Improve some wordings.
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
index 6ec0a298019dec2b552187b2878040df72b512ef..4dce646c8ab1d354da4c4e08f5c6b2023a7b4f95 100644 (file)
 % author names and affiliations
 % use a multiple column layout for up to three different
 % affiliations
-\author{\IEEEauthorblockN{Christiaan P.R. Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Marco E.T. Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
-\IEEEauthorblockA{%Computer Architecture for Embedded Systems (CAES)\\ 
-Department of EEMCS, University of Twente\\
-P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
-c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
-\thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
+% \author{\IEEEauthorblockN{Christiaan Baaij, Matthijs Kooijman, Jan Kuper, Arjan Boeijink, Marco Gerards}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
+% \IEEEauthorblockA{Computer Architecture for Embedded Systems (CAES) \\
+% Department of EEMCS, University of Twente\\
+% P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede, The Netherlands\\
+% c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
+% \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
+% }
+
+\author{\IEEEauthorblockN{Blind Review}%, Bert Molenkamp, Sabih H. Gerez}
+\IEEEauthorblockA{
+\\
+\\
+\\
+\\
 }
+\thanks{Supported through: ``Hidden for blind review''}
+}
+
 % \and
 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
@@ -464,16 +475,9 @@ c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
 
 \begin{abstract}
 %\boldmath
-\CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its 
-syntax and semantics from the functional programming language Haskell. 
-Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and 
-generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more 
-natural way than possible in a traditional hardware description language.
+\CLaSH\ is a functional hardware description language that borrows both its syntax and semantics from the functional programming language Haskell. Polymorphism and higher-order functions provide a level of abstraction and generality that allow a circuit designer to describe circuits in a more natural way than possible with the language elements found in the traditional hardware description languages.
 
-Circuit descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the 
-prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and 
-test input are also valid Haskell, complete simulations can be done by a 
-Haskell compiler allowing high-speed simulation and analysis.
+Circuit descriptions can be translated to synthesizable \VHDL\ using the prototype \CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions, simulation code, and test input are also valid Haskell, complete simulations can be done by a Haskell compiler or interpreter, allowing high-speed simulation and analysis.
 
 % \CLaSH\ supports stateful descriptions by explicitly making the current 
 % state an argument of the function, and the updated state part of the result. 
@@ -510,42 +514,40 @@ Verilog~\cite{Verilog}, are very good at describing detailed hardware
 properties such as timing behavior, they are generally cumbersome in 
 expressing the higher-level abstractions needed for today's large and complex 
 circuit designs. In an attempt to raise the abstraction level of the 
-descriptions, a great number of approaches based on functional languages has 
-been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
+descriptions, a great number of approaches based on functional languages have 
+been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL,T-Ruby,HML2,Hydra,Hawk1,Lava,
 Wired,ForSyDe1,reFLect}. The idea of using functional languages for hardware 
-descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY}, a 
+descriptions started in the early 1980s \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL}, a 
 time which also saw the birth of the currently popular \acrop{HDL}, such as 
 \VHDL. Functional languages are especially well suited to describe hardware 
 because combinational circuits can be directly modeled as mathematical 
 functions and functional languages are very good at describing and composing 
 these functions.
 
-In an attempt to ease the prototyping process of the language, such as 
-creating all the required tooling like parsers and type-checkers, many 
-functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are embedded as a domain 
-specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskel
-\cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
-functions and types that together form the language primitives of th
-\acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
-process any signals, they instead compose a large domain-specific graph 
-(which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
+In an attempt to reduce the effort involved with prototyping a new 
+language, such as creating all the required tooling like parsers and 
+type-checkers, many functional \acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,Wired} are 
+embedded as a domain specific language (\acro{DSL}) within the functiona
+language Haskell \cite{Haskell}. This means that a developer is given a 
+library of Haskell functions and types that together form the languag
+primitives of the \acro{DSL}. The primitive functions used to describe a 
+circuit do not actually process any signals, they instead compose a large 
+graph (which is usually hidden from the designer). This graph is then further 
 processed by an embedded circuit compiler which can perform e.g. simulation or 
 synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{case}-expressions, 
-pattern-matching, etc.) are evaluated at the time the domain-specific graph is 
-being build, they are no longer visible to the embedded compiler that 
-processes the datatype. Consequently, it is impossible to capture Haskell's 
-choice elements within a circuit description when taking the embedded language 
-approach. This does not mean that circuits specified in an embedded language 
-can not contain choice, just that choice elements only exists as functions, 
-e.g. a multiplexer function, and not as syntactic elements of the language 
-itself.
-
-The approach taken in this research is to use (a subset of) the Haskell 
-language \emph{itself} for the purpose of describing hardware. By taking this 
-approach, this research \emph{can} capture certain language constructs, like 
-all of Haskell's choice elements, within circuit descriptions. The more 
-advanced features of Haskell, such as polymorphic typing and higher-order 
-functions, are also supported.
+pattern-matching, etc.) are evaluated at the time the graph is being build, 
+they are no longer visible to the embedded compiler that processes the graph. 
+Consequently, it is impossible to capture Haskell's choice elements within a 
+circuit description when taking the embedded language approach. This does not 
+mean that circuits specified in an embedded language can not contain choice, 
+just that choice elements only exist as functions, e.g. a multiplexer 
+function, and not as syntactic elements of the language itself.
+
+This research uses (a subset of) the Haskell language \emph{itself} for the 
+purpose of describing hardware. As a result, certain language constructs, like 
+all of Haskell's choice elements, \emph{can} now be captured within circuit 
+descriptions. Advanced features of Haskell, such as polymorphic typing and 
+higher-order functions, are also supported.
 
 % supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array 
 % of choice-elements, combined with a very concise way of specifying circuits 
@@ -558,27 +560,46 @@ functions, are also supported.
 Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
 purposes state and synchronicity, the clock is implicit for the descriptions 
 and research presented in this paper. A circuit designer describes the 
-behavior of the hardware between clock cycles. Many functional \acrop{HDL} 
-model signals as a stream of all values over time; state is then modeled as a 
-delay on this stream of values. Descriptions presented in this research make 
-the current state an additional input and the updated state a part of their 
-output. This abstraction of state and time limits the descriptions to 
-synchronous hardware, there is however room within the language to eventually 
-add a different abstraction mechanism that will allow for the modeling of 
-asynchronous systems.
-
-Likewise as with the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} must eventually be converted into a netlist. This research also features a prototype compiler, which has the same name as the language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware, where \acrotiny{CAES} is the acronyom of our chair.} (pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
+behavior of the hardware between clock cycles, as a transition from the 
+current state to the next. Many functional \acrop{HDL} model signals as a 
+stream of values over time; state is then modeled as a delay on this stream of 
+values. Descriptions presented in this research make the current state an 
+additional input and the updated state a part of their output. This 
+abstraction of state and time limits the descriptions to synchronous hardware. 
+However, work is in progress to add an abstraction mechanism that allows the 
+modeling of asynchronous and multi-clock systems.
+
+Likewise as with the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a 
+functional \acro{HDL} must eventually be converted into a netlist. This 
+research also features a prototype compiler, which has the same name as the 
+language: \CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: 
+% \acrotiny{CAES} Language for Synchronous Hardware.
+``Hidden for blind review'' Language for Synchronous Hardware
+} 
+(pronounced: clash). This compiler converts the Haskell code to equivalently 
+behaving synthesizable \VHDL\ code, ready to be converted to an actual netlist 
+format by an (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
 
 To the best knowledge of the authors, \CLaSH\ is the only (functional) 
 \acro{HDL} that allows circuit specification to be written in a very concise 
 way and at the same time support such advanced features as polymorphic typing, 
 user-defined higher-order functions and pattern matching.
 
+\newpage
+\noindent The next section will describe the language elements of \CLaSH, and 
+\Cref{sec:compiler} gives a high-level overview of the \CLaSH\ compiler. 
+\Cref{sec:usecases} discusses two use-cases, a \acro{FIR} filter, and a 
+higher-order \acro{CPU} design. The related work section 
+(\Cref{sec:relatedwork}) is placed towards the end, as the features of \CLaSH\ 
+should be presented before comparing \CLaSH\ to existing (functional) 
+\acrop{HDL}. Conclusions are presented in \Cref{sec:conclusion}, and future 
+work is discussed in \Cref{sec:futurework}.
 \section{Hardware description in Haskell}
-This section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the 
-extensiveness of the support of these elements within the \CLaSH\ compiler. In 
-various subsections, the relation between the language elements and their 
-eventual netlist representation is also highlighted. 
+This section describes the basic language elements of \CLaSH\ and the support 
+of these elements within the \CLaSH\ compiler. In various subsections, the 
+relation between the language elements and their eventual netlist 
+representation is also highlighted. 
 
   \subsection{Function application}
     Two basic elements of a functional program are functions and function 
@@ -590,20 +611,21 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
             and
       \item function applications are translated to component instantiations.
     \end{inparaenum} 
-    The result value can have a composite type (such as a tuple), so having 
-    just a single result value does not pose any limitation. The actual 
-    arguments of a function application are assigned to signals, which are 
-    then mapped to the corresponding input ports of the component. The output 
-    port of the function is also mapped to a signal, which is used as the 
-    result of the application itself. Since every top level function generates 
-    its own component, the hierarchy of function calls is reflected in the 
-    final netlist. %, creating a hierarchical description of the hardware. 
+    The result value can have a composite type (such as a tuple), so the fact 
+    that a function has just a single result value does not pose any 
+    limitation. The actual arguments of a function application are assigned to 
+    signals, which are then mapped to the corresponding input ports of the 
+    component. The output port of the function is also mapped to a signal, 
+    which is used as the result of the application itself. Since every 
+    function generates its own component, the hierarchy of function calls is 
+    reflected in the final netlist. 
+    %, creating a hierarchical description of the hardware. 
     % The separation in different components makes it easier for a developer 
     % to understand and possibly hand-optimize the resulting \VHDL\ output of 
     % the \CLaSH\ compiler.
 
     The short example below (\ref{code:mac}) gives a demonstration of 
-    the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared with 
+    the conciseness that can be achieved with \CLaSH\ when compared to 
     other (more traditional) \acrop{HDL}. The example is a combinational 
     multiply-accumulate circuit that works for \emph{any} word length (this 
     type of polymorphism will be further elaborated in 
@@ -630,8 +652,8 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \end{figure}
     
     The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
-    (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit not only 
-    returns the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
+    (\ref{code:mac-composite}), where the multiply-accumulate circuit returns 
+    not only the accumulation result, but also the intermediate multiplication 
     result (see \Cref{img:mac-comb-composite}, where the double arrow suggests 
     the composite output).
     
@@ -651,7 +673,6 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \vspace{-1.5em}
     
     \begin{figure}
-    \vspace{1em}
     \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
     \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
     \label{img:mac-comb-composite}
@@ -741,23 +762,22 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \centerline{\includegraphics{counter.svg}}
     \caption{Counter netlist}
     \label{img:counter}
-    \vspace{-2em}
+    \vspace{-1.5em}
     \end{figure}
 
-    A user-friendly and also very powerful form of choice that is not found in 
-    the traditional hardware description languages is pattern matching. A 
-    function can be defined in multiple clauses, where each clause corresponds 
-    to a pattern. When an argument matches a pattern, the corresponding clause 
-    will be used. Expressions can also contain guards, where the expression is 
-    only executed if the guard evaluates to true, and continues with the next 
-    clause if the guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} 
-    expressions, pattern matching and guards have a (straightforward) 
-    translation to \hs{case} expressions and can as such be mapped to 
-    multiplexers. A second version (\ref{code:counter2}) of the earlier 
-    example, now using both pattern matching and guards, can be seen below. 
-    The guard is the expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and 
-    precedes the assignment operator (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards 
-    always evaluate to \hs{true}.
+    A \emph{user-friendly} and also powerful form of choice that is not found 
+    in the traditional \acrop{HDL} is pattern matching. A function can be 
+    defined in multiple clauses, where each clause corresponds to a pattern. 
+    When an argument matches a pattern, the corresponding clause will be used. 
+    Expressions can also contain guards, where the expression is only executed 
+    if the guard evaluates to true, and continues with the next clause if the 
+    guard evaluates to false. Like \hs{if-then-else} expressions, pattern 
+    matching and guards have a (straightforward) translation to \hs{case} 
+    expressions and can as such be mapped to multiplexers. A second version 
+    (\ref{code:counter2}) of the earlier example, now using both pattern 
+    matching and guards, can be seen below. The guard is the expression that 
+    follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the assignment operator 
+    (\hs{=}). The \hs{otherwise} guards always evaluate to \hs{true}.
     
