Improve conclusions.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Context.tex
1 \chapter[chap:context]{Context}
2   An obvious question that arises when starting any research is \quote{Has
3   this not been done before?} Using a functional language for describing hardware
4   is not a new idea at all. In fact, there has been research into functional
5   hardware description even before the conventional hardware description
6   languages were created. \todo{Reference about early FHDLs} However,
7   functional languages were not nearly as advanced as they are now, and
8   functional hardware description never really got off. 
9
10 \todo{Add references}
11   Recently, there have been some renewed efforts, especially using the Haskell
12   functional language. Examples are Lava, ForSyde, ..., which are all a form of an
13   embedded domain specific language. Each of these have a slightly different
14   approach, but all of these do some trickery inside the Haskell language
15   itself, meaning you write a program that generates a hardware circuit,
16   instead of describing the circuit directly (either by running the haskell
17   code after compilation, or using Template Haskell to inspect parts of the
18   code you have written). This allows the full power of Haskell for generating
19   a circuit. However it also creates severe limitations in the use of the
20   language (you can't use case statements in Lava, since they would be
21   executed only once during circuit generation) and extra notational overhead.
22
23 \fxnote{There should be a section on DSLs here}
24
25   We will now have a look at the existing hardware description languages,
26   both conventional and functional to see the fields in which Cλash is
27   operating.
28
29   \section{Conventional hardware description languages}
30     Considering that we already have some hardware description languages like
31     \small{VHDL} and Verilog, why would we need anything else? By introducing
32     the functional style to hardware description, we hope to obtain a hardware
33     description language that is:
34     \startitemize
35       \item More consise. Functional programs are known for their conciseness
36       and ability to abstract away  common patterns.  This is largely enabled
37       by features like an advanced type system with polymorphism and higher
38       order functions.
39       \todo{Does this apply to FHDLs equally?}
40       \item Type-safer. Functional programs typically have a highly expressive
41       type system, which makes it harder to write incorrect code.
42       \item Easy to process. Functional languages have nice properties like
43       purity \refdef{purity} and single binding behaviour, which make it easy
44       to apply program transformations and optimizations and could potentially
45       simplify program verification.
46     \stopitemize
47   
48   \section{Existing functional hardware description languages}
49     As noted above, we're not the first to walk this path. However, current
50     embedded functional hardware description languages (in particular those
51     using Haskell) are limited by:\todo{Separate TH and EDSL approaches
52     better}
53     \startitemize
54       \item Not all of Haskell's constructs can be captured by embedded domain
55       specific languages. For example, an if or case expression is typically
56       executed only once and only its result is reflected in the embedded
57       description, not the if or case expression itself. Also, sharing of
58       variables (\eg, using the same variable twice while only calculating it
59       once) and cycles in circuits are non-trivial to properly and safely
60       translate (though there is some work to fix this, but that has not been
61       possible in a completely reliable way yet.  \todo{ref
62       http://www.ittc.ku.edu/~andygill/paper.php?label=DSLExtract09}
63       \item Some things are verbose to express. Especially ForSyDe suffers
64       from a lot of notational overhead due to the Template Haskell approach
65       used. Since conditional statements are not supported, a lot of Haskell's
66       syntax sugar (if expressions, pattern matching, guards) cannot be used
67       either, leading to more verbose notation as well.
68       \item Polymorphism and higher order values are not supported within the
69       embedded language. The use of Haskell as a host language allows the use
70       of polymorphism and higher order functions at circuit generation time
71       (even for free, without any additional cost on the \small{EDSL}
72       programmers), but the described circuits do not have any polymorphism
73       or higher order functions, which can be limiting. \todo{How true or
74       appropriate is this point?}
75       \todo[left]{Function structure gets lost (in Lava)}
76     \stopitemize
77
78     \todo[text]{Complete translation in TH is complex: Works with Haskell AST
79     instead of Core}
80
81 % vim: set sw=2 sts=2 expandtab: