Fix additional sentences
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
index 5668e326ec6b9038eed9796396c118f6883af8cf..8ab7336b1bb8f0744ea83e5540272d040d5d0608 100644 (file)
@@ -65,6 +65,7 @@
 %
 
 \documentclass[conference,pdf,a4paper,10pt,final,twoside,twocolumn]{IEEEtran}
+\IEEEoverridecommandlockouts
 % Add the compsoc option for Computer Society conferences.
 %
 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
 % Macro for certain acronyms in small caps. Doesn't work with the
 % default font, though (it contains no smallcaps it seems).
 \def\acro#1{{\small{#1}}}
+\def\acrop#1{\acro{#1}s}
+\def\acrotiny#1{{\scriptsize{#1}}}
 \def\VHDL{\acro{VHDL}}
 \def\GHC{\acro{GHC}}
 \def\CLaSH{{\small{C}}$\lambda$a{\small{SH}}}
+\def\CLaSHtiny{{\scriptsize{C}}$\lambda$a{\scriptsize{SH}}}
 
 % Macro for pretty printing haskell snippets. Just monospaced for now, perhaps
 % we'll get something more complex later on.
 \newenvironment{xlist}[1][\rule{0em}{0em}]{%
   \begin{list}{}{%
     \settowidth{\labelwidth}{#1:}
-    \setlength{\labelsep}{\parindent}
+    \setlength{\labelsep}{0.5em}
     \setlength{\leftmargin}{\labelwidth}
     \addtolength{\leftmargin}{\labelsep}
+    \addtolength{\leftmargin}{\parindent}
     \setlength{\rightmargin}{0pt}
     \setlength{\listparindent}{\parindent}
     \setlength{\itemsep}{0 ex plus 0.2ex}
 \newcommand{\fref}[1]{\cref{#1}} 
 \newcommand{\Fref}[1]{\Cref{#1}}
 
+\usepackage{epstopdf}
+
+\epstopdfDeclareGraphicsRule{.svg}{pdf}{.pdf}{rsvg-convert --format=pdf < #1 > \noexpand\OutputFile}
 
 %include polycode.fmt
 %include clash.fmt
 
+\newcounter{Codecount}
+\setcounter{Codecount}{0}
+
+\newenvironment{example}
+  {
+    \refstepcounter{equation}
+  }
+  {
+      \begin{flushright}
+      (\arabic{equation})
+      \end{flushright}
+  }
+
 \begin{document}
 %
 % paper title
 % 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{University of Twente, Department of EEMCS\\
+\author{\IEEEauthorblockN{Matthijs Kooijman, Christiaan P.R. Baaij, 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}}
+matthijs@@stdin.nl, c.p.r.baaij@@utwente.nl, j.kuper@@utwente.nl}
+% \thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
+}
 % \and
 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
@@ -438,10 +462,24 @@ c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}}
 % make the title area
 \maketitle
 
-
 \begin{abstract}
 %\boldmath
-The abstract goes here.
+\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.
+
+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 compiled as an 
+executable binary by a Haskell compiler 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. 
+% This makes \CLaSH\ descriptions in essence the combinational parts of a 
+% mealy machine.
 \end{abstract}
 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
@@ -465,71 +503,89 @@ The abstract goes here.
 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
 \IEEEpeerreviewmaketitle
 
