith (*) xs hs)
+    xs *+* ys = foldl1 (+) (zipWith (*) xs hs)
     \end{code}
 
-    Here, the \hs{zipwith} function is very similar to the \hs{map}
-    function: It takes a function two lists and then applies the
-    function to each of the elements of the two lists pairwise
-    (\emph{e.g.}, \hs{zipwith (+) [1, 2] [3, 4]} becomes 
-    \hs{[1 + 3, 2 + 4]}.
-
-    The \hs{foldl1} function takes a function and a single list and applies the
-    function to the first two elements of the list. It then applies to
-    function to the result of the first application and the next element
-    from the list. This continues until the end of the list is reached.
-    The result of the \hs{foldl1} function is the result of the last
-    application.
-
-    As you can see, the \hs{zipwith (*)} function is just pairwise
+    The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function: It 
+    takes a function, two vectors, and then applies the function to each of 
+    the elements in the two vectors pairwise (\emph{e.g.}, \hs{zipWith (*) [1, 
+    2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]} $\equiv$ \hs{[3,8]}).
+
+    The \hs{foldl1} function takes a function, a single vector, and applies 
+    the function to the first two elements of the vector. It then applies the
+    function to the result of the first application and the next element from 
+    the vector. This continues until the end of the vector is reached. The 
+    result of the \hs{foldl1} function is the result of the last application.
+    As you can see, the \hs{zipWith (*)} function is just pairwise 
     multiplication and the \hs{foldl1 (+)} function is just summation.
 
-    To make the correspondence between the code and the equation even
-    more obvious, we turn the list of input samples in the equation
-    around. So, instead of having the the input sample received at time
-    $t$ in $x_t$, $x_0$ now always stores the current sample, and $x_i$
-    stores the $ith$ previous sample. This changes the equation to the
-    following (Note that this is completely equivalent to the original
-    equation, just with a different definition of $x$ that better suits
-    the \hs{x} from the code):
-
-    \begin{equation}
-    y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
-    \end{equation}
-
-    So far, only functions have been used as higher order values. In
+    So far, only functions have been used as higher-order values. In
     Haskell, there are two more ways to obtain a function-typed value:
     partial application and lambda abstraction. Partial application
     means that a function that takes multiple arguments can be applied
@@ -959,17 +949,15 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
 
     Here, the expression \hs{(+) 1} is the partial application of the
     plus operator to the value \hs{1}, which is again a function that
-    adds one to its argument.
-
-    A labmda expression allows one to introduce an anonymous function
-    in any expression. Consider the following expression, which again
-    adds one to every element of a list:
+    adds one to its argument. A lambda expression allows one to introduce an 
+    anonymous function in any expression. Consider the following expression, 
+    which again adds one to every element of a vector:
 
     \begin{code}
     map (\x -> x + 1) xs
     \end{code}
 
-    Finally, higher order arguments are not limited to just builtin
+    Finally, higher order arguments are not limited to just built-in
     functions, but any function defined in \CLaSH\ can have function
     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
@@ -993,22 +981,26 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
       \item when the function is called, it should not have observable 
       side-effects.
     \end{inparaenum}
-    This purity property is important for functional languages, since it 
-    enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
-    correct for impure functions. Pure functions are as such a perfect match 
-    for a combinatorial circuit, where the output solely depends on the 
-    inputs. When a circuit has state however, it can no longer be simply
-    described by a pure function. Simply removing the purity property is not a 
-    valid option, as the language would then lose many of it mathematical 
-    properties. In an effort to include the concept of state in pure 
+    % This purity property is important for functional languages, since it 
+    % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
+    % correct for impure functions. 
+    Pure functions are as such a perfect match or a combinatorial circuit, 
+    where the output solely depends on the  inputs. When a circuit has state 
+    however, it can no longer be simply described by a pure function. 
+    % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
+    % language would then lose many of it mathematical properties. 
+    In an effort to include the concept of state in pure 
     functions, the current value of the state is made an argument of the  
-    function; the updated state becomes part of the result. A simple example 
-    is adding an accumulator register to the earlier multiply-accumulate 
-    circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
+    function; the updated state becomes part of the result. In this sense the
+    descriptions made in \CLaSH are the describing the combinatorial parts of 
+    a mealy machine.
+    
+    A simple example is adding an accumulator register to the earlier 
+    multiply-accumulate circuit, of which the resulting netlist can be seen in 
     \Cref{img:mac-state}:
     
     \begin{code}
-    macS a b (State c) = (State c', outp)
+    macS (State c) a b = (State c', outp)
       where
         outp  = mac a b c
         c'    = outp
@@ -1020,11 +1012,55 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
     \label{img:mac-state}
     \end{figure}
     
-    This approach makes the state of a circuit very explicit: which variables 
-    are part of the state is completely determined by the type signature. This 
-    approach to state is well suited to be used in combination with the 
-    existing code and language features, such as all the choice constructs, as 
-    state values are just normal values.
+    The \hs{State} keyword indicates which arguments are part of the current 
+    state, and what part of the output is part of the updated state. This 
+    aspect will also reflected in the type signature of the function. 
+    Abstracting the state of a circuit in this way makes it very explicit: 
+    which variables  are part of the state is completely determined by the 
+    type signature. This approach to state is well suited to be used in 
+    combination with the existing code and language features, such as all the 
+    choice constructs, as state values are just normal values.
+    
+    Returning to the example of the FIR filter, we will slightly change the
+    equation belong to it, so as to make the translation to code more obvious.
+    What we will do is change the definition of the vector of input samples.
+    So, instead of having the input sample received at time
+    $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the current sample, and $x_i$
+    stores the $ith$ previous sample. This changes the equation to the
+    following (Note that this is completely equivalent to the original
+    equation, just with a different definition of $x$ that will better suit
+    the the transformation to code):
+
+    \begin{equation}
+    y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
+    \end{equation}
+    
+    Consider that the vector \hs{hs} contains the FIR coefficients and the 
+    vector \hs{xs} contains the current input sample in front and older 
+    samples behind. The function that does this shifting of the input samples 
+    is shown below:
+    
+    \begin{code}
+    x >> xs = x +> tail xs  
+    \end{code}
+    
+    Where the \hs{tail} functions returns all but the first element of a 
+    vector, and the concatenate operator ($\succ$) adds the new element to the 
+    left of a vector. The complete definition of the FIR filter then becomes:
+    
+    \begin{code}
+    fir (State (xs,hs)) x = (State (x >> xs,hs), xs *+* hs)
+    \end{code}
+    
+    The resulting netlist of a 4-taps FIR filter based on the above definition
+    is depicted in \Cref{img:4tapfir}.
+    
+    \begin{figure}
+    \centerline{\includegraphics{4tapfir}}
+    \caption{4-taps FIR Filter}
+    \label{img:4tapfir}
+    \end{figure}
+    
 \section{\CLaSH\ prototype}
 
 foo\par bar