Split "extended β-reduction" into two transformations.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Normalization.tex
1 \chapter[chap:normalization]{Normalization}
2
3 % A helper to print a single example in the half the page width. The example
4 % text should be in a buffer whose name is given in an argument.
5 %
6 % The align=right option really does left-alignment, but without the program
7 % will end up on a single line. The strut=no option prevents a bunch of empty
8 % space at the start of the frame.
9 \define[1]\example{
10   \framed[offset=1mm,align=right,strut=no,background=box,frame=off]{
11     \setuptyping[option=LAM,style=sans,before=,after=]
12     \typebuffer[#1]
13     \setuptyping[option=none,style=\tttf]
14   }
15 }
16
17
18 % A transformation example
19 \definefloat[example][examples]
20 \setupcaption[example][location=top] % Put captions on top
21
22 \define[3]\transexample{
23   \placeexample[here]{#1}
24   \startcombination[2*1]
25     {\example{#2}}{Original program}
26     {\example{#3}}{Transformed program}
27   \stopcombination
28 }
29 %
30 %\define[3]\transexampleh{
31 %%  \placeexample[here]{#1}
32 %%  \startcombination[1*2]
33 %%    {\example{#2}}{Original program}
34 %%    {\example{#3}}{Transformed program}
35 %%  \stopcombination
36 %}
37
38 The first step in the core to \small{VHDL} translation process, is normalization. We
39 aim to bring the core description into a simpler form, which we can
40 subsequently translate into \small{VHDL} easily. This normal form is needed because
41 the full core language is more expressive than \small{VHDL} in some areas and because
42 core can describe expressions that do not have a direct hardware
43 interpretation.
44
45 TODO: Describe core properties not supported in \small{VHDL}, and describe how the
46 \small{VHDL} we want to generate should look like.
47
48 \section{Normal form}
49 The transformations described here have a well-defined goal: To bring the
50 program in a well-defined form that is directly translatable to hardware,
51 while fully preserving the semantics of the program. We refer to this form as
52 the \emph{normal form} of the program. The formal definition of this normal
53 form is quite simple:
54
55 \placedefinition{}{A program is in \emph{normal form} if none of the
56 transformations from this chapter apply.}
57
58 Of course, this is an \quote{easy} definition of the normal form, since our
59 program will end up in normal form automatically. The more interesting part is
60 to see if this normal form actually has the properties we would like it to
61 have.
62
63 But, before getting into more definitions and details about this normal form,
64 let's try to get a feeling for it first. The easiest way to do this is by
65 describing the things we want to not have in a normal form.
66
67 \startitemize
68   \item Any \emph{polymorphism} must be removed. When laying down hardware, we
69   can't generate any signals that can have multiple types. All types must be
70   completely known to generate hardware.
71   
72   \item Any \emph{higher order} constructions must be removed. We can't
73   generate a hardware signal that contains a function, so all values,
74   arguments and returns values used must be first order.
75
76   \item Any complex \emph{nested scopes} must be removed. In the \small{VHDL}
77   description, every signal is in a single scope. Also, full expressions are
78   not supported everywhere (in particular port maps can only map signal names,
79   not expressions). To make the \small{VHDL} generation easy, all values must be bound
80   on the \quote{top level}.
81 \stopitemize
82
83 TODO: Intermezzo: functions vs plain values
84
85 A very simple example of a program in normal form is given in
86 \in{example}[ex:MulSum]. As you can see, all arguments to the function (which
87 will become input ports in the final hardware) are at the top. This means that
88 the body of the final lambda abstraction is never a function, but always a
89 plain value.
90
91 After the lambda abstractions, we see a single let expression, that binds two
92 variables (\lam{mul} and \lam{sum}). These variables will be signals in the
93 final hardware, bound to the output port of the \lam{*} and \lam{+}
94 components.
95
96 The final line (the \quote{return value} of the function) selects the
97 \lam{sum} signal to be the output port of the function. This \quote{return
98 value} can always only be a variable reference, never a more complex
99 expression.
100
101 \startbuffer[MulSum]
102 alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
103 alu = λa.λb.λc.
104     let
105       mul = (*) a b
106       sum = (+) mul c
107     in
108       sum
109 \stopbuffer
110
111 \startuseMPgraphic{MulSum}
112   save a, b, c, mul, add, sum;
113
114   % I/O ports
115   newCircle.a(btex $a$ etex) "framed(false)";
116   newCircle.b(btex $b$ etex) "framed(false)";
117   newCircle.c(btex $c$ etex) "framed(false)";
118   newCircle.sum(btex $res$ etex) "framed(false)";
119
120   % Components
121   newCircle.mul(btex - etex);
122   newCircle.add(btex + etex);
123
124   a.c      - b.c   = (0cm, 2cm);
125   b.c      - c.c   = (0cm, 2cm);
126   add.c            = c.c + (2cm, 0cm);
127   mul.c            = midpoint(a.c, b.c) + (2cm, 0cm);
128   sum.c            = add.c + (2cm, 0cm);
129   c.c              = origin;
130
131   % Draw objects and lines
132   drawObj(a, b, c, mul, add, sum);
133
134   ncarc(a)(mul) "arcangle(15)";
135   ncarc(b)(mul) "arcangle(-15)";
136   ncline(c)(add);
137   ncline(mul)(add);
138   ncline(add)(sum);
139 \stopuseMPgraphic
140
141 \placeexample[here][ex:MulSum]{Simple architecture consisting of an adder and a
142 subtractor.}
143   \startcombination[2*1]
144     {\typebufferlam{MulSum}}{Core description in normal form.}
145     {\boxedgraphic{MulSum}}{The architecture described by the normal form.}
146   \stopcombination
147
148 The previous example described composing an architecture by calling other
149 functions (operators), resulting in a simple architecture with component and
150 connection. There is of course also some mechanism for choice in the normal
151 form. In a normal Core program, the \emph{case} expression can be used in a
152 few different ways to describe choice. In normal form, this is limited to a
153 very specific form.
154
155 \in{Example}[ex:AddSubAlu] shows an example describing a
156 simple \small{ALU}, which chooses between two operations based on an opcode
157 bit. The main structure is the same as in \in{example}[ex:MulSum], but this
158 time the \lam{res} variable is bound to a case expression. This case
159 expression scrutinizes the variable \lam{opcode} (and scrutinizing more
160 complex expressions is not supported). The case expression can select a
161 different variable based on the constructor of \lam{opcode}.
162
163 \startbuffer[AddSubAlu]
164 alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
165 alu = λopcode.λa.λb.