-
 \section{Introduction}
-Hardware description languages has allowed the productivity of hardware 
-engineers to keep pace with the development of chip technology. Standard 
-Hardware description languages, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
+Hardware description languages (\acrop{HDL}) have allowed the productivity of 
+hardware engineers to keep pace with the development of chip technology. 
+Traditional \acrop{HDL}, like \VHDL~\cite{VHDL2008} and 
 Verilog~\cite{Verilog}, allowed an engineer to describe circuits using a 
-programming language. These standard languages are very good at describing 
+`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. In an attempt to raise the 
 abstraction level of the descriptions, 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 for hardware 
-descriptions 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. The merit of using a functional language to describe 
-hardware comes from the fact that combinatorial circuits can be directly 
-modeled as mathematical functions and that functional languages are very good 
-at describing and composing mathematical functions.
-
-In an attempt to decrease the amount of work involved with creating all the 
-required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional hardware 
-description languages are embedded as a domain specific language inside the 
-functional language Haskell \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}. This 
-means that a developer is given a library of Haskell~\cite{Haskell} functions 
-and types that together form the language primitives of the domain specific 
-language. As a result of how the signals are modeled and abstracted, the 
-functions used to describe a circuit also build a large domain-specific 
-datatype (hidden from the designer) which can be further processed by an 
-embedded compiler. This compiler actually runs in the same environment as the 
-description; as a result compile-time and run-time become hard to define, as 
-the embedded compiler is usually compiled by the same Haskell compiler as the 
-circuit description itself.
-
-The approach taken in this research is not to make another domain specific 
-language embedded in Haskell, but to use (a subset of) the Haskell language 
-itself for the purpose of describing hardware. By taking this approach, we can 
-capture certain language constructs, such as Haskell's choice elements 
-(if-constructs, case-constructs, pattern matching, etc.), which are not 
-available in the functional hardware description languages that are embedded 
-in Haskell as a domain specific languages. As far as the authors know, such 
-extensive support for choice-elements is new in the domain of functional 
-hardware description languages. As the hardware descriptions are plain Haskell 
-functions, these descriptions can be compiled for simulation using an 
-optimizing Haskell compiler such as the Glasgow Haskell Compiler (\GHC).
-
-Where descriptions in a conventional hardware description language have an 
-explicit clock for the purpose state and synchronicity, the clock is implied 
-in this research. A developer describes the behavior of the hardware between 
-clock cycles, as such, only synchronous systems can be described. Many 
-functional hardware description model signals as a stream of all values over 
-time; state is then modeled as a delay on this stream of values. The approach 
-taken in this research is to make the current state of a circuit part of the 
-input of the function and the updated state part of the output.
-
-Like the standard hardware description languages, descriptions made in a 
-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.
+functional languages has been proposed \cite{Cardelli1981,muFP,DAISY,FHDL,
+T-Ruby,Hydra,HML2,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired,reFLect}. The idea of using 
+functional languages for hardware descriptions 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. 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 
+mathematical functions.
+
+In an attempt to decrease the amount of work involved in creating all the 
+required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
+\acrop{HDL} \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired} are embedded as a domain 
+specific language (\acro{DSL}) within the functional language Haskell 
+\cite{Haskell}. This means that a developer is given a library of Haskell 
+functions and types that together form the language primitives of the 
+\acro{DSL}. The primitive functions used to describe a circuit do not actually 
+process any signals, they instead compose a large domain-specific datatype 
+(which is usually hidden from the designer). This datatype is then further 
+processed by an embedded circuit compiler which can perform for example 
+simulation or synthesis. As Haskell's choice elements (\hs{if}-expressions, 
+\hs{case}-expressions, etc.) are evaluated at the time the domain-specific 
+datatype is being build, they are no longer visible to the embedded compiler 
+that processes the datatype. Consequently, it is impossible the capture 
+Haskell's choice elements within a circuit description when taking the 
+embedded language approach. Descriptions can however still contain 
+polymorphism and higher-order functions.
+
+The approach taken in this research is not to make another \acro{DSL} embedded 
+in Haskell, but 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, such as Haskell's choice 
+elements, within circuit descriptions. To the best knowledge of the authors, 
+supporting polymorphism, higher-order functions and such an extensive array of 
+choice-elements is new in the domain of (functional) \acrop{HDL}. 
+% As the hardware descriptions are plain Haskell 
+% functions, these descriptions can be compiled to an executable binary
+% for simulation using an optimizing Haskell compiler such as the Glasgow
+% Haskell Compiler (\GHC)~\cite{ghc}.
+
+Where descriptions in a conventional \acro{HDL} have an explicit clock for the 
+purposes state and synchronicity, the clock is implied in the context of the 
+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. The approach taken in this research is to make the current 
+state an additional input and the updated state a part of the output of a 
+function. 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.
+
+Like the traditional \acrop{HDL}, descriptions made in a functional \acro{HDL} 
+must eventually be converted into a netlist. This research also features a 
+prototype translator, which has the same name as the language: 
+\CLaSH\footnote{\CLaSHtiny: \acrotiny{CAES} 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.
+
+Besides trivial circuits such as variants of both the \acro{FIR} filter and 
+the simple \acro{CPU} shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has 
+also been able to successfully translate non-trivial functional descriptions 
+such as a streaming reduction circuit~\cite{reductioncircuit} for floating 
+point numbers.
 
