Some minor fixes and improvements.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Normalization.tex
1 \chapter[chap:normalization]{Normalization}
2   % A helper to print a single example in the half the page width. The example
3   % text should be in a buffer whose name is given in an argument.
4   %
5   % The align=right option really does left-alignment, but without the program
6   % will end up on a single line. The strut=no option prevents a bunch of empty
7   % space at the start of the frame.
8   \define[1]\example{
9     \framed[offset=1mm,align=right,strut=no,background=box,frame=off]{
10       \setuptyping[option=LAM,style=sans,before=,after=,strip=auto]
11       \typebuffer[#1]
12       \setuptyping[option=none,style=\tttf,strip=auto]
13     }
14   }
15
16   \define[4]\transexample{
17     \placeexample[here][ex:trans:#1]{#2}
18     \startcombination[2*1]
19       {\example{#3}}{Original program}
20       {\example{#4}}{Transformed program}
21     \stopcombination
22   }
23
24   The first step in the core to \small{VHDL} translation process, is normalization. We
25   aim to bring the core description into a simpler form, which we can
26   subsequently translate into \small{VHDL} easily. This normal form is needed because
27   the full core language is more expressive than \small{VHDL} in some areas and because
28   core can describe expressions that do not have a direct hardware
29   interpretation.
30
31   \todo{Describe core properties not supported in \VHDL, and describe how the
32   \VHDL we want to generate should look like.}
33
34   \section{Normal form}
35     \todo{Refresh or refer to distinct hardware per application principle}
36     The transformations described here have a well-defined goal: To bring the
37     program in a well-defined form that is directly translatable to hardware,
38     while fully preserving the semantics of the program. We refer to this form as
39     the \emph{normal form} of the program. The formal definition of this normal
40     form is quite simple:
41
42     \placedefinition{}{A program is in \emph{normal form} if none of the
43     transformations from this chapter apply.}
44
45     Of course, this is an \quote{easy} definition of the normal form, since our
46     program will end up in normal form automatically. The more interesting part is
47     to see if this normal form actually has the properties we would like it to
48     have.
49
50     But, before getting into more definitions and details about this normal form,
51     let's try to get a feeling for it first. The easiest way to do this is by
52     describing the things we want to not have in a normal form.
53
54     \startitemize
55       \item Any \emph{polymorphism} must be removed. When laying down hardware, we
56       can't generate any signals that can have multiple types. All types must be
57       completely known to generate hardware.
58       
59       \item Any \emph{higher order} constructions must be removed. We can't
60       generate a hardware signal that contains a function, so all values,
61       arguments and returns values used must be first order.
62
63       \item Any complex \emph{nested scopes} must be removed. In the \small{VHDL}
64       description, every signal is in a single scope. Also, full expressions are
65       not supported everywhere (in particular port maps can only map signal
66       names and constants, not complete expressions). To make the \small{VHDL}
67       generation easy, a separate binder must be bound to ever application or
68       other expression.
69     \stopitemize
70
71     \todo{Intermezzo: functions vs plain values}
72
73     A very simple example of a program in normal form is given in
74     \in{example}[ex:MulSum]. As you can see, all arguments to the function (which
75     will become input ports in the final hardware) are at the outer level.
76     This means that the body of the inner lambda abstraction is never a
77     function, but always a plain value.
78
79     As the body of the inner lambda abstraction, we see a single (recursive)
80     let expression, that binds two variables (\lam{mul} and \lam{sum}). These
81     variables will be signals in the final hardware, bound to the output port
82     of the \lam{*} and \lam{+} components.
83
84     The final line (the \quote{return value} of the function) selects the
85     \lam{sum} signal to be the output port of the function. This \quote{return
86     value} can always only be a variable reference, never a more complex
87     expression.
88
89     \todo{Add generated VHDL}
90
91     \startbuffer[MulSum]
92     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
93     alu = λa.λb.λc.