     The second version corresponds to the same naive netlist representation 
     (\Cref{img:counter}) as the earlier example.
@@ -787,19 +807,17 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
   \subsection{Types}
     Haskell is a statically-typed language, meaning that the type of a 
     variable or function is determined at compile-time. Not all of 
-    Haskell's typing constructs have a clear translation to hardware, this 
-    section therefor only deals with the types that do have a clear 
+    Haskell's typing constructs have a clear translation to hardware, 
+    therefore this section only deals with the types that do have a clear 
     correspondence to hardware. The translatable types are divided into two 
     categories: \emph{built-in} types and \emph{user-defined} types. Built-in 
     types are those types for which a fixed translation is defined within the 
     \CLaSH\ compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
     translate the user-defined types, which are described later on.
 
-    The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified (polymorphic) types,
-    meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
-    type signature. Given that the top-level entity of a circuit design is 
-    annotated with specific types, the \CLaSH\ compiler can specialize 
-    polymorphic functions to functions with specific types.
+    Type annotations (entities in \VHDL) are optional, since the \CLaSH\ 
+    compiler can derive them when the top-level function \emph{is} annotated
+    with its type.    
   
     % Translation of two most basic functional concepts has been
     % discussed: function application and choice. Before looking further
@@ -910,8 +928,8 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     % completely new type. Type synonyms and type renaming only define new 
     % names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
     % and a type renaming requires an explicit conversion. 
-    Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym  will 
-    just use the same representation as the original type. 
+    Type synonyms do not need any particular translation, as a synonym will 
+    use the same representation as the original type. 
     
     Algebraic datatypes can be categorized as follows:
     \begin{xlist}
@@ -919,17 +937,16 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
         datatypes with a single constructor with one or more fields allow 
         values to be packed together in a record-like structure. Haskell's 
         built-in tuple types are also defined as single constructor algebraic 
-        types (using a bit of syntactic sugar). An example of a  single 
-        constructor type with multiple fields is the following pair of 
-        integers:
+        types (using some syntactic sugar). An example of a single constructor 
+        type with multiple fields is the following pair of integers:
         \begin{code}
         data IntPair = IntPair Int Int
         \end{code}
         % These types are translated to \VHDL\ record types, with one field 
         % for every field in the constructor.
       \item[\bf{Multiple constructors, No fields}]
-        datatypes with multiple constructors, but without any
-        fields are essentially enumeration types. 
+        datatypes with multiple constructors, but without any fields are 
+        enumeration types. 
         % Note that Haskell's \hs{Bool} type is also defined as an enumeration 
         % type, but that there is a fixed translation for that type within the 
         % \CLaSH\ compiler. 
@@ -949,14 +966,14 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \end{xlist}
 
   \subsection{Polymorphism}\label{sec:polymorhpism}
-    A powerful feature of most (functional) programming languages is 
-    polymorphism, it allows a function to handle values of different data 
-    types in a uniform way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, 
-    meaning that functions can be written without mentioning specific types, 
-    and they can be used for arbitrary types.
+    A powerful feature of some programming languages is polymorphism, it 
+    allows a function to handle values of different data types in a uniform 
+    way. Haskell supports \emph{parametric polymorphism}, meaning that 
+    functions can be written without mentioning specific types, and that those
+    functions can be used for arbitrary types.
 
     As an example of a parametric polymorphic function, consider the type of 
-    the following \hs{first} function, which returns the first element of a 
+    the \hs{first} function, which returns the first element of a 
     tuple:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
     with its type.}
     
@@ -965,14 +982,13 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \end{code}
 
     This type is parameterized in \hs{a} and \hs{b}, which can both 
-    represent any type at all (as long as that type is supported by the 
-    \CLaSH\ compiler). This means that \hs{first} works for any tuple, 
-    regardless of what elements it contains. This kind of polymorphism is 
-    extremely useful in hardware designs, for example when routing signals 
-    without knowing their exact type, or specifying vector operations that 
-    work on vectors of any length and element type. Polymorphism also plays an 
-    important role in most higher order functions, as will be shown in the 
-    next section.
+    represent any type that is supported by the \CLaSH\ compiler. This means 
+    that \hs{first} works for any tuple, regardless of what elements it 
+    contains. This kind of polymorphism is extremely useful in hardware 
+    designs, for example when routing signals without knowing their exact 
+    type, or specifying vector operations that work on vectors of any length 
+    and element type. Polymorphism also plays an important role in most higher 
+    order functions, as will be shown in the next section.
 
     % Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc 
     % polymorphism}~\cite{polymorphism}, which refers to polymorphic 
@@ -990,21 +1006,35 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     % associated with the type class. 
     
     Another type of polymorphism is \emph{ad-hoc polymorphism}, which refers
-    to function that can be applied to arguments of a limited set to types.
+    to functions that can be applied to arguments of a limited set to types.
     Furthermore, how such functions work may depend on the type of their
-    arguments. For example, addition only works for numeric types, and it 
-    works differently for e.g. integers and complex numbers.
+    arguments. For instance, multiplication only works for numeric types, and 
+    it works differently for e.g. integers and complex numbers.
     