 \section{Hardware description in Haskell}
+The following 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. 
 
   \subsection{Function application}
-    The basic syntactic elements of a functional program are functions
+    Two basic syntactic elements of a functional program are functions
     and function application. These have a single obvious translation to a 
     netlist format: 
     \begin{inparaenum}
@@ -539,109 +595,176 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
             and
       \item function applications are translated to component instantiations.
     \end{inparaenum} 
-    The output port can have a complex type (such as a tuple), so having just 
-    a single output port does not pose any limitation. The arguments of a 
-    function applications are assigned to a signal, 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,% aswell, 
-    creating a hierarchical description of the hardware. This separation in 
-    different components makes the resulting \VHDL\ output easier to read and 
-    debug.
-
-    As an example we can see the netlist of the |mac| function in
-    \Cref{img:mac-comb}; the |mac| function applies both the |mul| and |add|
-    function to calculate $a * b + c$:
+    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 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 (\ref{lst:code1}) demonstrated below gives an indication 
+    of the level of conciseness that can be achieved with functional hardware 
+    description languages when compared with the more traditional hardware 
+    description languages. The example is a combinational multiply-accumulate 
+    circuit that works for \emph{any} word length (this type of polymorphism 
+    will be further elaborated in \Cref{sec:polymorhpism}). The corresponding 
+    netlist is depicted in \Cref{img:mac-comb}.
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
     mac a b c = add (mul a b) c
     \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code1}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
     
     \begin{figure}
-    \centerline{\includegraphics{mac}}
-    \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate}
+    \centerline{\includegraphics{mac.svg}}
+    \caption{Combinational Multiply-Accumulate}
     \label{img:mac-comb}
+    \vspace{-1.5em}
     \end{figure}
     
-    The result of using a complex input type can be seen in 
-    \cref{img:mac-comb-nocurry} where the |mac| function now uses a single
-    input tuple for the |a|, |b|, and |c| arguments:
+    The use of a composite result value is demonstrated in the next example 
+    (\ref{lst:code2}), where the multiply-accumulate circuit not only returns 
+    the accumulation result, but also the intermediate multiplication result. 
+    Its corresponding netlist can be seen in \Cref{img:mac-comb-composite}.
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
-    mac (a, b, c) = add (mul a b) c
+    mac a b c = (z, add z c)
+      where
+        z = mul a b
     \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code2}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
     
     \begin{figure}
-    \centerline{\includegraphics{mac-nocurry}}
-    \caption{Combinatorial Multiply-Accumulate (complex input)}
-    \label{img:mac-comb-nocurry}
+    \vspace{1em}
+    \centerline{\includegraphics{mac-nocurry.svg}}
+    \caption{Combinational Multiply-Accumulate (composite output)}
+    \label{img:mac-comb-composite}
+    \vspace{-1.5em}
     \end{figure}
 
   \subsection{Choice}
-    In Haskell, choice can be achieved by a large set of language constructs, 
-    consisting of: \hs{case} constructs, \hs{if-then-else} constructs, 
-    pattern matching, and guards. The easiest of these are the \hs{case} 
-    constructs (\hs{if} expressions can be very directly translated to 
-    \hs{case} expressions). % Choice elements are translated to multiplexers
+    In Haskell, choice can be achieved by a large set of syntactic elements, 
+    consisting of: \hs{case} expressions, \hs{if-then-else} expressions, 
+    pattern matching, and guards. The most general of these are the \hs{case} 
+    expressions (\hs{if} expressions can be directly translated to 
+    \hs{case} expressions). When transforming a \CLaSH\ description to a   
+    netlist, a \hs{case} expression is translated to a multiplexer. The 
+    control value of the \hs{case} expression is fed into a number of 
+    comparators and their combined output forms the selection port of the 
+    multiplexer. The result of each alternative in the \hs{case} expression is 
+    linked to the corresponding input port of the multiplexer.
     % A \hs{case} expression can in turn simply be translated to a conditional 
     % assignment in \VHDL, where the conditions use equality comparisons 
     % against the constructors in the \hs{case} expressions. 
-    We can see two versions of a contrived example, the first 
-    using a \hs{case} construct and the other using a \hs{if-then-else} 
-    constructs, in the code below. The example sums two values when they are 
-    equal or non-equal (depending on the predicate given) and returns 0 
-    otherwise.
+    Two versions of a contrived example are displayed below, the first  
+    (\ref{lst:code3}) using a \hs{case} expression and the second 
+    (\ref{lst:code4}) using an \hs{if-then-else} expression. Both examples 
+    sum two values when they are equal or non-equal (depending on the given 
+    predicate, the \hs{pred} variable) and return 0 otherwise. The \hs{pred} 
+    variable is of the following, user-defined, enumeration datatype:
     
     \begin{code}
-    sumif pred a b = case pred of
-      Eq ->   case a == b of
-        True    -> a + b
-        False   -> 0
-      Neq ->  case a != b of
-        True    -> a + b
-        False   -> 0
+    data Pred = Equal | NotEqual
     \end{code}
 
+    The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
+    depicted in \Cref{img:choice}. Note that the \hs{pred} variable is only
+    compared to \hs{Equal}, as an inequality immediately implies that the 
+    \hs{pred} variable is \hs{NotEqual}.
+
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
+    \begin{code}    
+    sumif pred a b = case pred of
+      Equal -> case a == b of
+        True      -> a + b
+        False     -> 0
+      NotEqual  -> case a != b of
+        True      -> a + b
+        False     -> 0
+    \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code3}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
+
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
     sumif pred a b = 
-      if pred == Eq then 
+      if pred == Equal then 
         if a == b then a + b else 0
       else 
         if a != b then a + b else 0
     \end{code}
-
-    Both versions of the example correspond to the same netlist, which is 
-    depicted in \Cref{img:choice}.
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code4}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
 
     \begin{figure}
-    \centerline{\includegraphics{choice-case}}
+    \centerline{\includegraphics{choice-case.svg}}
     \caption{Choice - sumif}
     \label{img:choice}
+    \vspace{-1.5em}
     \end{figure}
 
-    A slightly more complex (but very powerful) form of choice is pattern 
-    matching. A function can be defined in multiple clauses, where each clause 
-    specifies a pattern. When the arguments match the pattern, the 
-    corresponding clause will be used. Expressions can also contain guards, 
-    where the expression is only executed if the guard evaluates to true. A 
-    pattern match (with optional guards) can be to a conditional assignments 
-    in \VHDL, where the conditions are an equality test of the argument and 
-    one of the patterns (combined with the guard if was present). A third 
-    version of the earlier example, using both pattern matching and guards, 
-    can be seen below:
+    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 third version (\ref{lst:code5}) 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 version using pattern matching and guards corresponds to the same 
+    naive netlist representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two 
+    versions of the example.
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
-    sumif Eq a b    | a == b = a + b
-    sumif Neq a b   | a != b = a + b
-    sumif _ _ _     = 0
+    sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
+                          | otherwise   = 0
+    sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
+                          | otherwise   = 0
     \end{code}
-    
-    The version using pattern matching and guards has the same netlist 
-    representation (\Cref{img:choice}) as the earlier two versions of the 
-    example.
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code5}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
 
     % \begin{figure}
     % \centerline{\includegraphics{choice-ifthenelse}}
@@ -650,14 +773,22 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
     % \end{figure}
 
   \subsection{Types}
-    Haskell is a strongly-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, as such this section will
-    only deal 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 direct translation is defined within the \CLaSH\ compiler; the
-    term user-defined types should not require any further elaboration.
+    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 will 
+    therefore only deal 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 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. % (even if it is good practice to do so).
+    Given that the top-level entity of a circuit design is annotated with 
+    concrete types, the \CLaSH\ compiler can specialize polymorphic functions 
+    to functions with concrete types.
   
     % Translation of two most basic functional concepts has been
     % discussed: function application and choice. Before looking further
@@ -675,24 +806,26 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
     % using translation rules that are discussed later on.
 
   \subsubsection{Built-in types}
+    The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
+    compiler:
     \begin{xlist}
       \item[\bf{Bit}]
-        This is the most basic type available. It can have two values:
-        \hs{Low} and \hs{High}. 
+        the most basic type available. It can have two values:
+        \hs{Low} or \hs{High}. 
         % It is mapped directly onto the \texttt{std\_logic} \VHDL\ type. 
       \item[\bf{Bool}]
-        This is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
-        and \hs{False}. 
+        this is a basic logic type. It can have two values: \hs{True}
+        or \hs{False}. 
         % It is translated to \texttt{std\_logic} exactly like the \hs{Bit} 
         % type (where a value of \hs{True} corresponds to a value of 
         % \hs{High}). 
         Supporting the Bool type is required in order to support the
-        \hs{if-then-else} construct, which requires a \hs{Bool} value for 
+        \hs{if-then-else} expression, which requires a \hs{Bool} value for 
         the condition.
-      \item[\bf{SizedWord}, \bf{SizedInt}]
-        These are types to represent integers. A \hs{SizedWord} is unsigned,
-        while a \hs{SizedInt} is signed. Both are parametrizable in thei
-        size. 
+      \item[\bf{Signed}, \bf{Unsigned}]
+        these are types to represent integers and both are parametrizable in 
+        their size. The overflow behavior of the numeric operators defined fo
+        these types is \emph{wrap-around}.
         % , so you can define an unsigned word of 32 bits wide as follows:
 
         % \begin{code}
@@ -706,10 +839,14 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
         % types are translated to the \VHDL\ \texttt{unsigned} and 
         % \texttt{signed} respectively.
       \item[\bf{Vector}]
-        This is a vector type that can contain elements of any other type and
+        this is a vector type that can contain elements of any other type and
         has a fixed length. The \hs{Vector} type constructor takes two type 
         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
-        contained in it. 
+        contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
+        the rest of paper is: \hs{[a|n]}, where \hs{a} is the element 
+        type, and \hs{n} is the length of the vector. Note that this is
+        a notation used in this paper only, vectors are slightly more
+        verbose in real \CLaSH\ descriptions.
         % The state type of an 8 element register bank would then for example 
         % be:
 
@@ -723,13 +860,14 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
         % (The 32 bit word type as defined above). In other words, the 
         % \hs{RegisterState} type is a vector of 8 32-bit words. A fixed size 
         % vector is translated to a \VHDL\ array type.
-      \item[\bf{RangedWord}]
-        This is another type to describe integers, but unlike the previous
+      \item[\bf{Index}]
+        this is another type to describe integers, but unlike the previous
         two it has no specific bit-width, but an upper bound. This means that
         its range is not limited to powers of two, but can be any number.
-        A \hs{RangedWord} only has an upper bound, its lower bound is
-        implicitly zero. The main purpose of the \hs{RangedWord} type is to be 
-        used as an index to a \hs{Vector}.
+        An \hs{Index} only has an upper bound, its lower bound is
+        implicitly zero. If a value of this type exceeds either bounds, an 
+        error will be thrown at simulation-time. The main purpose of the 
+        \hs{Index} type is to be used as an index into a \hs{Vector}.
 
         % \comment{TODO: Perhaps remove this example?} To define an index for 
         % the 8 element vector above, we would do:
@@ -749,197 +887,166 @@ 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, {\acro{GADT}}s, etc.) which are not standard 
+    % Haskell. As it is currently unclear how these advanced type constructs 
+    % correspond to 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 type renaming only define new 
+    names for existing types, where synonyms are completely interchangeable 
+    and a type renaming requires an explicit conversion. Type synonyms and 
+    type renaming 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 (but with a bit of
+        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}
-
-        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}]
         Algebraic datatypes with multiple constructors, but without any
         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. 
+        defined as an enumeration type, but that there is a fixed translation 
+        for that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
+        enumeration 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 
         % value.
       \item[\bf{Multiple constructors with fields}]
         Algebraic datatypes with multiple constructors, where at least
-        one of these constructors has one or more fields are not
-        currently supported.
+        one of these constructors has one or more fields are currently not 
+        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:
+  \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}~\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:\footnote{The \hs{::} operator is used to annotate a function
+    with its type.}
     