94         let
95           mul = (*) a b
96           sum = (+) mul c
97         in
98           sum
99     \stopbuffer
100
101     \startuseMPgraphic{MulSum}
102       save a, b, c, mul, add, sum;
103
104       % I/O ports
105       newCircle.a(btex $a$ etex) "framed(false)";
106       newCircle.b(btex $b$ etex) "framed(false)";
107       newCircle.c(btex $c$ etex) "framed(false)";
108       newCircle.sum(btex $res$ etex) "framed(false)";
109
110       % Components
111       newCircle.mul(btex * etex);
112       newCircle.add(btex + etex);
113
114       a.c      - b.c   = (0cm, 2cm);
115       b.c      - c.c   = (0cm, 2cm);
116       add.c            = c.c + (2cm, 0cm);
117       mul.c            = midpoint(a.c, b.c) + (2cm, 0cm);
118       sum.c            = add.c + (2cm, 0cm);
119       c.c              = origin;
120
121       % Draw objects and lines
122       drawObj(a, b, c, mul, add, sum);
123
124       ncarc(a)(mul) "arcangle(15)";
125       ncarc(b)(mul) "arcangle(-15)";
126       ncline(c)(add);
127       ncline(mul)(add);
128       ncline(add)(sum);
129     \stopuseMPgraphic
130
131     \placeexample[here][ex:MulSum]{Simple architecture consisting of a
132     multiplier and a subtractor.}
133       \startcombination[2*1]
134         {\typebufferlam{MulSum}}{Core description in normal form.}
135         {\boxedgraphic{MulSum}}{The architecture described by the normal form.}
136       \stopcombination
137
138     The previous example described composing an architecture by calling other
139     functions (operators), resulting in a simple architecture with components and
140     connections. There is of course also some mechanism for choice in the normal
141     form. In a normal Core program, the \emph{case} expression can be used in a
142     few different ways to describe choice. In normal form, this is limited to a
143     very specific form.
144
145     \in{Example}[ex:AddSubAlu] shows an example describing a
146     simple \small{ALU}, which chooses between two operations based on an opcode
147     bit. The main structure is similar to \in{example}[ex:MulSum], but this
148     time the \lam{res} variable is bound to a case expression. This case
149     expression scrutinizes the variable \lam{opcode} (and scrutinizing more
150     complex expressions is not supported). The case expression can select a
151     different variable based on the constructor of \lam{opcode}.
152
153     \startbuffer[AddSubAlu]
154     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
155     alu = λopcode.λa.λb.
156         let
157           res1 = (+) a b
158           res2 = (-) a b
159           res = case opcode of
160             Low -> res1
161             High -> res2
162         in
163           res
164     \stopbuffer
165
166     \startuseMPgraphic{AddSubAlu}
167       save opcode, a, b, add, sub, mux, res;
168
169       % I/O ports
170       newCircle.opcode(btex $opcode$ etex) "framed(false)";
171       newCircle.a(btex $a$ etex) "framed(false)";
172       newCircle.b(btex $b$ etex) "framed(false)";
173       newCircle.res(btex $res$ etex) "framed(false)";
174       % Components
175       newCircle.add(btex + etex);
176       newCircle.sub(btex - etex);
177       newMux.mux;
178
179       opcode.c - a.c   = (0cm, 2cm);
180       add.c    - a.c   = (4cm, 0cm);
181       sub.c    - b.c   = (4cm, 0cm);
182       a.c      - b.c   = (0cm, 3cm);
183       mux.c            = midpoint(add.c, sub.c) + (1.5cm, 0cm);
184       res.c    - mux.c = (1.5cm, 0cm);
185       b.c              = origin;
186
187       % Draw objects and lines
188       drawObj(opcode, a, b, res, add, sub, mux);
189
190       ncline(a)(add) "posA(e)";
191       ncline(b)(sub) "posA(e)";
192       nccurve(a)(sub) "posA(e)", "angleA(0)";
193       nccurve(b)(add) "posA(e)", "angleA(0)";
194       nccurve(add)(mux) "posB(inpa)", "angleB(0)";
195       nccurve(sub)(mux) "posB(inpb)", "angleB(0)";
196       nccurve(opcode)(mux) "posB(n)", "angleA(0)", "angleB(-90)";
197       ncline(mux)(res) "posA(out)";
198     \stopuseMPgraphic
199
200     \placeexample[here][ex:AddSubAlu]{Simple \small{ALU} supporting two operations.}
201       \startcombination[2*1]
202         {\typebufferlam{AddSubAlu}}{Core description in normal form.}
203         {\boxedgraphic{AddSubAlu}}{The architecture described by the normal form.}
204       \stopcombination
205
206     As a more complete example, consider \in{example}[ex:NormalComplete]. This
207     example contains everything that is supported in normal form, with the
208     exception of builtin higher order functions. The graphical version of the
209     architecture contains a slightly simplified version, since the state tuple
210     packing and unpacking have been left out. Instead, two seperate registers are
211     drawn. Also note that most synthesis tools will further optimize this
212     architecture by removing the multiplexers at the register input and
213     instead put some gates in front of the register's clock input, but we want
214     to show the architecture as close to the description as possible.