     In Haskell, ad-hoc polymorphism is achieved through the use of \emph{type
     classes}, where a class definition provides the general interface of a 
     function, and class \emph{instances} define the functionality for the 
-    specific types. For example, all numeric types are gathered in the 
-    \hs{Num} class, and the type of \emph{addition} is expressed by prefixing
-    by prefixing the type signature with a constraint on the type parameter:
+    specific types. For example, all numeric operators are gathered in the 
+    \hs{Num} class, so every type that wants to use those operators must be
+    made an instance of \hs{Num}.
+    
+    By prefixing a type signature with class constraints, the constrained type 
+    parameters are forced to belong to that type class. For example, the 
+    arguments of the \hs{add} function must belong to the \hs{Num} type class 
+    because the \hs{add} function adds them with the (\hs{+}) operator:
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
-    (+) :: Num a => a -> a -> a
+    add :: Num a => a -> a -> a
+    add a b = a + b
     \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{code:add}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
     
     % An example of a type signature that includes such a constraint if the 
     % signature of the \hs{sum} function, which sums the values in a vector:
@@ -1037,8 +1067,8 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     argument depending on how the function is applied. There is however one 
     constraint: the top level function that is being translated can not have 
     polymorphic arguments. The arguments of the top-level can not be 
-    polymorphic as there would be no way to infer the specific types of 
-    the arguments. 
+    polymorphic as there is no way to infer the \emph{specific} types of the 
+    arguments. 
     
     With regard to the built-in types, it should be noted that members of 
     some of the standard Haskell type classes are supported as built-in 
@@ -1047,16 +1077,16 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
 
   \subsection{Higher-order functions \& values}
     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
-    the concept of \emph{functions as a first class value}, also called 
-    \emph{higher-order functions}. This allows a function to be treated as a
-    value and be passed around, even as the argument of another
-    function. The following example should clarify this concept:
+    the concept of \emph{functions as a first class value} and
+    \emph{higher-order functions}. These concepts allows a function to be 
+    treated as a value and be passed around, even as the argument of another
+    function. The following example clarifies this concept:
     
     \hspace{-1.7em}
     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     %format not = "\mathit{not}"
     \begin{code}
-    negateVector xs = map not xs
+    negate{-"\!\!\!"-}Vector xs = map not xs
     \end{code}
     \end{minipage}
     \begin{minipage}{0.07\linewidth}
@@ -1065,12 +1095,12 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
       \end{example}
     \end{minipage}
 
-    The code above defines the \hs{negateVector} function, which takes a 
-    vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all the values ar
-    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 code above defines the \hs{negate{-"\!\!\!"-}Vector} function, which 
+    takes a vector of booleans, \hs{xs}, and returns a vector where all th
+    values are negated. It achieves this by calling the \hs{map} function, and 
+    passing it another \emph{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 
@@ -1080,19 +1110,18 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     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 be inferred from the type 
-    signature belonging to \hs{map}:
+    signature of \hs{map}:
 
     \begin{code}
     map :: (a -> b) -> [a|n] -> [b|n]
     \end{code}
 
-    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
-    to a single argument, and the result will again be a function (but
-    that takes one argument less). As an example, consider the following
-    expression, that adds one to every element of a vector:
+    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 to a single 
+    argument, and the result will again be a function, but takes one argument 
+    less. As an example, consider the following expression, that adds one to 
+    every element of a vector:
 
     \hspace{-1.7em}
     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
@@ -1108,9 +1137,11 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
 
     Here, the expression \hs{(add 1)} is the partial application of the
     addition function to the value \hs{1}, which is again a function that
-    adds one to its (next) 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:
+    adds 1 to its (next) argument. 
+    
+    A lambda expression allows a designer to introduce an anonymous function 
+    in any expression. Consider the following expression, which again adds 1 
+    to every element of a vector:
 
     \hspace{-1.7em}
     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
@@ -1124,11 +1155,11 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
       \end{example}
     \end{minipage}
 
-    Finally, not only built-in functions can have higher order arguments (such 
+    Finally, not only built-in functions can have higher-order arguments (such 
     as the \hs{map} function), but any function defined in \CLaSH\ may have 
-    functions as arguments. This allows the circuit designer to use a 
-    powerful amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
-    function: if a function-typed argument is not applied with an actual 
+    functions as arguments. This allows the circuit designer to apply a 
+    large amount of code reuse. The only exception is again the top-level 
+    function: if a function-typed argument is not instantiated with an actual 
     function, no hardware can be generated.    
 
     An example of a common circuit where higher-order functions and partial 
@@ -1148,9 +1179,11 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
       \label{code:crossbar}
       \end{example}
     \end{minipage}
-
-    The crossbar is polymorphic in the width of the input (defined by the 
-    length of \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of
+    
+    The \hs{crossbar} function selects those values from \hs{inputs} that
+    are indicated by the indexes in the vector \hs{selects}. The crossbar is 
+    polymorphic in the width of the input (defined by the length of 
+    \hs{inputs}), the width of the output (defined by the length of 
     \hs{selects}), and the signal type (defined by the element type of 
     \hs{inputs}). The type-checker can also automatically infer that 
     \hs{selects} is a vector of \hs{Index} values due to the use of the vector
@@ -1159,9 +1192,9 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
   \subsection{State}
     In a stateful design, the outputs depend on the history of the inputs, or 
     the state. State is usually stored in registers, which retain their value 
-    during a clock cycle. As \CLaSH\ has to be able to describe more than 
-    simple combinational designs, there is a need for an abstraction mechanism 
-    for state.
+    during a clock cycle. 
+    % As \CLaSH\ has to be able to describe more than plain combinational 
+    % designs, there is a need for an abstraction mechanism for state.
 
     An important property in Haskell, and in many other functional languages, 
     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
@@ -1174,15 +1207,15 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     % 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 combinational circuits, 
-    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. 
+    Pure functions are a perfect match for combinational circuits, where the 
+    output solely depends on the inputs. When a circuit has state however, it 
+    can no longer be 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 \CLaSH\ deals with the concept of state in pure functions by making 
-    the current state an additional argument of the function, and the 
-    updated state part of result. In this sense the descriptions made in 
-    \CLaSH\ are the combinational parts of a mealy machine.
+    \CLaSH\ deals with the concept of state by making the current state an 
+    additional argument of the function, and the updated state part of the 
+    result. In this sense the descriptions made in \CLaSH\ are the 
+    combinational 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 
@@ -1191,7 +1224,7 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \hspace{-1.7em}
     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
-    macS (State c) a b = (State c', c')
+    macS (State c) (a, b) = (State c', c')
       where
         c' = mac a b c
     \end{code}
@@ -1210,8 +1243,9 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     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 elements, as state values are just normal values. Stateful   
-    descriptions are simulated using the recursive \hs{run} function:
+    choice elements, as state values are just normal values from Haskell's 
+    point of view. Stateful descriptions are simulated using the recursive 
+    \hs{run} function:
     
