Use \hs instead of quotes.
[matthijs/master-project/dsd-paper.git] / cλash.lhs
index ed4b498fce8d3b3af74d4a6e86c29036594150e9..e04ef376b9e0c733e232213555d4231f09a1cda0 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,
 \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}}
+c.p.r.baaij@@utwente.nl, matthijs@@stdin.nl, j.kuper@@utwente.nl}
+\thanks{Supported through the FP7 project: S(o)OS (248465)}
+}
 % \and
 % \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
 % \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
@@ -449,14 +452,21 @@ 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. Circuit 
-descriptions can be translated to synthesizable VHDL using the prototype 
-\CLaSH\ compiler. As the circuit descriptions are made in plain Haskell, 
-simulations can also be compiled by a Haskell compiler.
-
-The use of polymorphism and higher-order functions allow a circuit designer to 
-describe more abstract and general specifications than are possible in the 
-traditional hardware description languages.
+syntax and semantics from the functional programming language Haskell. Due to 
+the abstraction and generality offered by polymorphism and higher-order 
+functions, a circuit designer can describe circuits in a more natural way than 
+he could 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 plain Haskell, complete simulations can be compiled to an 
+executable binary by a Haskell compiler allowing high-speed simulation and 
+analysis.
+
+Stateful descriptions are supported by explicitly making the current state an 
+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.
 \end{abstract}
 % IEEEtran.cls defaults to using nonbold math in the Abstract.
 % This preserves the distinction between vectors and scalars. However,
@@ -494,36 +504,38 @@ 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 then be processed further 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.
+languages such as \VHDL. Functional languages are especially suited to
+describe hardware because combinational 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 in creating all the 
+required tooling, such as parsers and type-checkers, many functional
+hardware description languages \cite{Hydra,Hawk1,Lava,ForSyDe1,Wired}
+are embedded as a domain specific language inside 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 domain specific language. The primitive functions used
+to describe a circuit do not actually process any signals, but 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.  This circuit 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 circuit 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 
+(if-expressions, case-expressions, pattern matching, etc.), which are not 
 available in the functional hardware description languages that are embedded 
 in Haskell as a domain specific language. 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)~\cite{ghc}.
+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 hardware description language have an 
 explicit clock for the purpose state and synchronicity, the clock is implied 
@@ -546,9 +558,9 @@ 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 FIR filter and the 
-simple CPU shown in \Cref{sec:usecases}, the \CLaSH\ compiler has also been 
-shown to work for non-trivial descriptions. \CLaSH\ has been able to 
+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 shown to work for non-trivial descriptions. \CLaSH\ has been able to 
 successfully translate the functional description of a streaming reduction 
 circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
 
@@ -566,11 +578,11 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
       \item function applications are translated to component instantiations.
     \end{inparaenum} 
     The output port can have a structured type (such as a tuple), so having 
-    just a single output port does not pose any limitation. The 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.
+    just a single output port 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,% aswell, 
@@ -608,26 +620,27 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     \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, 
+    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} 
-    constructs (\hs{if} expressions can be very directly translated to 
-    \hs{case} expressions). A \hs{case} construct is translated to a 
-    multiplexer, where the control value is linked to the selection port and 
-    the  output of each case is linked to the corresponding input port on the 
-    multiplexer.
+    expressions (\hs{if} expressions can be very directly translated to 
+    \hs{case} expressions). A \hs{case} expression is translated to a 
+    multiplexer, where the control value is fed into a number of
+    comparators and their output is used to compose the selection port
+    of the multiplexer. The result of each alternative is linked to the
+    corresponding input port on 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 below, the first 
-    using a \hs{case} construct and the other using an \hs{if-then-else} 
-    construct, in the code below. The examples sums two values when they are 
+    using a \hs{case} expression and the other using an \hs{if-then-else} 
+    expression. Both examples sums two values when they are 
     equal or non-equal (depending on the given predicate, the \hs{pred} 
     variable) and returns 0 otherwise. The \hs{pred} variable has the 
     following, user-defined, enumeration datatype:
     
     \begin{code}
-    data Pred = Equiv | NotEquiv
+    data Pred = Equal | NotEqual
     \end{code}
 
     The naive netlist corresponding to both versions of the example is 
@@ -635,17 +648,17 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
 
     \begin{code}    
     sumif pred a b = case pred of
-      Equiv -> case a == b of
+      Equal -> case a == b of
         True      -> a + b
         False     -> 0
-      NotEquiv  -> case a != b of
+      NotEqual  -> case a != b of
         True      -> a + b
         False     -> 0
     \end{code}
 