215
216     As you can see from the previous examples, the generation of the final
217     architecture from the normal form is straightforward. In each of the
218     examples, there is a direct match between the normal form structure,
219     the generated VHDL and the architecture shown in the images.
220
221     \startbuffer[NormalComplete]
222       regbank :: Bit 
223                  -> Word 
224                  -> State (Word, Word) 
225                  -> (State (Word, Word), Word)
226
227       -- All arguments are an inital lambda (address, data, packed state)
228       regbank = λa.λd.λsp.
229       -- There are nested let expressions at top level
230       let
231         -- Unpack the state by coercion (\eg, cast from
232         -- State (Word, Word) to (Word, Word))
233         s = sp :: (Word, Word)
234         -- Extract both registers from the state
235         r1 = case s of (a, b) -> a
236         r2 = case s of (a, b) -> b
237         -- Calling some other user-defined function.
238         d' = foo d
239         -- Conditional connections
240         out = case a of
241           High -> r1
242           Low -> r2
243         r1' = case a of
244           High -> d'
245           Low -> r1
246         r2' = case a of
247           High -> r2
248           Low -> d'
249         -- Packing a tuple
250         s' = (,) r1' r2'
251         -- pack the state by coercion (\eg, cast from
252         -- (Word, Word) to State (Word, Word))
253         sp' = s' :: State (Word, Word)
254         -- Pack our return value
255         res = (,) sp' out
256       in
257         -- The actual result
258         res
259     \stopbuffer
260
261     \startuseMPgraphic{NormalComplete}
262       save a, d, r, foo, muxr, muxout, out;
263
264       % I/O ports
265       newCircle.a(btex \lam{a} etex) "framed(false)";
266       newCircle.d(btex \lam{d} etex) "framed(false)";
267       newCircle.out(btex \lam{out} etex) "framed(false)";
268       % Components
269       %newCircle.add(btex + etex);
270       newBox.foo(btex \lam{foo} etex);
271       newReg.r1(btex $\lam{r1}$ etex) "dx(4mm)", "dy(6mm)";
272       newReg.r2(btex $\lam{r2}$ etex) "dx(4mm)", "dy(6mm)", "reflect(true)";
273       newMux.muxr1;
274       % Reflect over the vertical axis
275       reflectObj(muxr1)((0,0), (0,1));
276       newMux.muxr2;
277       newMux.muxout;
278       rotateObj(muxout)(-90);
279
280       d.c               = foo.c + (0cm, 1.5cm); 
281       a.c               = (xpart r2.c + 2cm, ypart d.c - 0.5cm);
282       foo.c             = midpoint(muxr1.c, muxr2.c) + (0cm, 2cm);
283       muxr1.c           = r1.c + (0cm, 2cm);
284       muxr2.c           = r2.c + (0cm, 2cm);
285       r2.c              = r1.c + (4cm, 0cm);
286       r1.c              = origin;
287       muxout.c          = midpoint(r1.c, r2.c) - (0cm, 2cm);
288       out.c             = muxout.c - (0cm, 1.5cm);
289
290     %  % Draw objects and lines
291       drawObj(a, d, foo, r1, r2, muxr1, muxr2, muxout, out);
292       
293       ncline(d)(foo);
294       nccurve(foo)(muxr1) "angleA(-90)", "posB(inpa)", "angleB(180)";
295       nccurve(foo)(muxr2) "angleA(-90)", "posB(inpb)", "angleB(0)";
296       nccurve(muxr1)(r1) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(d)", "angleB(0)";
297       nccurve(r1)(muxr1) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(inpb)", "angleB(180)";
298       nccurve(muxr2)(r2) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(d)", "angleB(180)";
299       nccurve(r2)(muxr2) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(inpa)", "angleB(0)";
300       nccurve(r1)(muxout) "posA(out)", "angleA(0)", "posB(inpb)", "angleB(-90)";
301       nccurve(r2)(muxout) "posA(out)", "angleA(180)", "posB(inpa)", "angleB(-90)";