166     let
167       res1 = (+) a b
168       res2 = (-) a b
169       res = case opcode of
170         Low -> res1
171         High -> res2
172     in
173       res
174 \stopbuffer
175
176 \startuseMPgraphic{AddSubAlu}
177   save opcode, a, b, add, sub, mux, res;
178
179   % I/O ports
180   newCircle.opcode(btex $opcode$ etex) "framed(false)";
181   newCircle.a(btex $a$ etex) "framed(false)";
182   newCircle.b(btex $b$ etex) "framed(false)";
183   newCircle.res(btex $res$ etex) "framed(false)";
184   % Components
185   newCircle.add(btex + etex);
186   newCircle.sub(btex - etex);
187   newMux.mux;
188
189   opcode.c - a.c   = (0cm, 2cm);
190   add.c    - a.c   = (4cm, 0cm);
191   sub.c    - b.c   = (4cm, 0cm);
192   a.c      - b.c   = (0cm, 3cm);
193   mux.c            = midpoint(add.c, sub.c) + (1.5cm, 0cm);
194   res.c    - mux.c = (1.5cm, 0cm);
195   b.c              = origin;
196
197   % Draw objects and lines
198   drawObj(opcode, a, b, res, add, sub, mux);
199
200   ncline(a)(add) "posA(e)";
201   ncline(b)(sub) "posA(e)";
202   nccurve(a)(sub) "posA(e)", "angleA(0)";
203   nccurve(b)(add) "posA(e)", "angleA(0)";
204   nccurve(add)(mux) "posB(inpa)", "angleB(0)";
205   nccurve(sub)(mux) "posB(inpb)", "angleB(0)";
206   nccurve(opcode)(mux) "posB(n)", "angleA(0)", "angleB(-90)";
207   ncline(mux)(res) "posA(out)";
208 \stopuseMPgraphic
209
210 \placeexample[here][ex:AddSubAlu]{Simple \small{ALU} supporting two operations.}
211   \startcombination[2*1]
212     {\typebufferlam{AddSubAlu}}{Core description in normal form.}
213     {\boxedgraphic{AddSubAlu}}{The architecture described by the normal form.}
214   \stopcombination
215
216 As a more complete example, consider \in{example}[ex:NormalComplete]. This
217 example contains everything that is supported in normal form, with the
218 exception of builtin higher order functions. The graphical version of the
219 architecture contains a slightly simplified version, since the state tuple
220 packing and unpacking have been left out. Instead, two seperate registers are
221 drawn. Also note that most synthesis tools will further optimize this
222 architecture by removing the multiplexers at the register input and replace
223 them with some logic in the clock inputs, but we want to show the architecture
224 as close to the description as possible.
225
226 \startbuffer[NormalComplete]
227   regbank :: Bit 
228              -> Word 
229              -> State (Word, Word) 
230              -> (State (Word, Word), Word)
231
232   -- All arguments are an inital lambda
233   regbank = λa.λd.λsp.
234   -- There are nested let expressions at top level
235   let
236     -- Unpack the state by coercion (\eg, cast from
237     -- State (Word, Word) to (Word, Word))
238     s = sp :: (Word, Word)
239     -- Extract both registers from the state
240     r1 = case s of (fst, snd) -> fst
241     r2 = case s of (fst, snd) -> snd
242     -- Calling some other user-defined function.
243     d' = foo d
244     -- Conditional connections
245     out = case a of
246       High -> r1
247       Low -> r2
248     r1' = case a of
249       High -> d'
250       Low -> r1
251     r2' = case a of
252       High -> r2
253       Low -> d'
254     -- Packing a tuple
255     s' = (,) r1' r2'
256     -- pack the state by coercion (\eg, cast from
257     -- (Word, Word) to State (Word, Word))
258     sp' = s' :: State (Word, Word)
259     -- Pack our return value
260     res = (,) sp' out
261   in
262     -- The actual result
263     res
264 \stopbuffer
265
266 \startuseMPgraphic{NormalComplete}
267   save a, d, r, foo, muxr, muxout, out;
268
269   % I/O ports
270   newCircle.a(btex \lam{a} etex) "framed(false)";
271   newCircle.d(btex \lam{d} etex) "framed(false)";
272   newCircle.out(btex \lam{out} etex) "framed(false)";
273   % Components
274   %newCircle.add(btex + etex);
275   newBox.foo(btex \lam{foo} etex);
276   newReg.r1(btex $\lam{r1}$ etex) "dx(4mm)", "dy(6mm)";
277   newReg.r2(btex $\lam{r2}$ etex) "dx(4mm)", "dy(6mm)", "reflect(true)";
278   newMux.muxr1;
279   % Reflect over the vertical axis
280   reflectObj(muxr1)((0,0), (0,1));
281   newMux.muxr2;
282   newMux.muxout;
283   rotateObj(muxout)(-90);
284
285   d.c               = foo.c + (0cm, 1.5cm); 
286   a.c               = (xpart r2.c + 2cm, ypart d.c - 0.5cm);
287   foo.c             = midpoint(muxr1.c, muxr2.c) + (0cm, 2cm);
288   muxr1.c           = r1.c + (0cm, 2cm);
289   muxr2.c           = r2.c + (0cm, 2cm);
290   r2.c              = r1.c + (4cm, 0cm);
291   r1.c              = origin;
292   muxout.c          = midpoint(r1.c, r2.c) - (0cm, 2cm);
293   out.c             = muxout.c - (0cm, 1.5cm);
294
295 %  % Draw objects and lines
296   drawObj(a, d, foo, r1, r2, muxr1, muxr2, muxout, out);
297   
298   ncline(d)(foo);
299   nccurve(foo)(muxr1) "angleA(-90)", "posB(inpa)", "angleB(180)";
300   nccurve(foo)(muxr2) "angleA(-90)", "posB(inpb)", "angleB(0)";
301   nccurve(muxr1)(r1) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(d)", "angleB(0)";
302   nccurve(r1)(muxr1) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(inpb)", "angleB(180)";
303   nccurve(muxr2)(r2) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(d)", "angleB(180)";
304   nccurve(r2)(muxr2) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(inpa)", "angleB(0)";
305   nccurve(r1)(muxout) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(inpb)", "angleB(-90)";
306   nccurve(r2)(muxout) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(inpa)", "angleB(-90)";
307   % Connect port a
308   nccurve(a)(muxout) "angleA(-90)", "angleB(180)", "posB(sel)";
309   nccurve(a)(muxr1) "angleA(180)", "angleB(-90)", "posB(sel)";
310   nccurve(a)(muxr2) "angleA(180)", "angleB(-90)", "posB(sel)";
311   ncline(muxout)(out) "posA(out)";
312 \stopuseMPgraphic
313
314 \placeexample[here][ex:NormalComplete]{Simple architecture consisting of an adder and a
315 subtractor.}
316   \startcombination[2*1]
317     {\typebufferlam{NormalComplete}}{Core description in normal form.}
318     {\boxedgraphic{NormalComplete}}{The architecture described by the normal form.}
319   \stopcombination
320
321 \subsection{Normal form definition}
322 Now we have some intuition for the normal form, we can describe how we want
323 the normal form to look like in a slightly more formal manner. The following
324 EBNF-like description completely captures the intended structure (and
325 generates a subset of GHC's core format).
326
327 Some clauses have an expression listed in parentheses. These are conditions
328 that need to apply to the clause.