-    \comment{TODO: Use vectors instead of lists?}
-
     \begin{code}
-    append :: [a] -> a -> [a]
+    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 designer 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}
-    class, so we can use the addition operator on \hs{SizedWords} as
-    well as on {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).
-
-    \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}).
-
-  \subsection{Higher order}
+    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 (and thus the \hs{sum}
+    % function) with \hs{Signed} as well as with \hs{Unsigned}.
+
+    \CLaSH\ supports both parametric polymorphism and ad-hoc polymorphism. Any 
+    function defined can have any number of unconstrained type parameters. A
+    developer can also specify his own type classes and corresponding 
+    instances. The \CLaSH\ compiler will infer the type of every polymorphic 
+    argument depending on how the function is applied. There is however one 
+    constraint: the top level function that is being translated can not have 
+    any polymorphic arguments. The arguments can not be polymorphic as the 
+    function is never applied and consequently there is no way to determine 
+    the actual types for the type parameters. The members of some standard 
+    Haskell type classes are supported as built-in functions, including: 
+    \hs{Num} for numerical operations, \hs{Eq} for the equality operators, and 
+    \hs{Ord} for the comparison/order operators.
+
+  \subsection{Higher-order functions \& values}
     Another powerful abstraction mechanism in functional languages, is
-    the concept of \emph{higher order functions}, or \emph{functions as
-    a first class value}. This allows a function to be treated as a
+    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. Let's clarify that with an example:
+    function. The following example should clarify this concept:
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
+    %format not = "\mathit{not}"
     \begin{code}
-    notList xs = map not xs
+    negateVector 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}:
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code6}
+      \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 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 input vector, other than that its elements must have the same 
+    type as the first argument 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.
-
-    \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 $t$.
-
-    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.
 
-    \begin{code}
-    fir ... = 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
-    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
@@ -947,36 +1054,52 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
     that 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}
     \begin{code}
-    map ((+) 1) xs
+    map (add 1) xs
     \end{code}
-
-    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:
-
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code7}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
+
+    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:
+
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
     map (\x -> x + 1) xs
     \end{code}
-
-    Finally, higher order arguments are not limited to just builtin
-    functions, but any function defined in \CLaSH\ can have function
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code8}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
+
+    Finally, not only built-in functions can have higher order
+    arguments, but any function defined in \CLaSH\ may have functions as
     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
-    code reuse.
+    code reuse. The only exception is again the top-level function: if a 
+    function-typed argument is not applied with an actual function, no 
+    hardware can be generated.    
 
-    \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
+    \comment{TODO: Describe ALU example (no code)}
 
   \subsection{State}
-    A very important concept in hardware it the concept of state. In a 
+    A very important concept in hardware is the concept of 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 we want to describe more than simple 
-    combinatorial designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
+    combinational designs, \CLaSH\ needs an abstraction mechanism for state.
 
     An important property in Haskell, and in most other functional languages, 
     is \emph{purity}. A function is said to be \emph{pure} if it satisfies two
@@ -984,67 +1107,395 @@ by any (optimizing) \VHDL\ synthesis tool.
     \begin{inparaenum}
       \item given the same arguments twice, it should return the same value in 
       both cases, and
-      \item when the function is called, it should not have observable 
-      side-effects.
+      \item that the function has no 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 
-    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 
+    % 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. 
+    % Simply removing the purity property is not a valid option, as the 
+    % language would then lose many of it mathematical properties. 
+    In \CLaSH\ we deal 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.
+    
+    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}:
     
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
     \begin{code}
-    macS a b (State c) = (State c', outp)
+    macS (State c) a b = (State c', c')
       where
-        outp  = mac a b c
-        c'    = outp
+        c' = mac a b c
     \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code9}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
     