     \hspace{-1.7em}
     \begin{minipage}{0.93\linewidth}
@@ -1234,12 +1268,25 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     first input value, \hs{i}. The result is the first output value, \hs{o}, 
     and the updated state \hs{s'}. The next iteration of the \hs{run} function 
     is then called with the updated state, \hs{s'}, and the rest of the 
-    inputs, \hs{inps}. For the time being, and in the context of this paper, 
-    it is assumed that there is one input per clock cycle. Also note how the 
-    order of the input, output, and state in the \hs{run} function corresponds 
-    with the order of the input, output and state of the \hs{macS} function 
-    described earlier.
-
+    inputs, \hs{inps}. In the context of this paper, it is assumed that there 
+    is one input per clock cycle. Note that the order of \hs{s',o,s,i} in the 
+    \hs{where} clause of the \hs{run} functions corresponds with the order of 
+    the input, output and state of the \hs{macS} function
+    (\ref{code:macstate}). Thus, the expression below (\ref{code:runmacs}) 
+    simulates \hs{macS} on \hs{inputpairs} starting with the value \hs{0}: 
+    
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
+    \begin{code}
+    run macS 0 inputpairs 
+    \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{code:runmacs}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
+    
     \begin{figure}
     \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
@@ -1247,26 +1294,24 @@ eventual netlist representation is also highlighted.
     \vspace{-1.5em}
     \end{figure}
     
-    As the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
-    inputs are also valid Haskell, the complete simulation can be compiled to 
-    an executable binary by an optimizing Haskell compiler, or executed in an 
-    Haskell interpreter. Both simulation paths require less effort from a 
-    circuit designer than first translating the description to \VHDL\ and then 
-    running a \VHDL\ simulation; it is also very likely that both simulation 
-    paths are much faster.
+    The complete simulation can be compiled to an executable binary by a 
+    Haskell compiler, or executed in a Haskell interpreter. Both 
+    simulation paths require less effort from a circuit designer than first 
+    translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
+    simulation; it is also very likely that both simulation paths are much 
+    faster.
     
 \section{The \CLaSH\ compiler}
-An important aspect in this research is the creation of the prototype 
-compiler, which allows us to translate descriptions made in the \CLaSH\ 
+\label{sec:compiler}
+The prototype \CLaSH\ compiler translates descriptions made in the \CLaSH\ 
 language as described in the previous section to synthesizable \VHDL. 
 % , allowing a designer to actually run a \CLaSH\ design on an \acro{FPGA}.
 
-The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open-source Haskell 
-compiler that also provides a high level API to most of its internals. The 
-availability of this high-level API obviated the need to design many of the 
-tedious parts of the prototype compiler, such as the parser, semantics 
-checker, and especially the type-checker. These parts together form the 
-front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
+The Glasgow Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc} is an open source Haskell 
+compiler that also provides a high level \acro{API} to most of its internals. 
+Furthermore, it provides several parts of the prototype compiler for free, 
+such as the parser, the semantics checker, and the type checker. These parts 
+together form the front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
 \Cref{img:compilerpipeline}.
 
 \begin{figure}
@@ -1278,34 +1323,36 @@ front-end of the prototype compiler pipeline, as seen in
 \end{figure}
 
 The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
-Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
-typed, functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
+Haskell description to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a small 
+typed functional language. This \emph{Core} language is relatively easy to 
 process compared to the larger Haskell language. A description in \emph{Core} 
 can still contain elements which have no direct translation to hardware, such 
 as polymorphic types and function-valued arguments. Such a description needs 
-to be transformed to a \emph{normal form}, which only contains elements that 
-have a direct translation. The second stage of the compiler, the 
-\emph{normalization} phase, exhaustively applies a set of 
-\emph{meaning-preserving} transformations on the \emph{Core} description until 
-this description is in a \emph{normal form}. This set of transformations 
-includes transformations typically found in reduction systems and lambda 
-calculus~\cite{lambdacalculus}, such as $\beta$-reduction and 
-$\eta$-expansion. It also includes self-defined transformations that are 
-responsible for the reduction of higher-order functions to `regular' 
+to be transformed to a \emph{normal form}, which corresponds directly to 
+hardware. The second stage of the compiler, the \emph{normalization} phase, 
+exhaustively applies a set of \emph{meaning-preserving} transformations on the 
+\emph{Core} description until this description is in a \emph{normal form}. 
+This set of transformations includes transformations typically found in 
+reduction systems and lambda calculus~\cite{lambdacalculus}, such as 
+$\beta$-reduction and $\eta$-expansion. It also includes transformations that 
+are responsible for the specialization of higher-order functions to `regular' 
 first-order functions, and specializing polymorphic types to concrete types.
 
 The final step in the compiler pipeline is the translation to a \VHDL\ 
-\emph{netlist}, which is a straightforward process due to resemblance of a 
+\emph{netlist}, which is a straightforward process due to the resemblance of a 
 normalized description and a set of concurrent signal assignments. The 
 end-product of the \CLaSH\ compiler is called a \VHDL\ \emph{netlist} as the 
 result resembles an actual netlist description, and the fact that it is \VHDL\ 
-is only an implementation detail; the output could for example also be in 
-Verilog.
+is only an implementation detail; e.g., the output could have been Verilog or 
+even \acro{EDIF}.
 