302       % Connect port a
303       nccurve(a)(muxout) "angleA(-90)", "angleB(180)", "posB(sel)";
304       nccurve(a)(muxr1) "angleA(180)", "angleB(-90)", "posB(sel)";
305       nccurve(a)(muxr2) "angleA(180)", "angleB(-90)", "posB(sel)";
306       ncline(muxout)(out) "posA(out)";
307     \stopuseMPgraphic
308
309     \todo{Don't split registers in this image?}
310     \placeexample[here][ex:NormalComplete]{Simple architecture consisting of an adder and a
311     subtractor.}
312       \startcombination[2*1]
313         {\typebufferlam{NormalComplete}}{Core description in normal form.}
314         {\boxedgraphic{NormalComplete}}{The architecture described by the normal form.}
315       \stopcombination
316     
317
318
319     \subsection{Intended normal form definition}
320       Now we have some intuition for the normal form, we can describe how we want
321       the normal form to look like in a slightly more formal manner. The following
322       EBNF-like description completely captures the intended structure (and
323       generates a subset of GHC's core format).
324
325       Some clauses have an expression listed in parentheses. These are conditions
326       that need to apply to the clause.
327
328       \defref{intended normal form definition}
329       \todo{Fix indentation}
330       \startlambda
331       \italic{normal} = \italic{lambda}
332       \italic{lambda} = λvar.\italic{lambda} (representable(var))
333                       | \italic{toplet} 
334       \italic{toplet} = letrec [\italic{binding}...] in var (representable(varvar))
335       \italic{binding} = var = \italic{rhs} (representable(rhs))
336                        -- State packing and unpacking by coercion
337                        | var0 = var1 :: State ty (lvar(var1))
338                        | var0 = var1 :: ty (var0 :: State ty) (lvar(var1))
339       \italic{rhs} = userapp
340                    | builtinapp
341                    -- Extractor case
342                    | case var of C a0 ... an -> ai (lvar(var))
343                    -- Selector case
344                    | case var of (lvar(var))
345                       DEFAULT -> var0 (lvar(var0))
346                       C w0 ... wn -> resvar (\forall{}i, wi \neq resvar, lvar(resvar))
347       \italic{userapp} = \italic{userfunc}
348                        | \italic{userapp} {userarg}
349       \italic{userfunc} = var (gvar(var))
350       \italic{userarg} = var (lvar(var))
351       \italic{builtinapp} = \italic{builtinfunc}
352                           | \italic{builtinapp} \italic{builtinarg}
353       \italic{builtinfunc} = var (bvar(var))
354       \italic{builtinarg} = \italic{coreexpr}
355       \stoplambda
356
357       \todo{Limit builtinarg further}
358
359       \todo{There can still be other casts around (which the code can handle,
360       e.g., ignore), which still need to be documented here}
361
362       \todo{Note about the selector case. It just supports Bit and Bool
363       currently, perhaps it should be generalized in the normal form? This is
364       no longer true, btw}
365
366       When looking at such a program from a hardware perspective, the top level
367       lambda's define the input ports. The variable referenc in the body of
368       the recursive let expression is the output port. Most function
369       applications bound by the let expression define a component
370       instantiation, where the input and output ports are mapped to local
371       signals or arguments. Some of the others use a builtin construction (\eg
372       the \lam{case} expression) or call a builtin function (\eg \lam{+} or
373       \lam{map}). For these, a hardcoded \small{VHDL} translation is
374       available.