     \begin{figure}
-    \centerline{\includegraphics{mac-state}}
+    \centerline{\includegraphics{mac-state.svg}}
     \caption{Stateful Multiply-Accumulate}
     \label{img:mac-state}
+    \vspace{-1.5em}
     \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.
-\section{\CLaSH\ prototype}
-
-foo\par bar
+    Note that the \hs{macS} function returns both the new state and the value
+    of the output port. 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 be 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 elements, as state values are just normal values. We can simulate 
+    stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
+    
+    \hspace{-1.7em}
+    \begin{minipage}{0.93\linewidth}
+    \begin{code}
+    run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
+      where
+        (s', o) = f s i
+    \end{code}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{0.07\linewidth}
+      \begin{example}
+      \label{lst:code10}
+      \end{example}
+    \end{minipage}
+    
+    The \hs{(:)} operator is the list concatenation operator, where the 
+    left-hand side is the head of a list and the right-hand side is the 
+    remainder of the list. The \hs{run} function applies the function the 
+    developer wants to simulate, \hs{f}, to the current state, \hs{s}, and the 
+    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.
+    
+    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 are much faster than first 
+    translating the description to \VHDL\ and then running a \VHDL\ 
+    simulation.
+    
+\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\ 
+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
+\Cref{img:compilerpipeline}.
+
+\begin{figure}
+\centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
+\caption{\CLaSHtiny\ compiler pipeline}
+\label{img:compilerpipeline}
+\vspace{-1.5em}
+\end{figure}
+
+The output of the \GHC\ front-end consists of the translation of the original 
+Haskell description in \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is a smaller, 
+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' 
+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 
+normalized description and a set of concurrent signal assignments. We call the 
+end-product of the \CLaSH\ compiler a \VHDL\ \emph{netlist} as the resulting 
+\VHDL\ resembles an actual netlist description and not idiomatic \VHDL.
+
+\section{Use cases}
+\label{sec:usecases}
+\subsection{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 \acro{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 \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 indeed equivalent to the equation of the dot-product, which is 
+shown below:
+
+\begin{equation}
+\mathbf{a}\bullet\mathbf{b} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {a_i \cdot b_i } 
+\end{equation}
+
+We can easily and directly implement the equation for the dot-product
+using higher-order functions:
+
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code13}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+The \hs{zipWith} function is very similar to the \hs{map} function 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{zipWith (*) 
+[1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
+
+The \hs{foldl1} 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{foldl1} function is the result of the last application. It is obvious 
+that the \hs{zipWith (*)} function is pairwise multiplication and that the 
+\hs{foldl1 (+)} 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 
+% and delay the computation by one sample. Instead of having the input sample 
+% received at time $t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the newest 
+% 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 
+% transformation to code):
+% 
+% \begin{equation}
+% y_t  = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i  \cdot h_i } 
+% \end{equation}
+The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
+
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+fir (State (xs,hs)) x = 
+  (State (x >> xs,hs), (x +> xs) *+* hs)
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code14}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+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 
+code for the shift (\hs{>>}) operator, that adds the new input sample (\hs{x}) 
+to the list of previous input samples (\hs{xs}) and removes the oldest sample, 
+is shown below:
+
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+x >> xs = x +> init xs  
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code15}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+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}.
+
+\begin{figure}
+\centerline{\includegraphics{4tapfir.svg}}
+\caption{4-taps \acrotiny{FIR} Filter}
+\label{img:4tapfir}
+\vspace{-1.5em}
+\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 outputs of each function units, along with the single data input the 
+\acro{CPU} has and two fixed initialization values.
+
+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 output of the rightmost 
+function unit is also the output of the entire \acro{CPU}.
+
+Looking at the code, the function unit (\hs{fu}) is the most simple. It 
+arranges the operand selection for the function unit. Note that it does not
+define the actual operation that takes place inside the function unit,
+but simply accepts the (higher-order) argument \hs{op} which is a function
+of two arguments that defines the operation.
+
+\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
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code16}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+The \hs{multiop} function 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.
+
+\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
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code17}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+The \acro{CPU} function ties everything together. It applies the \hs{fu}
+function four times, to create a different function unit each time. The
+first application is interesting, because it does not just pass a
+function to \hs{fu}, but a partial application of \hs{multiop}. This
+shows how the first function unit effectively gets an extra input,
+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.
+
+\hspace{-1.7em}
+\begin{minipage}{0.93\linewidth}
+\begin{code}
+type CpuState = State [Word | 4]
+
+cpu :: CpuState -> Word -> [(Index 6, Index 6) | 4] 
+       -> Opcode -> (CpuState, Word)
+cpu (State s) input addrs opc = (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))
+    out       =   head s'
+\end{code}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.07\linewidth}
+  \begin{example}
+  \label{lst:code18}
+  \end{example}
+\end{minipage}
+
+This is still a simple example, but it could form the basis
+of an actual design, in which the same techniques can be reused.
 