     \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
@@ -663,8 +676,8 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     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} constructs, pattern matching and guards have a 
-    (straightforward) translation to \hs{case} constructs and can as such be 
+    \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 of the earlier example, using both 
     pattern matching and guards, can be seen below. The guard is the 
     expression that follows the vertical bar (\hs{|}) and precedes the 
@@ -676,10 +689,10 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     versions of the example.
     
     \begin{code}
-    sumif Eq a b    | a == b      = a + b
-                    | otherwise   = 0
-    sumif Neq a b   | a != b      = a + b
-                    | otherwise   = 0
+    sumif Equal     a b   | a == b      = a + b
+                          | otherwise   = 0
+    sumif NotEqual  a b   | a != b      = a + b
+                          | otherwise   = 0
     \end{code}
 
     % \begin{figure}
@@ -692,14 +705,16 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     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 
-    therefor only deal with the types that do have a clear correspondence 
+    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 direct translation is defined within the \CLaSH\ 
-    compiler; the term user-defined types should not require any further 
-    elaboration. The translatable types are also inferable by the compiler, 
+    those types for which a fixed translation is defined within the \CLaSH\ 
+    compiler. The \CLaSH\ compiler has generic translation rules to
+    translated the user-defined types described below.
+
+    The \CLaSH\ compiler is able to infer unspecified types,
     meaning that a developer does not have to annotate every function with a 
-    type signature.
+    type signature (even if it is good practice to do so).
   
     % Translation of two most basic functional concepts has been
     % discussed: function application and choice. Before looking further
@@ -717,7 +732,7 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     % using translation rules that are discussed later on.
 
   \subsubsection{Built-in types}
-    The following types have direct translations defined within the \CLaSH\
+    The following types have fixed translations defined within the \CLaSH\
     compiler:
     \begin{xlist}
       \item[\bf{Bit}]
@@ -731,7 +746,7 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
         % 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,
@@ -755,7 +770,9 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
         arguments: the length of the vector and the type of the elements 
         contained in it. The short-hand notation used for the vector type in  
         the rest of paper is: \hs{[a|n]}. Where the \hs{a} is the element 
-        type, and \hs{n} is the length of the vector.
+        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:
 
@@ -814,8 +831,9 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
         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. Haskell's built-in tuple types are also defined 
-        as single constructor algebraic types  An example of a single 
-        constructor type is the following pair of integers:
+        as single constructor algebraic types (but with a bit of
+        syntactic sugar). An example of a single constructor type is the
+        following pair of integers:
         \begin{code}
         data IntPair = IntPair Int Int
         \end{code}
@@ -825,8 +843,8 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
         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 that there a fixed translation for 
-        that type within the \CLaSH\ compiler. An example of such an 
+        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}
@@ -851,7 +869,9 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     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:
+    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.}
     
     \begin{code}
     append :: [a|n] -> a -> [a|n + 1]
@@ -892,15 +912,15 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     types that are \emph{instances} of the \emph{type class} \hs{Num}, so that  
     we know that the addition (+) operator is defined for that type. 
     \CLaSH's built-in numerical types are also instances of the \hs{Num}
-    class, so we can use the addition operator on \hs{SizedWords} as
-    well as on \hs{SizedInts}.
+    class, so we can use the addition operator (and thus the \hs{sum}
+    function) with \hs{SizedWords} as well as with \hs{SizedInts}.
 
     In \CLaSH, parametric polymorphism is completely supported. Any function 
     defined can have any number of unconstrained type parameters. The \CLaSH\ 
     compiler will infer the type of every such argument depending on how the 
     function is applied. There is however one constraint: the top level 
     function that is being translated can not have any polymorphic arguments. 
-    The arguments can not be polymorphic as they are never applied and 
+    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.
 
@@ -917,25 +937,25 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     function. The following example should clarify this concept:
     
     \begin{code}
-    negVector xs = map not xs
+    negateVector xs = map not xs
     \end{code}
 
-    The code above defines a function \hs{negVector}, which takes a vector of
-    booleans, and returns a vector where all the values are negated. It 
-    achieves this by calling the \hs{map} function, and passing it 
+    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 vector elements, other than that it must be the same type as 
-    the input type of the function passed to \hs{map}. The element type of the 
-    resulting vector is equal to the return type of the function passed, which 
-    need not necessarily be the same as the element type of the input vector. 
-    All of these characteristics  can readily be inferred from the type 
-    signature belonging to \hs{map}:
+    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|n] -> [b|n]
@@ -950,33 +970,35 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     expression, that adds one to every element of a vector:
 
     \begin{code}
-    map ((+) 1) xs
+    map (+ 1) xs
     \end{code}
 
-    Here, the expression \hs{(+) 1} is the partial application of the
+    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 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 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:
 