329
330 \startlambda
331 \italic{normal} = \italic{lambda}
332 \italic{lambda} = λvar.\italic{lambda} (representable(var))
333                 | \italic{toplet} 
334 \italic{toplet} = let \italic{binding} in \italic{toplet} 
335                 | letrec [\italic{binding}] in \italic{toplet}
336                 | var (representable(varvar))
337 \italic{binding} = var = \italic{rhs} (representable(rhs))
338                  -- State packing and unpacking by coercion
339                  | var0 = var1 :: State ty (lvar(var1))
340                  | var0 = var1 :: ty (var0 :: State ty) (lvar(var1))
341 \italic{rhs} = userapp
342              | builtinapp
343              -- Extractor case
344              | case var of C a0 ... an -> ai (lvar(var))
345              -- Selector case
346              | case var of (lvar(var))
347                 DEFAULT -> var0 (lvar(var0))
348                 C w0 ... wn -> resvar (\forall{}i, wi \neq resvar, lvar(resvar))
349 \italic{userapp} = \italic{userfunc}
350                  | \italic{userapp} {userarg}
351 \italic{userfunc} = var (gvar(var))
352 \italic{userarg} = var (lvar(var))
353 \italic{builtinapp} = \italic{builtinfunc}
354                     | \italic{builtinapp} \italic{builtinarg}
355 \italic{builtinfunc} = var (bvar(var))
356 \italic{builtinarg} = \italic{coreexpr}
357 \stoplambda
358
359 -- TODO: Limit builtinarg further
360
361 -- TODO: There can still be other casts around (which the code can handle,
362 e.g., ignore), which still need to be documented here.
363
364 -- TODO: Note about the selector case. It just supports Bit and Bool
365 currently, perhaps it should be generalized in the normal form?
366
367 When looking at such a program from a hardware perspective, the top level
368 lambda's define the input ports. The value produced by the let expression is
369 the output port. Most function applications bound by the let expression
370 define a component instantiation, where the input and output ports are mapped
371 to local signals or arguments. Some of the others use a builtin
372 construction (\eg the \lam{case} statement) or call a builtin function
373 (\eg \lam{add} or \lam{sub}). For these, a hardcoded \small{VHDL} translation is
374 available.
375
376 \section{Transformation notation}
377 To be able to concisely present transformations, we use a specific format to
378 them. It is a simple format, similar to one used in logic reasoning.
379
380 Such a transformation description looks like the following.
381
382 \starttrans
383 <context conditions>
384 ~
385 <original expression>
386 --------------------------          <expression conditions>
387 <transformed expresssion>
388 ~
389 <context additions>
390 \stoptrans
391
392 This format desribes a transformation that applies to \lam{original
393 expresssion} and transforms it into \lam{transformed expression}, assuming
394 that all conditions apply. In this format, there are a number of placeholders
395 in pointy brackets, most of which should be rather obvious in their meaning.
396 Nevertheless, we will more precisely specify their meaning below:
397
398   \startdesc{<original expression>} The expression pattern that will be matched
399   against (subexpressions of) the expression to be transformed. We call this a
400   pattern, because it can contain \emph{placeholders} (variables), which match
401   any expression or binder. Any such placeholder is said to be \emph{bound} to
402   the expression it matches. It is convention to use an uppercase latter (\eg
403   \lam{M} or \lam{E} to refer to any expression (including a simple variable
404   reference) and lowercase letters (\eg \lam{v} or \lam{b}) to refer to
405   (references to) binders.
406
407   For example, the pattern \lam{a + B} will match the expression 
408   \lam{v + (2 * w)} (and bind \lam{a} to \lam{v} and \lam{B} to 
409   \lam{(2 * 2)}), but not \lam{v + (2 * w)}.
410   \stopdesc
411
412   \startdesc{<expression conditions>}
413   These are extra conditions on the expression that is matched. These
414   conditions can be used to further limit the cases in which the
415   transformation applies, in particular to prevent a transformation from
416   causing a loop with itself or another transformation.
417
418   Only if these if these conditions are \emph{all} true, this transformation
419   applies.
420   \stopdesc
421
422   \startdesc{<context conditions>}
423   These are a number of extra conditions on the context of the function. In
424   particular, these conditions can require some other top level function to be
425   present, whose value matches the pattern given here. The format of each of
426   these conditions is: \lam{binder = <pattern>}.
427
428   Typically, the binder is some placeholder bound in the \lam{<original
429   expression>}, while the pattern contains some placeholders that are used in
430   the \lam{transformed expression}.
431   
432   Only if a top level binder exists that matches each binder and pattern, this
433   transformation applies.
434   \stopdesc
435
436   \startdesc{<transformed expression>}
437   This is the expression template that is the result of the transformation. If, looking
438   at the above three items, the transformation applies, the \lam{original
439   expression} is completely replaced with the \lam{<transformed expression>}.
440   We call this a template, because it can contain placeholders, referring to
441   any placeholder bound by the \lam{<original expression>} or the
442   \lam{<context conditions>}. The resulting expression will have those
443   placeholders replaced by the values bound to them.
444
445   Any binder (lowercase) placeholder that has no value bound to it yet will be
446   bound to (and replaced with) a fresh binder.
447   \stopdesc
448
449   \startdesc{<context additions>}
450   These are templates for new functions to add to the context. This is a way
451   to have a transformation create new top level functiosn.
452
453   Each addition has the form \lam{binder = template}. As above, any
454   placeholder in the addition is replaced with the value bound to it, and any
455   binder placeholder that has no value bound to it yet will be bound to (and
456   replaced with) a fresh binder.
457   \stopdesc
458
459   As an example, we'll look at η-abstraction:
460
461 \starttrans
462 E                 \lam{E :: a -> b}
463 --------------    \lam{E} does not occur on a function position in an application
464 λx.E x            \lam{E} is not a lambda abstraction.
465 \stoptrans
466
467   Consider the following function, which is a fairly obvious way to specify a
468   simple ALU (Note \at{example}[ex:AddSubAlu] is the normal form of this
469   function):
470
471 \startlambda 
472 alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
473 alu = λopcode. case opcode of
474   Low -> (+)
475   High -> (-)
476 \stoplambda
477
478   There are a few subexpressions in this function to which we could possibly
479   apply the transformation. Since the pattern of the transformation is only
480   the placeholder \lam{E}, any expression will match that. Whether the
481   transformation applies to an expression is thus solely decided by the
482   conditions to the right of the transformation.
483
484   We will look at each expression in the function in a top down manner. The
485   first expression is the entire expression the function is bound to.
486
487 \startlambda
488 λopcode. case opcode of
489   Low -> (+)
490   High -> (-)
491 \stoplambda
492
493   As said, the expression pattern matches this. The type of this expression is
494   \lam{Bit -> Word -> Word -> Word}, which matches \lam{a -> b} (Note that in
495   this case \lam{a = Bit} and \lam{b = Word -> Word -> Word}).
496
497   Since this expression is at top level, it does not occur at a function
498   position of an application. However, The expression is a lambda abstraction,
499   so this transformation does not apply.