 \section{Related work}
+This section describes the features of existing (functional) hardware 
+description languages and highlights the advantages that this research has 
+over existing work.
+
 Many functional hardware description languages have been developed over the 
 years. Early work includes such languages as $\mu$\acro{FP}~\cite{muFP}, an 
 extension of Backus' \acro{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. \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. 
-Published work suggests that there is no direct simulation support for 
-\acro{HML}, and that the translation to \VHDL\ is only partial.
-
-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 
+circuits, and has a particular focus on layout. 
+
+\begin{figure}
+\centerline{\includegraphics{highordcpu.svg}}
+\caption{CPU with higher-order Function Units}
+\label{img:highordcpu}
+\vspace{-1.5em}
+\end{figure}
+
+\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. Published work suggests that there is no direct 
+simulation support for \acro{HML}, but that a description in \acro{HML} has to 
+be translated to \VHDL\ and that 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. % to a netlist format.
+
+Like the work presented in this paper, 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.
+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 
+several backends including simulation and automated synthesis, though 
+automated synthesis is restricted to the synchronous model of computation. 
+Unlike \CLaSH\ there is no support for the automated synthesis of descriptions 
+that contain polymorphism or higher-order functions.
 
 Lava~\cite{Lava} is a hardware description language that focuses on the 
 structural representation of hardware. Besides support for simulation and 
@@ -1053,20 +1504,25 @@ 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 pattern 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.
+circuit he will have to explicitly instantiate a multiplexer-like component. 
+
+In this respect \CLaSH\ differs from Lava, in that all the choice elements, 
+such as case-statements and pattern 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 embedded 
+languages, such as: Hawk, ForSyDe, or Lava.
 
 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.
+exemplified by the new \VHDL-2008 standard~\cite{VHDL2008}. \VHDL-2008 support 
+for generics has been extended to types and subprograms, allowing a developer 
+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, and thus the synthesis of polymorphic types and function-valued 
+arguments.
 
 % Wired~\cite{Wired},, T-Ruby~\cite{T-Ruby}, Hydra~\cite{Hydra}. 
 % 
@@ -1159,29 +1615,53 @@ generic map, whereas type-inference and type-specialization are implicit in
 
 
 \section{Conclusion}
-The conclusion goes here.
-
-
-
+This research demonstrates once more that functional languages are well suited 
+for hardware descriptions: function applications provide an elegant notation 
+for component instantiation. Where this research goes beyond the existing 
+(functional) hardware descriptions languages is the inclusion of various 
+choice elements, such as pattern matching, that 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 correctly translate descriptions that contain both 
+polymorphic types and function-valued arguments.
+
+Where recent functional hardware description languages have mostly opted to 
+embed themselves in an existing functional language, this research features a 
+`true' compiler. As a result there is a clear distinction between compile-time 
+and run-time, which allows a myriad of choice constructs to be part of the 
+actual circuit description; a feature the embedded hardware description 
+languages do not offer.
+
+\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 dealing with unpacking, passing, receiving 
+and repacking can become tedious and even error-prone, especially in the case 
+of sub-states. Removing this boilerplate, or finding a more suitable 
+abstraction mechanism would make \CLaSH\ easier to use.
+
+The transformations in normalization phase of the prototype compiler were 
+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 various use cases 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.
 
 % conference papers do not normally have an appendix
 
 
 % use section* for acknowledgement
-\section*{Acknowledgment}
-
-
-The authors would like to thank...
-
-
-
-
+% \section*{Acknowledgment}
+% 
+% The authors would like to thank...
 
 % trigger a \newpage just before the given reference
 % number - used to balance the columns on the last page
 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
 % the document is modified later
-%\IEEEtriggeratref{8}
+% \IEEEtriggeratref{14}
 % The "triggered" command can be changed if desired:
 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
 
@@ -1194,7 +1674,7 @@ The authors would like to thank...
 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
 \bibliographystyle{IEEEtran}
 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
-\bibliography{IEEEabrv,clash.bib}
+\bibliography{clash}
 %
 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
 % set second argument of \begin to the number of references