     \begin{code}
     map (\x -> x + 1) xs
     \end{code}
 
-    Finally, higher order arguments are not limited to just built-in
-    functions, but any function defined in \CLaSH\ can have function
+    Finally, not only built-in functions can have higher order
+    arguments, but any function defined in \CLaSH can have function
     arguments. This allows the hardware designer to use a powerful
     abstraction mechanism in his designs and have an optimal amount of
-    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
@@ -990,26 +1012,24 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     % This purity property is important for functional languages, since it 
     % enables all kinds of mathematical reasoning that could not be guaranteed 
     % correct for impure functions. 
-    Pure functions are as such a perfect match or a combinatorial circuit
-    where the output solely depends on the  inputs. When a circuit has state 
+    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 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. In this sense the
-    descriptions made in \CLaSH are the describing the combinatorial parts of 
-    a mealy machine.
+    In \CLaSH\ we deal with the concept of state in pure functions by making 
+    current value of the 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}:
     
     \begin{code}
-    macS (State c) a b = (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}
     
     \begin{figure}
@@ -1020,34 +1040,53 @@ circuit~\cite{reductioncircuit} for floating point numbers.
     
     The \hs{State} keyword indicates which arguments are part of the current 
     state, and what part of the output is part of the updated state. This 
-    aspect will also reflected in the type signature of the function. 
+    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 constructs, as state values are just normal values. We can simulate 
+    choice elements, as state values are just normal values. We can simulate 
     stateful descriptions using the recursive \hs{run} function:
     
     \begin{code}
-    run f s (i:inps) = o : (run f s' inps)
+    run f s (i : inps) = o : (run f s' inps)
       where
         (s', o) = f s i
     \end{code}
     
-    The \hs{run} function maps a list of inputs over the function that a 
-    developer wants to simulate, passing the state to each new iteration. Each
-    value in the input list corresponds to exactly one cycle of the (implicit) 
-    clock. The result of the simulation is a list of outputs for every clock
-    cycle. As both the \hs{run} function and the hardware description are 
-    plain Haskell, the complete simulation can be compiled by an optimizing
-    Haskell compiler.
+    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}. 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.
     
-\section{\CLaSH\ prototype}
-
-The \CLaSH\ language as presented above can be translated to \VHDL\ using
-the prototype \CLaSH\ compiler. This compiler allows experimentation with
-the \CLaSH\ language and allows for running \CLaSH\ designs on actual FPGA
-hardware.
+    As both the \hs{run} function, the hardware description, and the test 
+    inputs are plain 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, where the executable binary has an additional simulation speed 
+    bonus in case there is a large set of test inputs.
+    
+\section{\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) 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, semantic checker, and especially 
+the type-checker. The parser, semantic checker, and type-checker together form 
+the front-end of the prototype compiler pipeline, as depicted in 
+\Cref{img:compilerpipeline}.
 
 \begin{figure}
 \centerline{\includegraphics{compilerpipeline.svg}}
@@ -1055,94 +1094,104 @@ hardware.
 \label{img:compilerpipeline}
 \end{figure}
 
-The prototype heavily uses \GHC, the Glasgow Haskell Compiler. 
-\Cref{img:compilerpipeline} shows the \CLaSH\ compiler pipeline. As you can 
-see, the front-end is completely reused from \GHC, which allows the \CLaSH\ 
-prototype to support most of the Haskell Language. The \GHC\ front-end 
-produces the program in the \emph{Core} format, which is a very small, 
-functional, typed language which is relatively easy to process.
-
-The second step in the compilation process is \emph{normalization}. This
-step runs a number of \emph{meaning preserving} transformations on the
-Core program, to bring it into a \emph{normal form}. This normal form
-has a number of restrictions that make the program similar to hardware.
-In particular, a program in normal form no longer has any polymorphism
-or higher order functions.
-
-The final step is a simple translation to \VHDL.
+The output of the \GHC\ front-end is the original Haskell description 
+translated to \emph{Core}~\cite{Sulzmann2007}, which is smaller, typed, 
+functional language that is relatively easier to process than the larger 
+Haskell language. A description in \emph{Core} can still contain properties 
+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 properties 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 for lambda calculus~\cite{lambdacalculus}, such a 
+$\beta$-reduction and $\eta$-expansion, but also includes self-defined 
+transformations that are responsible for the reduction of higher-order 
+functions to `regular' first-order functions.
+
+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 FIR filter, which is 
+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 FIR filter multiplies fixed constants ($h$) with the current 
+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 FIR 
+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{x}\bullet\mathbf{y} = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {x_i \cdot y_i } 
+\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:
 
 \begin{code}
-xs *+* ys = foldl1 (+) (zipWith (*) xs hs)
+as *+* bs = foldl1 (+) (zipWith (*) as bs)
 \end{code}
 
 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]} $\equiv$ \hs{[3,8]}).
+[1, 2] [3, 4]} becomes \hs{[1 * 3, 2 * 4]}).
 