 \section{Use cases}
 \label{sec:usecases}
 \subsection{FIR Filter}
-As an example of a common hardware design where the relation between functional languages and mathematical functions, combined with the use of higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} filter:
+As an example of a common hardware design where the relation between 
+functional languages and mathematical functions, combined with the use of 
+higher-order functions leads to a very natural description is a \acro{FIR} 
+filter:
 
 \begin{equation}
 y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i } 
@@ -1314,7 +1361,8 @@ y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_{t - i}  \cdot h_i }
 A \acro{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 a \acro{FIR} 
-filter is equivalent to the equation of the dot-product, which is shown below:
+filter is equivalent to the equation of the dot-product of two vectors, which 
+is shown below:
 
 \begin{equation}
 \mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
@@ -1326,7 +1374,7 @@ higher-order functions:
 \hspace{-1.7em}
 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
 \begin{code}
-as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
+as *+* bs = fold (+) (zip{-"\!\!\!"-}With (*) as bs)
 \end{code}
 \end{minipage}
 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
@@ -1335,18 +1383,18 @@ as *+* bs = fold (+) (zipWith (*) as bs)
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function see
-earlier: 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]}).
+The \hs{zip{-"\!\!\!"-}With} function is very similar to the \hs{map} functio
+seen earlier: 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{zip{-"\!\!\!"-}With (*) [1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
 
 The \hs{fold} function takes a binary 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 in the 
 vector. This continues until the end of the vector is reached. The result of 
 the \hs{fold} function is the result of the last application. It is obvious 
-that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
-\hs{fold (+)} function is summation.
+that the \hs{zip{-"\!\!\!\!"-}With (*)} function is pairwise multiplication 
+and that the \hs{fold (+)} function is summation.
 % Returning to the actual \acro{FIR} filter, we will slightly change the 
 % equation describing it, so as to make the translation to code more obvious and 
 % concise. What we do is change the definition of the vector of input samples 
@@ -1375,7 +1423,7 @@ fir (State (xs,hs)) x =
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-Where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
+where the vector \hs{xs} contains the previous input samples, the vector 
 \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients, and \hs{x} is the current input 
 sample. The concatenate operator (\hs{+>}) creates a new vector by placing the 
 current sample (\hs{x}) in front of the previous samples vector (\hs{xs}). The 
@@ -1395,7 +1443,7 @@ shiftInto x xs = x +> init xs
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-Where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
+where the \hs{init} function returns all but the last element of a vector. 
 The resulting netlist of a 4-taps \acro{FIR} filter, created by specializing 
 the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in 
 \Cref{img:4tapfir}.
@@ -1408,15 +1456,12 @@ the vectors of the \acro{FIR} code to a length of 4, is depicted in
 \end{figure}
 
 \subsection{Higher-order CPU}
-The following simple \acro{CPU} is an example of user-defined higher-order
-functions and pattern matching. The \acro{CPU} consists of four function 
-units, of which three have a fixed function and one can perform certain less
-common operations. 
-
-The \acro{CPU} contains a number of data sources, represented by the 
-horizontal wires in \Cref{img:highordcpu}. These data sources offer the 
-previous output of every function unit, along with the single data input of 
-the \acro{CPU} and two fixed initialization values.
+%format fun x = "\textit{fu}_" x
+This section discusses a somewhat more elaborate example in which user-defined 
+higher-order function, partial application, lambda expressions, and pattern 
+matching are exploited. The example concerns a \acro{CPU} which consists of 
+four function units, \hs{fun 0,{-"\ldots"-},fun 3}, (see 
+\Cref{img:highordcpu}) that each perform some binary operation.
 
 \begin{figure}
 \centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
@@ -1425,22 +1470,38 @@ the \acro{CPU} and two fixed initialization values.
 \vspace{-1.5em}
 \end{figure}
 
-Each of the function units has both its operands connected to all data
-sources, and can be programmed to select any data source for either
-operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
-opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
-rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
+Every function unit has seven data inputs (of type \hs{Signed 16}), and two 
+address inputs (of type \hs{Index 6}). The latter two addresses indicate
+which of the seven data inputs are to be used as operands for the binary
+operation the function unit performs.
+
+These seven data inputs consist of one external input \hs{x}, two fixed 
+initialization values (0 and 1), and the previous outputs of the four function 
+units. The output of the \acro{CPU} as a whole is the previous output of 
+\hs{fun 3}.
 
-The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual operation that takes place inside the function unit is supplied as the (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
+Function units \hs{fun 1}, \hs{fun 2}, and \hs{fun 3} can perform a fixed 
+binary operation, whereas \hs{fun 0} has an additional input for an opcode to 
+choose a binary operation out of a few possibilities. Each function unit 
+outputs its result into a register, i.e., the state of the \acro{CPU}. This 
+state can e.g. be defined as follows:
+
+\begin{code}
+type CpuState = State [Signed 16 | 4]
+\end{code}
+
+Every function unit can now be defined by the following higher-order function, 
+\hs{fu}, which takes three arguments: the operation \hs{op} that the function 
+unit should perform, the seven \hs{inputs}, and the address pair 
+\hs{({-"a_0"-},{-"a_1"-})}.  It selects two inputs, based on the
+addresses, and applies the given operation to them, returning the
+result:
 
 \hspace{-1.7em}
 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
 \begin{code}
-fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
-  where
-    in1     = inputs!addr1
-    in2     = inputs!addr2
-    regIn   = op in1 in2
+fu op inputs ({-"a_0"-}, {-"a_1"-}) = 
+  op (inputs!{-"a_0"-}) (inputs!{-"a_1"-})
 \end{code}
 \end{minipage}
 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
@@ -1449,19 +1510,36 @@ fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
-the bitwise xor of its operands.
+\noindent Using partial application we now define:
+
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+fun 1 = fu add
+fun 2 = fu sub
+fun 3 = fu mul
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{code:functionunits1to3}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+In order to define \hs{fun 0}, the \hs{Opcode} type and the \hs{multiop} 
+function that chooses a specific operation given the opcode, are defined 
+first. It is assumed that the binary functions \hs{shift} (where \hs{shift a 
+b} shifts \hs{a} by the number of bits indicated by \hs{b}) and \hs{xor} (for 
+the bitwise \hs{xor}) exist.
 