500
501   The next expression we could apply this transformation to, is the body of
502   the lambda abstraction:
503
504 \startlambda
505 case opcode of
506   Low -> (+)
507   High -> (-)
508 \stoplambda
509
510   The type of this expression is \lam{Word -> Word -> Word}, which again
511   matches \lam{a -> b}. The expression is the body of a lambda expression, so
512   it does not occur at a function position of an application. Finally, the
513   expression is not a lambda abstraction but a case expression, so all the
514   conditions match. There are no context conditions to match, so the
515   transformation applies.
516
517   By now, the placeholder \lam{E} is bound to the entire expression. The
518   placeholder \lam{x}, which occurs in the replacement template, is not bound
519   yet, so we need to generate a fresh binder for that. Let's use the binder
520   \lam{a}. This results in the following replacement expression:
521
522 \startlambda
523 λa.(case opcode of
524   Low -> (+)
525   High -> (-)) a
526 \stoplambda
527
528   Continuing with this expression, we see that the transformation does not
529   apply again (it is a lambda expression). Next we look at the body of this
530   labmda abstraction:
531
532 \startlambda
533 (case opcode of
534   Low -> (+)
535   High -> (-)) a
536 \stoplambda
537   
538   Here, the transformation does apply, binding \lam{E} to the entire
539   expression and \lam{x} to the fresh binder \lam{b}, resulting in the
540   replacement:
541
542 \startlambda
543 λb.(case opcode of
544   Low -> (+)
545   High -> (-)) a b
546 \stoplambda
547
548   Again, the transformation does not apply to this lambda abstraction, so we
549   look at its body. For brevity, we'll put the case statement on one line from
550   now on.
551
552 \startlambda
553 (case opcode of Low -> (+); High -> (-)) a b
554 \stoplambda
555
556   The type of this expression is \lam{Word}, so it does not match \lam{a -> b}
557   and the transformation does not apply. Next, we have two options for the
558   next expression to look at: The function position and argument position of
559   the application. The expression in the argument position is \lam{b}, which
560   has type \lam{Word}, so the transformation does not apply. The expression in
561   the function position is:
562
563 \startlambda
564 (case opcode of Low -> (+); High -> (-)) a
565 \stoplambda
566
567   Obviously, the transformation does not apply here, since it occurs in
568   function position. In the same way the transformation does not apply to both
569   components of this expression (\lam{case opcode of Low -> (+); High -> (-)}
570   and \lam{a}), so we'll skip to the components of the case expression: The
571   scrutinee and both alternatives. Since the opcode is not a function, it does
572   not apply here, and we'll leave both alternatives as an exercise to the
573   reader. The final function, after all these transformations becomes:
574
575 \startlambda 
576 alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
577 alu = λopcode.λa.b. (case opcode of
578   Low -> λa1.λb1 (+) a1 b1
579   High -> λa2.λb2 (-) a2 b2) a b
580 \stoplambda
581
582   In this case, the transformation does not apply anymore, though this might
583   not always be the case (e.g., the application of a transformation on a
584   subexpression might open up possibilities to apply the transformation
585   further up in the expression).
586
587 \subsection{Transformation application}
588 In this chapter we define a number of transformations, but how will we apply
589 these? As stated before, our normal form is reached as soon as no
590 transformation applies anymore. This means our application strategy is to
591 simply apply any transformation that applies, and continuing to do that with
592 the result of each transformation.
593
594 In particular, we define no particular order of transformations. Since
595 transformation order should not influence the resulting normal form (see TODO
596 ref), this leaves the implementation free to choose any application order that
597 results in an efficient implementation.
598
599 When applying a single transformation, we try to apply it to every (sub)expression
600 in a function, not just the top level function. This allows us to keep the
601 transformation descriptions concise and powerful.
602
603 \subsection{Definitions}
604 In the following sections, we will be using a number of functions and
605 notations, which we will define here.
606
607 \subsubsection{Other concepts}
608 A \emph{global variable} is any variable that is bound at the
609 top level of a program, or an external module. A \emph{local variable} is any
610 other variable (\eg, variables local to a function, which can be bound by
611 lambda abstractions, let expressions and pattern matches of case
612 alternatives).  Note that this is a slightly different notion of global versus
613 local than what \small{GHC} uses internally.
614 \defref{global variable} \defref{local variable}
615
616 A \emph{hardware representable} (or just \emph{representable}) type or value
617 is (a value of) a type that we can generate a signal for in hardware. For
618 example, a bit, a vector of bits, a 32 bit unsigned word, etc. Types that are
619 not runtime representable notably include (but are not limited to): Types,
620 dictionaries, functions.
621 \defref{representable}
622
623 A \emph{builtin function} is a function supplied by the Cλash framework, whose
624 implementation is not valid Cλash. The implementation is of course valid
625 Haskell, for simulation, but it is not expressable in Cλash.
626 \defref{builtin function} \defref{user-defined function}
627
628 For these functions, Cλash has a \emph{builtin hardware translation}, so calls
629 to these functions can still be translated. These are functions like
630 \lam{map}, \lam{hwor} and \lam{length}.
631
632 A \emph{user-defined} function is a function for which we do have a Cλash
633 implementation available.
634
635 \subsubsection{Functions}
636 Here, we define a number of functions that can be used below to concisely
637 specify conditions.
638
639 \refdef{global variable}\emph{gvar(expr)} is true when \emph{expr} is a variable that references a
640 global variable. It is false when it references a local variable.
641
642 \refdef{local variable}\emph{lvar(expr)} is the complement of \emph{gvar}; it is true when \emph{expr}
643 references a local variable, false when it references a global variable.
644
645 \refdef{representable}\emph{representable(expr)} or \emph{representable(var)} is true when
646 \emph{expr} or \emph{var} is \emph{representable}.
647
648 \subsection{Binder uniqueness}
649 A common problem in transformation systems, is binder uniqueness. When not
650 considering this problem, it is easy to create transformations that mix up
651 bindings and cause name collisions. Take for example, the following core
652 expression:
653
654 \startlambda
655 (λa.λb.λc. a * b * c) x c
656 \stoplambda
657
658 By applying β-reduction (see below) once, we can simplify this expression to:
659
660 \startlambda
661 (λb.λc. x * b * c) c
662 \stoplambda
663
664 Now, we have replaced the \lam{a} binder with a reference to the \lam{x}
665 binder. No harm done here. But note that we see multiple occurences of the
666 \lam{c} binder. The first is a binding occurence, to which the second refers.
667 The last, however refers to \emph{another} instance of \lam{c}, which is
668 bound somewhere outside of this expression. Now, if we would apply beta
669 reduction without taking heed of binder uniqueness, we would get:
670
671 \startlambda
672 λc. x * c * c
673 \stoplambda
674
675 This is obviously not what was supposed to happen! The root of this problem is
676 the reuse of binders: Identical binders can be bound in different scopes, such
677 that only the inner one is \quote{visible} in the inner expression. In the example
678 above, the \lam{c} binder was bound outside of the expression and in the inner
679 lambda expression. Inside that lambda expression, only the inner \lam{c} is
680 visible.
681
682 There are a number of ways to solve this. \small{GHC} has isolated this
683 problem to their binder substitution code, which performs \emph{deshadowing}
684 during its expression traversal. This means that any binding that shadows
685 another binding on a higher level is replaced by a new binder that does not
686 shadow any other binding. This non-shadowing invariant is enough to prevent
687 binder uniqueness problems in \small{GHC}.
688
689 In our transformation system, maintaining this non-shadowing invariant is
690 a bit harder to do (mostly due to implementation issues, the prototype doesn't
691 use \small{GHC}'s subsitution code). Also, we can observe the following
692 points.
693
694 \startitemize
695 \item Deshadowing does not guarantee overall uniqueness. For example, the
696 following (slightly contrived) expression shows the identifier \lam{x} bound in
697 two seperate places (and to different values), even though no shadowing
698 occurs.
699
700 \startlambda
701 (let x = 1 in x) + (let x = 2 in x)
702 \stoplambda
703
704 \item In our normal form (and the resulting \small{VHDL}), all binders
705 (signals) will end up in the same scope. To allow this, all binders within the
706 same function should be unique.
707
708 \item When we know that all binders in an expression are unique, moving around
709 or removing a subexpression will never cause any binder conflicts. If we have
710 some way to generate fresh binders, introducing new subexpressions will not
711 cause any problems either. The only way to cause conflicts is thus to
712 duplicate an existing subexpression.
713 \stopitemize
714
715 Given the above, our prototype maintains a unique binder invariant. This
716 meanst that in any given moment during normalization, all binders \emph{within
717 a single function} must be unique. To achieve this, we apply the following
718 technique.
719
720 TODO: Define fresh binders and unique supplies
721
722 \startitemize
723 \item Before starting normalization, all binders in the function are made
724 unique. This is done by generating a fresh binder for every binder used. This
725 also replaces binders that did not pose any conflict, but it does ensure that
726 all binders within the function are generated by the same unique supply. See
727 (TODO: ref fresh binder).
728 \item Whenever a new binder must be generated, we generate a fresh binder that
729 is guaranteed to be different from \emph{all binders generated so far}. This
730 can thus never introduce duplication and will maintain the invariant.
731 \item Whenever (part of) an expression is duplicated (for example when
732 inlining), all binders in the expression are replaced with fresh binders
733 (using the same method as at the start of normalization). These fresh binders
734 can never introduce duplication, so this will maintain the invariant.
735 \item Whenever we move part of an expression around within the function, there
736 is no need to do anything special. There is obviously no way to introduce
737 duplication by moving expressions around. Since we know that each of the
738 binders is already unique, there is no way to introduce (incorrect) shadowing
739 either.
740 \stopitemize
741
742 \section{Transform passes}
743 In this section we describe the actual transforms. Here we're using
744 the core language in a notation that resembles lambda calculus.
745
746 Each of these transforms is meant to be applied to every (sub)expression
747 in a program, for as long as it applies. Only when none of the
748 transformations can be applied anymore, the program is in normal form (by
749 definition). We hope to be able to prove that this form will obey all of the
750 constraints defined above, but this has yet to happen (though it seems likely
751 that it will).
752
753 Each of the transforms will be described informally first, explaining
754 the need for and goal of the transform. Then, a formal definition is
755 given, using a familiar syntax from the world of logic. Each transform
756 is specified as a number of conditions (above the horizontal line) and a
757 number of conclusions (below the horizontal line). The details of using
758 this notation are still a bit fuzzy, so comments are welcom.
759
760 \subsection{η-abstraction}
761 This transformation makes sure that all arguments of a function-typed
762 expression are named, by introducing lambda expressions. When combined with
763 β-reduction and function inlining below, all function-typed expressions should
764 be lambda abstractions or global identifiers.
765
766 \starttrans
767 E                 \lam{E :: a -> b}
768 --------------    \lam{E} is not the first argument of an application.
769 λx.E x            \lam{E} is not a lambda abstraction.
770                   \lam{x} is a variable that does not occur free in \lam{E}.
771 \stoptrans
772
773 \startbuffer[from]
774 foo = λa.case a of 
775   True -> λb.mul b b
776   False -> id
777 \stopbuffer
778
779 \startbuffer[to]
780 foo = λa.λx.(case a of 
781     True -> λb.mul b b
782     False -> λy.id y) x
783 \stopbuffer
784
785 \transexample{η-abstraction}{from}{to}
786
787 \subsection{β-reduction}
788 β-reduction is a well known transformation from lambda calculus, where it is
789 the main reduction step. It reduces applications of labmda abstractions,
790 removing both the lambda abstraction and the application.
791
792 In our transformation system, this step helps to remove unwanted lambda
793 abstractions (basically all but the ones at the top level). Other
794 transformations (application propagation, non-representable inlining) make
795 sure that most lambda abstractions will eventually be reducable by
796 β-reduction.
797
798 TODO: Define substitution syntax
799
800 \starttrans
801 (λx.E) M
802 -----------------
803 E[M/x]
804 \stoptrans
805
806 % And an example
807 \startbuffer[from]
808 (λa. 2 * a) (2 * b)
809 \stopbuffer
810
811 \startbuffer[to]
812 2 * (2 * b)
813 \stopbuffer
814
815 \transexample{β-reduction}{from}{to}
816
817 \subsection{Application propagation}
818 This transformation is meant to propagate application expressions downwards
819 into expressions as far as possible. This allows partial applications inside
820 expressions to become fully applied and exposes new transformation
821 possibilities for other transformations (like β-reduction).
822
823 \starttrans
824 let binds in E) M
825 -----------------
826 let binds in E M
827 \stoptrans
828
829 % And an example
830 \startbuffer[from]
831 ( let 
832     val = 1
833   in 
834     add val
835 ) 3
836 \stopbuffer
837
838 \startbuffer[to]
839 let 
840   val = 1
841 in 
842   add val 3
843 \stopbuffer
844
845 \transexample{Application propagation for a let expression}{from}{to}
846
847 \starttrans
848 (case x of
849   p1 -> E1
850   \vdots
851   pn -> En) M
852 -----------------
853 case x of
854   p1 -> E1 M
855   \vdots
856   pn -> En M
857 \stoptrans
858
859 % And an example
860 \startbuffer[from]
861 ( case x of 
862     True -> id
863     False -> neg
864 ) 1
865 \stopbuffer
866
867 \startbuffer[to]
868 case x of 
869   True -> id 1
870   False -> neg 1
871 \stopbuffer
872
873 \transexample{Application propagation for a case expression}{from}{to}
874
875 \subsection{Let derecursification}
876 This transformation is meant to make lets non-recursive whenever possible.
877 This might allow other optimizations to do their work better. TODO: Why is
878 this needed exactly?
879
880 \subsection{Let flattening}
881 This transformation puts nested lets in the same scope, by lifting the
882 binding(s) of the inner let into a new let around the outer let. Eventually,
883 this will cause all let bindings to appear in the same scope (they will all be
884 in scope for the function return value).