-The \hs{foldl1} function takes a function, a single vector, and applies 
+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 from 
-the vector. This continues until the end of the vector is reached. The 
-result of the \hs{foldl1} function is the result of the last application.
-As you can see, the \hs{zipWith (*)} function is just pairwis
-multiplication and the \hs{foldl1 (+)} function is just summation.
-
-Returning to the actual FIR filter, we will slightly change the
-equation belong to it, so as to make the translation to code more obvious.
-What we will do is change the definition of the vector of input samples.
-So, instead of having the input sample received at time
-$t$ stored in $x_t$, $x_0$ now always stores the current sample, and $x_i$
-stores the $ith$ previous sample. This changes the equation to the
-following (Note that this is completely equivalent to the original
-equation, just with a different definition of $x$ that will better suit
-the transformation to code):
+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 th
+\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}
 
-Consider that the vector \hs{hs} contains the FIR coefficients and the 
-vector \hs{xs} contains the current input sample in front and older 
-samples behind. The function that shifts the input samples is shown below:
+The complete definition of the \acro{FIR} filter in code then becomes:
 
 \begin{code}
-x >> xs = x +> tail xs  
+fir (State (xs,hs)) x = (State (x >> xs,hs), xs *+* hs)
 \end{code}
 
-Where the \hs{tail} function returns all but the first element of a 
-vector, and the concatenate operator ($\succ$) adds a new element to the 
-left of a vector. The complete definition of the FIR filter then becomes:
+Where the vector \hs{hs} contains the \acro{FIR} coefficients and the vector 
+\hs{xs} contains the previous input sample in front and older samples behind. 
+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:
 
 \begin{code}
-fir (State (xs,hs)) x = (State (x >> xs,hs), xs *+* hs)
+x >> xs = x +> init xs  
 \end{code}
 
-The resulting netlist of a 4-taps FIR filter based on the above definition
-is depicted in \Cref{img:4tapfir}.
+The \hs{init} function returns all but the last element of a vector, and the 
+concatenate operator (\hs{+>}) adds a new element to the front 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}}
@@ -1150,7 +1199,95 @@ is depicted in \Cref{img:4tapfir}.
 \label{img:4tapfir}
 \end{figure}
 
+\subsection{Higher order CPU}
+The following simple CPU is an example of user-defined higher order
+functions and pattern matching. The CPU consists of four function units,
+of which three have a fixed function and one can perform some less
+common operations.
+
+The CPU contains a number of data sources, represented by the horizontal
+lines in figure TODO:REF. These data sources offer the previous outputs
+of each function units, along with the single data input the cpu has and
+two fixed intialization 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. Its output is also the
+output of the entire cpu.
+
+Looking at the code, the function unit 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.
+
+\begin{code}
+fu op inputs (addr1, addr2) = regIn
+  where
+    in1     = inputs!addr1
+    in2     = inputs!addr2
+    regIn   = op in1 in2
+\end{code}
+
+The multiop function defines the operation that takes place in the
+leftmost function unit. It is essentially a simple three operation 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.
+
+\begin{code}
+data Opcode = Shift | Xor | Equal
+
+multiop :: Opcode -> Word -> Word -> Word
+multiop opc a b = case opc of
+  Shift             -> shift a b
+  Xor               -> xor a b 
+  Equal | a == b    -> 1
+        | otherwise -> 0
+\end{code}
+
+The 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 funcition 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 for operand selection. The 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 repetive and could be rewritten to use
+a combination of the \hs{map} and \hs{zipwith} functions instead.
+However, the prototype does not currently support working with lists of
+functions, so the more explicit version of the code is given instead).
+
+\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}
+
+Of course, 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 
@@ -1162,7 +1299,7 @@ circuits, and has a particular focus on layout.
 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 than be 
+be translated to \VHDL\ and that the translated description can then be 
 simulated in a \VHDL\ simulator. Also not all of the mentioned language 
 features of \acro{HML} could be translated to hardware. The \CLaSH\ compiler 
 on the other hand can correctly translate all of the language constructs 
@@ -1204,9 +1341,8 @@ mentioned in this section.
 
 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 support for generics has been extended to types, allowing a developer to describe 
-polymorphic components. Note that those types still require an explicit 
-generic map, whereas types can be automatically inferred 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}. 
 % 
@@ -1299,29 +1435,53 @@ generic map, whereas types can be automatically inferred in \CLaSH.
 
 
 \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 patter matching, that are well suited to describe the 
+conditional assignments in control-oriented hardware. 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}}