 \hspace{-1.7em}
 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
 \begin{code}
 data Opcode = Shift | Xor | Equal
 
-multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
-multiop Shift   a b                 = shift a b
-multiop Xor     a b                 = xor a b
-multiop Equal   a b   | a == b      = 1
-                      | otherwise   = 0
+multiop Shift   = shift
+multiop Xor     = xor
+multiop Equal   = \a b -> if a == b then 1 else 0
 \end{code}
 \end{minipage}
 \begin{minipage}{0.07\linewidth}
@@ -1470,38 +1548,45 @@ multiop Equal   a b   | a == b      = 1
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
-the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
-function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
-just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
-This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
-compared to the others.
-
-The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
-each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
-a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
-their operand. 
-% The application of the function units to the \hs{inputs} and
-% \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
-% a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
-% However, the prototype compiler does not currently support working with 
-% lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
+Note that the result of \hs{multiop} is a binary function; this is supported 
+by \CLaSH. The complete definition of \hs{fun 0}, which takes an opcode as 
+additional argument, is:
 
 \hspace{-1.7em}
 \begin{minipage}{0.93\linewidth}
 \begin{code}
-type CpuState = State [Word | 4]
+fun 0 c = fu (multiop c)
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{code:functionunit0}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+\noindent Now comes the definition of the full \acro{CPU}. Its type is:
+
+\begin{code}
+cpu :: CpuState 
+  -> (Signed 16, Opcode, [(Index 6, Index 6) | 4])
+  -> (CpuState, Signed 16)
+\end{code}
+
+\noindent Note that this type fits the requirements of the \hs{run}
+function (meaning it can be simulated and synthesized). The actual
+definition of the \hs{cpu} function is:
 
-cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
-       -> Opcode -> (CpuState, Word)
-cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+cpu (State s) (x,opc,addrs) = (State s', out)
   where
-    s'    =   [ fu (multiop opc)  inputs (addrs!0)
-              , fu add            inputs (addrs!1)
-              , fu sub            inputs (addrs!2)
-              , fu mul            inputs (addrs!3)
-              ]
-    inputs    =   0 +> (1 +> (input +> s))
+    inputs    =   x +> (0 +> (1 +> s))
+    s'        =   [{-"\;"-}fun 0 opc   inputs (addrs!0)
+                  ,{-"\;"-}fun 1       inputs (addrs!1)
+                  ,{-"\;"-}fun 2       inputs (addrs!2)
+                  ,{-"\;"-}fun 3       inputs (addrs!3)
+                  ]
     out       =   last s
 \end{code}
 \end{minipage}
@@ -1511,12 +1596,55 @@ cpu (State s) input addrs opc = (State s', out)
   \end{example}
 \end{minipage}
 
-While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
-design, in which the same techniques can be reused.
+Due to space restrictions, \Cref{img:highordcpu} does not show the
+internals of each function unit, but note that e.g. \hs{multiop} is a
+subcomponent of \hs{fun 0}.
+
+While the \acro{CPU} has a simple (and maybe not very useful) design, it 
+illustrates some possibilities that \CLaSH\ offers and suggests how to write 
+actual designs.
+
+% Each of the function units has both its operands connected to all data
+% sources, and can be programmed to select any data source for either
+% operand. In addition, the leftmost function unit has an additional
+% opcode input to select the operation it performs. The previous output of the 
+% rightmost function unit is the output of the entire \acro{CPU}.
+% 
+% The code of the function unit (\ref{code:functionunit}), which arranges the 
+% operand selection for the function unit, is shown below. Note that the actual 
+% operation that takes place inside the function unit is supplied as the 
+% (higher-order) argument \hs{op}, which is a function that takes two arguments.
+% 
+% 
+% 
+% The \hs{multiop} function (\ref{code:multiop}) defines the operation that takes place in the leftmost function unit. It is essentially a simple three operation \acro{ALU} that makes good use of pattern matching and guards in its description. The \hs{shift} function used here shifts its first operand by the number of bits indicated in the second operand, the \hs{xor} function produces
+% the bitwise xor of its operands.
+% 
+% 
+% The \acro{CPU} function (\ref{code:cpu}) ties everything together. It applies 
+% the function unit (\hs{fu}) to several operations, to create a different 
+% function unit each time. The first application is interesting, as it does not 
+% just pass a function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. 
+% This demonstrates how one function unit can effectively get extra inputs 
+% compared to the others.
+% 
+% The vector \hs{inputs} is the set of data sources, which is passed to
+% each function unit as a set of possible operants. The \acro{CPU} also receives 
+% a vector of address pairs, which are used by each function unit to select 
+% their operand. 
+% The application of the function units to the \hs{inputs} and
+% \hs{addrs} arguments seems quite repetitive and could be rewritten to use
+% a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
+% However, the prototype compiler does not currently support working with 
+% lists of functions, so a more explicit version of the code is given instead.
+
+% While this is still a simple example, it could form the basis of an actual 
+% design, in which the same techniques can be reused.
 
 \section{Related work}
+\label{sec:relatedwork}
 This section describes the features of existing (functional) hardware 
-description languages and highlights the advantages that this research has 
+description languages and highlights the advantages that \CLaSH\ has 
 over existing work.
 
 % Many functional hardware description languages have been developed over the 
@@ -1529,45 +1657,46 @@ over existing work.
 \acro{HML}~\cite{HML2} is a hardware modeling language based on the strict 
 functional language \acro{ML}, and has support for polymorphic types and 
 higher-order functions. There is no direct simulation support for \acro{HML}, 
-so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and that th
+so a description in \acro{HML} has to be translated to \VHDL\ and the 
 translated description can then be simulated in a \VHDL\ simulator. Certain 
 aspects of HML, such as higher-order functions are however not supported by 
 the \VHDL\ translator~\cite{HML3}. The \CLaSH\ compiler on the other hand can 
-correctly translate all of the language constructs mentioned in this paper.
+correctly translate all of its language constructs.
 
 Like the research presented in this paper, many functional hardware 
-description languages have some sort of foundation in the functional 
-programming language Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling 
-language embedded in Haskell and has sequential environments that make it 
-easier to specify stateful computation. Hawk specifications can be simulated; 
-to the best knowledge of the authors there is however no support for automated 
-circuit synthesis. 
+description languages have a foundation in the functional programming language 
+Haskell. Hawk~\cite{Hawk1} is a hardware modeling language embedded in Haskell 
+and has sequential environments that make it easier to specify stateful 
+computation (by using the \acro{ST} monad). Hawk specifications can be 
+simulated; to the best knowledge of the authors there is however no support 
+for automated circuit synthesis. 
 
 The ForSyDe~\cite{ForSyDe2} system uses Haskell to specify abstract system 
 models. A designer can model systems using heterogeneous models of 
 computation, which include continuous time, synchronous and untimed models of 
 computation. Using so-called domain interfaces a designer can simulate 
-electronic systems which have both analog as digital parts. ForSyDe has 
+electronic systems which have both analog and digital parts. ForSyDe has 
 several backends including simulation and automated synthesis, though 
 automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
-Though ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
-choice elements are limited to \hs{if} and \hs{case} expressions. ForSyDe's 
-explicit conversions, where function have to be wrapped in processes and 
-processes have to be wrapped in systems, combined with the explicit 
-instantiations of components, also makes ForSyDe more verbose than \CLaSH.
-
-Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a hardware description language, embedded in 
-Haskell, and focuses on the structural representation of hardware. Like 
-\CLaSH, Lava has support for polymorphic types and higher-order functions. 
-Besides support for simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be 
-interfaced with formal method tools for formal verification. As discussed in 
-the introduction, taking the embedded language approach does not allow for 
-Haskell's choice elements to be captured within the circuit descriptions. In 
-this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice 
-elements, such as \hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized 
-to choice elements in the eventual circuit. Consequently, descriptions 
-containing rich control structures can be specified in a more user-friendly 
-way in \CLaSH\ than possible within Lava, and are hence less error-prone.
+Although ForSyDe offers higher-order functions and polymorphism, ForSyDe's 
+choice elements are limited to \hs{if-then-else} and \hs{case} expressions. 
+ForSyDe's explicit conversions, where functions have to be wrapped in 
+processes and processes have to be wrapped in systems, combined with the 
+explicit instantiations of components, also makes ForSyDe far more verbose 
+than \CLaSH.
+
+Lava~\cite{Lava,kansaslava} is a \acro{HDL} embedded in Haskell which focuses 
+on the structural representation of hardware. Like \CLaSH, Lava has support 
+for polymorphic types and higher-order functions. Besides support for 
+simulation and circuit synthesis, Lava descriptions can be interfaced with 
+formal method tools for formal verification. As discussed in the introduction, 
+taking the embedded language approach does not allow for Haskell's choice 
+elements to be captured within the circuit descriptions. In this respect 
+\CLaSH\ differs from Lava, in that all of Haskell's choice elements, such as 
+\hs{case}-expressions and pattern matching, are synthesized to choice elements 
+in the eventual circuit. Consequently, descriptions containing rich control 
+structures can be specified in a more user-friendly way in \CLaSH\ than 
+possible within Lava, and hence are less error-prone.
 
 Bluespec~\cite{Bluespec} is a high-level synthesis language that features 
 guarded atomic transactions and allows for the automated derivation of control 
@@ -1583,10 +1712,10 @@ recognized in the traditional \acrop{HDL}, exemplified by the new \VHDL-2008
 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support for generics has been extended to 
 types and subprograms, allowing a designer to describe components with 
 polymorphic ports and function-valued arguments. Note that the types and 
-subprograms still require an explicit generic map, whereas types can be 
-automatically inferred, and function-values can be automatically propagated 
-by the \CLaSH\ compiler. There are also no (generally available) \VHDL\ 
-synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
+subprograms still require an explicit generic map, while the \CLaSH\ compiler 
+automatically infers types, and automatically propagates function-valued 
+arguments. There are also no (generally available) \VHDL\ synthesis tools that 
+currently support the \VHDL-2008 standard.
 
 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
 % 
@@ -1679,17 +1808,18 @@ synthesis tools that currently support the \VHDL-2008 standard.
 
 
 \section{Conclusion}
+\label{sec:conclusion}
 This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
 for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
 for component instantiation. While circuit descriptions made in \CLaSH\ are 
 very concise when compared to other (traditional) \acrop{HDL}, their intended 
-functionality remains clear. Where \CLaSH\ goes beyond the existing 
-(functional) hardware descriptions languages is the inclusion of advanced 
-choice elements, such as pattern matching and guards, that are well suited to 
-describe the conditional assignments in control-oriented circuits. Besides 
-being able to translate these basic constructs to synthesizable \VHDL, th
-prototype compiler can also correctly translate descriptions that contain both 
-polymorphic types and user-defined higher-order functions.
+functionality remains clear. \CLaSH\ goes beyond the existing (functional) 
+\acrop{HDL} by including advanced choice elements, such as pattern matching 
+and guards, which are well suited to describe the conditional assignments in 
+control-oriented circuits. Besides being able to translate these basic 
+constructs to synthesizable \VHDL, the prototype compiler can also translat
+descriptions that contain both polymorphic types and user-defined higher-order 
+functions.
 
 % Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
 % embed themselves in an existing functional language, this research features 
@@ -1701,25 +1831,27 @@ polymorphic types and user-defined higher-order functions.
 Besides simple circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
 the higher-order \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler 
 has also been able to translate non-trivial functional descriptions such as a 
-streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point 
-numbers.
+streaming reduction circuit~\cite{blindreview} %~\cite{reductioncircuit}
+for floating point numbers.
 
 \section{Future Work}
-The choice of describing state explicitly as extra arguments and results can 
-be seen as a mixed blessing. Even though the description that use state are 
-usually very clear, one finds that distributing and collecting substate can 
-become tedious and even error-prone. Removing the required boilerplate for 
-distribution and collection, or finding a more suitable abstraction mechanism 
-for state would make \CLaSH\ easier to use.
-
-The transformations in normalization phase of the prototype compiler are 
+\label{sec:futurework}
+The choice of describing state explicitly as an extra argument and result can 
+be seen as a mixed blessing. Even though descriptions that use state are 
+usually very clear, distributing and collecting substate can become tedious 
+and even error-prone. Automating the required distribution and collection, or 
+finding a more suitable abstraction mechanism for state would make \CLaSH\ 
+easier to use. Currently, one of the examined approaches to suppress state in 
+the specification is by using Haskell's arrow-abstraction.
+
+The transformations in the normalization phase of the prototype compiler are 
 developed in an ad-hoc manner, which makes the existence of many desirable 
 properties unclear. Such properties include whether the complete set of 
-transformations will always lead to a normal form or if the normalization 
-process always terminates. Though extensive use of the compiler suggests that 
-these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
+transformations will always lead to a normal form or whether the normalization 
+process always terminates. Although extensive use of the compiler suggests 
+that these properties usually hold, they have not been formally proven. A 
 systematic approach to defining the set of transformations allows one to proof 
-that the earlier mentioned properties do indeed exist.
+that the earlier mentioned properties do indeed hold.
 
 % conference papers do not normally have an appendix