885
886 Note that this transformation does not try to be smart when faced with
887 recursive lets, it will just leave the lets recursive (possibly joining a
888 recursive and non-recursive let into a single recursive let). The let
889 rederursification transformation will do this instead.
890
891 \starttrans
892 letnonrec x = (let bindings in M) in N
893 ------------------------------------------
894 let bindings in (letnonrec x = M) in N
895 \stoptrans
896
897 \starttrans
898 letrec 
899   \vdots
900   x = (let bindings in M)
901   \vdots
902 in
903   N
904 ------------------------------------------
905 letrec
906   \vdots
907   bindings
908   x = M
909   \vdots
910 in
911   N
912 \stoptrans
913
914 \startbuffer[from]
915 let
916   a = letrec
917     x = 1
918     y = 2
919   in
920     x + y
921 in
922   letrec
923     b = let c = 3 in a + c
924     d = 4
925   in
926     d + b
927 \stopbuffer
928 \startbuffer[to]
929 letrec
930   x = 1
931   y = 2
932 in
933   let
934     a = x + y
935   in
936     letrec
937       c = 3
938       b = a + c
939       d = 4
940     in
941       d + b
942 \stopbuffer
943
944 \transexample{Let flattening}{from}{to}
945
946 \subsection{Empty let removal}
947 This transformation is simple: It removes recursive lets that have no bindings
948 (which usually occurs when let derecursification removes the last binding from
949 it).
950
951 \starttrans
952 letrec in M
953 --------------
954 M
955 \stoptrans
956
957 \subsection{Simple let binding removal}
958 This transformation inlines simple let bindings (\eg a = b).
959
960 This transformation is not needed to get into normal form, but makes the
961 resulting \small{VHDL} a lot shorter.
962
963 \starttrans
964 letnonrec
965   a = b
966 in
967   M
968 -----------------
969 M[b/a]
970 \stoptrans
971
972 \starttrans
973 letrec
974   \vdots
975   a = b
976   \vdots
977 in
978   M
979 -----------------
980 let
981   \vdots [b/a]
982   \vdots [b/a]
983 in
984   M[b/a]
985 \stoptrans
986
987 \subsection{Unused let binding removal}
988 This transformation removes let bindings that are never used. Usually,
989 the desugarer introduces some unused let bindings.
990
991 This normalization pass should really be unneeded to get into normal form
992 (since ununsed bindings are not forbidden by the normal form), but in practice
993 the desugarer or simplifier emits some unused bindings that cannot be
994 normalized (e.g., calls to a \type{PatError} (TODO: Check this name)). Also,
995 this transformation makes the resulting \small{VHDL} a lot shorter.
996
997 \starttrans
998 let a = E in M
999 ----------------------------    \lam{a} does not occur free in \lam{M}
1000 M
1001 \stoptrans
1002
1003 \starttrans
1004 letrec
1005   \vdots
1006   a = E
1007   \vdots
1008 in
1009   M
1010 ----------------------------    \lam{a} does not occur free in \lam{M}
1011 letrec
1012   \vdots
1013   \vdots
1014 in
1015   M
1016 \stoptrans
1017
1018 \subsection{Non-representable binding inlining}
1019 This transform inlines let bindings that have a non-representable type. Since
1020 we can never generate a signal assignment for these bindings (we cannot
1021 declare a signal assignment with a non-representable type, for obvious
1022 reasons), we have no choice but to inline the binding to remove it.
1023
1024 If the binding is non-representable because it is a lambda abstraction, it is
1025 likely that it will inlined into an application and β-reduction will remove
1026 the lambda abstraction and turn it into a representable expression at the
1027 inline site. The same holds for partial applications, which can be turned into
1028 full applications by inlining.
1029
1030 Other cases of non-representable bindings we see in practice are primitive
1031 Haskell types. In most cases, these will not result in a valid normalized
1032 output, but then the input would have been invalid to start with. There is one
1033 exception to this: When a builtin function is applied to a non-representable
1034 expression, things might work out in some cases. For example, when you write a
1035 literal \hs{SizedInt} in Haskell, like \hs{1 :: SizedInt D8}, this results in
1036 the following core: \lam{fromInteger (smallInteger 10)}, where for example
1037 \lam{10 :: GHC.Prim.Int\#} and \lam{smallInteger 10 :: Integer} have
1038 non-representable types. TODO: This/these paragraph(s) should probably become a
1039 separate discussion somewhere else.
1040
1041 \starttrans
1042 letnonrec a = E in M
1043 --------------------------    \lam{E} has a non-representable type.
1044 M[E/a]
1045 \stoptrans
1046
1047 \starttrans
1048 letrec 
1049   \vdots
1050   a = E
1051   \vdots
1052 in
1053   M
1054 --------------------------    \lam{E} has a non-representable type.
1055 letrec
1056   \vdots [E/a]
1057   \vdots [E/a]
1058 in
1059   M[E/a]
1060 \stoptrans
1061
1062 \startbuffer[from]
1063 letrec
1064   a = smallInteger 10
1065   inc = λa -> add a 1
1066   inc' = add 1
1067   x = fromInteger a 
1068 in
1069   inc (inc' x)
1070 \stopbuffer
1071
1072 \startbuffer[to]
1073 letrec
1074   x = fromInteger (smallInteger 10)
1075 in
1076   (λa -> add a 1) (add 1 x)
1077 \stopbuffer
1078
1079 \transexample{Let flattening}{from}{to}
1080
1081 \subsection{Compiler generated top level binding inlining}
1082 TODO
1083
1084 \subsection{Scrutinee simplification}
1085 This transform ensures that the scrutinee of a case expression is always
1086 a simple variable reference.
1087
1088 \starttrans
1089 case E of
1090   alts
1091 -----------------        \lam{E} is not a local variable reference
1092 let x = E in 
1093   case E of
1094     alts
1095 \stoptrans
1096
1097 \startbuffer[from]
1098 case (foo a) of
1099   True -> a
1100   False -> b
1101 \stopbuffer
1102
1103 \startbuffer[to]
1104 let x = foo a in
1105   case x of
1106     True -> a
1107     False -> b
1108 \stopbuffer
1109
1110 \transexample{Let flattening}{from}{to}
1111
1112
1113 \subsection{Case simplification}
1114 This transformation ensures that all case expressions become normal form. This
1115 means they will become one of:
1116 \startitemize
1117 \item An extractor case with a single alternative that picks a single field
1118 from a datatype, \eg \lam{case x of (a, b) -> a}.
1119 \item A selector case with multiple alternatives and only wild binders, that
1120 makes a choice between expressions based on the constructor of another
1121 expression, \eg \lam{case x of Low -> a; High -> b}.
1122 \stopitemize
1123
1124 \starttrans
1125 case E of
1126   C0 v0,0 ... v0,m -> E0
1127   \vdots
1128   Cn vn,0 ... vn,m -> En
1129 --------------------------------------------------- \forall i \forall j, 0 <= i <= n, 0 <= i < m (\lam{wi,j} is a wild (unused) binder)
1130 letnonrec
1131   v0,0 = case x of C0 v0,0 .. v0,m -> v0,0
1132   \vdots
1133   v0,m = case x of C0 v0,0 .. v0,m -> v0,m
1134   x0 = E0
1135   \dots
1136   vn,m = case x of Cn vn,0 .. vn,m -> vn,m
1137   xn = En
1138 in
1139   case E of
1140     C0 w0,0 ... w0,m -> x0
1141     \vdots
1142     Cn wn,0 ... wn,m -> xn
1143 \stoptrans
1144
1145 TODO: This transformation specified like this is complicated and misses
1146 conditions to prevent looping with itself. Perhaps we should split it here for
1147 discussion?
1148
1149 \startbuffer[from]
1150 case a of
1151   True -> add b 1
1152   False -> add b 2
1153 \stopbuffer
1154
1155 \startbuffer[to]
1156 letnonrec
1157   x0 = add b 1
1158   x1 = add b 2
1159 in
1160   case a of
1161     True -> x0
1162     False -> x1
1163 \stopbuffer
1164
1165 \transexample{Selector case simplification}{from}{to}
1166
1167 \startbuffer[from]
1168 case a of
1169   (,) b c -> add b c
1170 \stopbuffer
1171 \startbuffer[to]
1172 letnonrec
1173   b = case a of (,) b c -> b
1174   c = case a of (,) b c -> c
1175   x0 = add b c
1176 in
1177   case a of
1178     (,) w0 w1 -> x0
1179 \stopbuffer
1180
1181 \transexample{Extractor case simplification}{from}{to}
1182
1183 \subsection{Case removal}
1184 This transform removes any case statements with a single alternative and
1185 only wild binders.
1186
1187 These "useless" case statements are usually leftovers from case simplification
1188 on extractor case (see the previous example).
1189
1190 \starttrans
1191 case x of
1192   C v0 ... vm -> E
1193 ----------------------     \lam{\forall i, 0 <= i <= m} (\lam{vi} does not occur free in E)
1194 E
1195 \stoptrans
1196
1197 \startbuffer[from]
1198 case a of
1199   (,) w0 w1 -> x0
1200 \stopbuffer
1201
1202 \startbuffer[to]
1203 x0
1204 \stopbuffer
1205
1206 \transexample{Case removal}{from}{to}
1207
1208 \subsection{Argument simplification}
1209 The transforms in this section deal with simplifying application
1210 arguments into normal form. The goal here is to:
1211
1212 \startitemize
1213  \item Make all arguments of user-defined functions (\eg, of which
1214  we have a function body) simple variable references of a runtime
1215  representable type. This is needed, since these applications will be turned
1216  into component instantiations.
1217  \item Make all arguments of builtin functions one of:
1218    \startitemize
1219     \item A type argument.
1220     \item A dictionary argument.
1221     \item A type level expression.
1222     \item A variable reference of a runtime representable type.
1223     \item A variable reference or partial application of a function type.
1224    \stopitemize
1225 \stopitemize
1226
1227 When looking at the arguments of a user-defined function, we can
1228 divide them into two categories:
1229 \startitemize
1230   \item Arguments of a runtime representable type (\eg bits or vectors).
1231
1232         These arguments can be preserved in the program, since they can
1233         be translated to input ports later on.  However, since we can
1234         only connect signals to input ports, these arguments must be
1235         reduced to simple variables (for which signals will be
1236         produced). This is taken care of by the argument extraction
1237         transform.
1238   \item Non-runtime representable typed arguments.
1239         
1240         These arguments cannot be preserved in the program, since we
1241         cannot represent them as input or output ports in the resulting
1242         \small{VHDL}. To remove them, we create a specialized version of the
1243         called function with these arguments filled in. This is done by
1244         the argument propagation transform.
1245
1246         Typically, these arguments are type and dictionary arguments that are
1247         used to make functions polymorphic. By propagating these arguments, we
1248         are essentially doing the same which GHC does when it specializes
1249         functions: Creating multiple variants of the same function, one for
1250         each type for which it is used. Other common non-representable
1251         arguments are functions, e.g. when calling a higher order function
1252         with another function or a lambda abstraction as an argument.
1253
1254         The reason for doing this is similar to the reasoning provided for
1255         the inlining of non-representable let bindings above. In fact, this
1256         argument propagation could be viewed as a form of cross-function
1257         inlining.
1258 \stopitemize
1259
1260 TODO: Check the following itemization.
1261
1262 When looking at the arguments of a builtin function, we can divide them
1263 into categories: 
1264
1265 \startitemize
1266   \item Arguments of a runtime representable type.
1267         
1268         As we have seen with user-defined functions, these arguments can
1269         always be reduced to a simple variable reference, by the
1270         argument extraction transform. Performing this transform for
1271         builtin functions as well, means that the translation of builtin
1272         functions can be limited to signal references, instead of
1273         needing to support all possible expressions.
1274
1275   \item Arguments of a function type.
1276         
1277         These arguments are functions passed to higher order builtins,
1278         like \lam{map} and \lam{foldl}. Since implementing these
1279         functions for arbitrary function-typed expressions (\eg, lambda
1280         expressions) is rather comlex, we reduce these arguments to
1281         (partial applications of) global functions.
1282         
1283         We can still support arbitrary expressions from the user code,
1284         by creating a new global function containing that expression.
1285         This way, we can simply replace the argument with a reference to
1286         that new function. However, since the expression can contain any
1287         number of free variables we also have to include partial
1288         applications in our normal form.
1289
1290         This category of arguments is handled by the function extraction
1291         transform.
1292   \item Other unrepresentable arguments.
1293         
1294         These arguments can take a few different forms:
1295         \startdesc{Type arguments}
1296           In the core language, type arguments can only take a single
1297           form: A type wrapped in the Type constructor. Also, there is
1298           nothing that can be done with type expressions, except for
1299           applying functions to them, so we can simply leave type
1300           arguments as they are.
1301         \stopdesc
1302         \startdesc{Dictionary arguments}
1303           In the core language, dictionary arguments are used to find
1304           operations operating on one of the type arguments (mostly for
1305           finding class methods). Since we will not actually evaluatie
1306           the function body for builtin functions and can generate
1307           code for builtin functions by just looking at the type
1308           arguments, these arguments can be ignored and left as they
1309           are.
1310         \stopdesc
1311         \startdesc{Type level arguments}
1312           Sometimes, we want to pass a value to a builtin function, but
1313           we need to know the value at compile time. Additionally, the
1314           value has an impact on the type of the function. This is
1315           encoded using type-level values, where the actual value of the
1316           argument is not important, but the type encodes some integer,
1317           for example. Since the value is not important, the actual form
1318           of the expression does not matter either and we can leave
1319           these arguments as they are.
1320         \stopdesc
1321         \startdesc{Other arguments}
1322           Technically, there is still a wide array of arguments that can
1323           be passed, but does not fall into any of the above categories.
1324           However, none of the supported builtin functions requires such
1325           an argument. This leaves use with passing unsupported types to
1326           a function, such as calling \lam{head} on a list of functions.
1327
1328           In these cases, it would be impossible to generate hardware
1329           for such a function call anyway, so we can ignore these
1330           arguments.
1331
1332           The only way to generate hardware for builtin functions with
1333           arguments like these, is to expand the function call into an
1334           equivalent core expression (\eg, expand map into a series of
1335           function applications). But for now, we choose to simply not
1336           support expressions like these.
1337         \stopdesc
1338
1339         From the above, we can conclude that we can simply ignore these
1340         other unrepresentable arguments and focus on the first two
1341         categories instead.
1342 \stopitemize
1343
1344 \subsubsection{Argument simplification}
1345 This transform deals with arguments to functions that
1346 are of a runtime representable type. It ensures that they will all become
1347 references to global variables, or local signals in the resulting \small{VHDL}. 
1348
1349 TODO: It seems we can map an expression to a port, not only a signal.
1350 Perhaps this makes this transformation not needed?
1351 TODO: Say something about dataconstructors (without arguments, like True
1352 or False), which are variable references of a runtime representable
1353 type, but do not result in a signal.
1354
1355 To reduce a complex expression to a simple variable reference, we create
1356 a new let expression around the application, which binds the complex
1357 expression to a new variable. The original function is then applied to
1358 this variable.
1359
1360 \starttrans
1361 M N
1362 --------------------    \lam{N} is of a representable type
1363 let x = N in M x        \lam{N} is not a local variable reference
1364 \stoptrans
1365
1366 \startbuffer[from]
1367 add (add a 1) 1
1368 \stopbuffer
1369
1370 \startbuffer[to]
1371 let x = add a 1 in add x 1
1372 \stopbuffer
1373
1374 \transexample{Argument extraction}{from}{to}
1375
1376 \subsubsection{Function extraction}
1377 This transform deals with function-typed arguments to builtin functions.
1378 Since these arguments cannot be propagated, we choose to extract them
1379 into a new global function instead.
1380
1381 Any free variables occuring in the extracted arguments will become
1382 parameters to the new global function. The original argument is replaced
1383 with a reference to the new function, applied to any free variables from
1384 the original argument.
1385
1386 This transformation is useful when applying higher order builtin functions
1387 like \hs{map} to a lambda abstraction, for example. In this case, the code
1388 that generates \small{VHDL} for \hs{map} only needs to handle top level functions and
1389 partial applications, not any other expression (such as lambda abstractions or
1390 even more complicated expressions).
1391
1392 \starttrans
1393 M N                     \lam{M} is a (partial aplication of a) builtin function.
1394 ---------------------   \lam{f0 ... fn} = free local variables of \lam{N}
1395 M x f0 ... fn           \lam{N :: a -> b}
1396 ~                       \lam{N} is not a (partial application of) a top level function
1397 x = λf0 ... λfn.N
1398 \stoptrans
1399
1400 \startbuffer[from]
1401 map (λa . add a b) xs
1402
1403 map (add b) ys
1404 \stopbuffer
1405
1406 \startbuffer[to]
1407 x0 = λb.λa.add a b
1408 ~
1409 map x0 xs
1410
1411 x1 = λb.add b
1412 map x1 ys
1413 \stopbuffer
1414
1415 \transexample{Function extraction}{from}{to}
1416
1417 \subsubsection{Argument propagation}
1418 This transform deals with arguments to user-defined functions that are
1419 not representable at runtime. This means these arguments cannot be
1420 preserved in the final form and most be {\em propagated}.
1421
1422 Propagation means to create a specialized version of the called
1423 function, with the propagated argument already filled in. As a simple
1424 example, in the following program:
1425
1426 \startlambda
1427 f = λa.λb.a + b
1428 inc = λa.f a 1
1429 \stoplambda
1430
1431 we could {\em propagate} the constant argument 1, with the following
1432 result:
1433
1434 \startlambda
1435 f' = λa.a + 1
1436 inc = λa.f' a
1437 \stoplambda
1438
1439 Special care must be taken when the to-be-propagated expression has any
1440 free variables. If this is the case, the original argument should not be
1441 removed alltogether, but replaced by all the free variables of the
1442 expression. In this way, the original expression can still be evaluated
1443 inside the new function. Also, this brings us closer to our goal: All
1444 these free variables will be simple variable references.
1445
1446 To prevent us from propagating the same argument over and over, a simple
1447 local variable reference is not propagated (since is has exactly one
1448 free variable, itself, we would only replace that argument with itself).
1449
1450 This shows that any free local variables that are not runtime representable
1451 cannot be brought into normal form by this transform. We rely on an
1452 inlining transformation to replace such a variable with an expression we
1453 can propagate again.
1454
1455 \starttrans
1456 x = E
1457 ~
1458 x Y0 ... Yi ... Yn                               \lam{Yi} is not of a runtime representable type
1459 ---------------------------------------------    \lam{Yi} is not a local variable reference
1460 x' y0 ... yi-1 f0 ...  fm Yi+1 ... Yn            \lam{f0 ... fm} = free local vars of \lam{Yi}
1461 ~
1462 x' = λy0 ... yi-1 f0 ... fm yi+1 ... yn .       
1463       E y0 ... yi-1 Yi yi+1 ... yn   
1464
1465 \stoptrans
1466
1467 TODO: Example
1468
1469 \subsection{Cast propagation / simplification}
1470 This transform pushes casts down into the expression as far as possible. Since
1471 its exact role and need is not clear yet, this transformation is not yet
1472 specified.
1473
1474 \subsection{Return value simplification}
1475 This transformation ensures that the return value of a function is always a
1476 simple local variable reference.
1477
1478 Currently implemented using lambda simplification, let simplification, and
1479 top simplification. Should change into something like the following, which
1480 works only on the result of a function instead of any subexpression. This is
1481 achieved by the contexts, like \lam{x = E}, though this is strictly not
1482 correct (you could read this as "if there is any function \lam{x} that binds
1483 \lam{E}, any \lam{E} can be transformed, while we only mean the \lam{E} that
1484 is bound by \lam{x}. This might need some extra notes or something).
1485
1486 \starttrans
1487 x = E                            \lam{E} is representable
1488 ~                                \lam{E} is not a lambda abstraction
1489 E                                \lam{E} is not a let expression
1490 ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
1491 let x = E in x
1492 \stoptrans
1493
1494 \starttrans
1495 x = λv0 ... λvn.E
1496 ~                                \lam{E} is representable
1497 E                                \lam{E} is not a let expression
1498 ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
1499 let x = E in x
1500 \stoptrans
1501
1502 \starttrans
1503 x = λv0 ... λvn.let ... in E
1504 ~                                \lam{E} is representable
1505 E                                \lam{E} is not a local variable reference
1506 ---------------------------
1507 let x = E in x
1508 \stoptrans
1509
1510 \startbuffer[from]
1511 x = add 1 2
1512 \stopbuffer
1513
1514 \startbuffer[to]
1515 x = let x = add 1 2 in x
1516 \stopbuffer
1517
1518 \transexample{Return value simplification}{from}{to}