375
376   \section[sec:normalization:transformation]{Transformation notation}
377     To be able to concisely present transformations, we use a specific format
378     for 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 letter (\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)} (binding \lam{a} to \lam{v} and \lam{B} to 
409       \lam{(2 * w)}), but not \lam{(2 * w) + v}.
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, commonly to prevent a transformation from
416       causing a loop with itself or another transformation.
417
418       Only if these conditions are \emph{all} true, the 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,
433       the 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 functions.
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     η-abstraction is a well known transformation from lambda calculus. What
468     this transformation does, is take any expression that has a function type
469     and turn it into a lambda expression (giving an explicit name to the
470     argument). There are some extra conditions that ensure that this
471     transformation does not apply infinitely (which are not necessarily part
472     of the conventional definition of η-abstraction).
473
474     Consider the following function, which is a fairly obvious way to specify a
475     simple ALU (Note that \in{example}[ex:AddSubAlu] shows the normal form of this
476     function). The parentheses around the \lam{+} and \lam{-} operators are
477     commonly used in Haskell to show that the operators are used as normal
478     functions, instead of \emph{infix} operators (\eg, the operators appear
479     before their arguments, instead of in between).
480
481     \startlambda 
482     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
483     alu = λopcode. case opcode of
484       Low -> (+)
485       High -> (-)
486     \stoplambda
487
488     There are a few subexpressions in this function to which we could possibly
489     apply the transformation. Since the pattern of the transformation is only
490     the placeholder \lam{E}, any expression will match that. Whether the
491     transformation applies to an expression is thus solely decided by the
492     conditions to the right of the transformation.
493
494     We will look at each expression in the function in a top down manner. The
495     first expression is the entire expression the function is bound to.
496
497     \startlambda
498     λopcode. case opcode of
499       Low -> (+)
500       High -> (-)
501     \stoplambda
502
503     As said, the expression pattern matches this. The type of this expression is
504     \lam{Bit -> Word -> Word -> Word}, which matches \lam{a -> b} (Note that in
505     this case \lam{a = Bit} and \lam{b = Word -> Word -> Word}).
506
507     Since this expression is at top level, it does not occur at a function
508     position of an application. However, The expression is a lambda abstraction,
509     so this transformation does not apply.
510
511     The next expression we could apply this transformation to, is the body of
512     the lambda abstraction:
513
514     \startlambda
515     case opcode of
516       Low -> (+)
517       High -> (-)
518     \stoplambda
519
520     The type of this expression is \lam{Word -> Word -> Word}, which again
521     matches \lam{a -> b}. The expression is the body of a lambda expression, so
522     it does not occur at a function position of an application. Finally, the
523     expression is not a lambda abstraction but a case expression, so all the
524     conditions match. There are no context conditions to match, so the
525     transformation applies.
526
527     By now, the placeholder \lam{E} is bound to the entire expression. The
528     placeholder \lam{x}, which occurs in the replacement template, is not bound
529     yet, so we need to generate a fresh binder for that. Let's use the binder
530     \lam{a}. This results in the following replacement expression:
531
532     \startlambda
533     λa.(case opcode of
534       Low -> (+)
535       High -> (-)) a
536     \stoplambda
537
538     Continuing with this expression, we see that the transformation does not
539     apply again (it is a lambda expression). Next we look at the body of this
540     lambda abstraction:
541
542     \startlambda
543     (case opcode of
544       Low -> (+)
545       High -> (-)) a
546     \stoplambda
547     
548     Here, the transformation does apply, binding \lam{E} to the entire
549     expression and \lam{x} to the fresh binder \lam{b}, resulting in the
550     replacement:
551
552     \startlambda
553     λb.(case opcode of
554       Low -> (+)
555       High -> (-)) a b
556     \stoplambda
557
558     Again, the transformation does not apply to this lambda abstraction, so we
559     look at its body. For brevity, we'll put the case statement on one line from
560     now on.
561
562     \startlambda
563     (case opcode of Low -> (+); High -> (-)) a b
564     \stoplambda
565
566     The type of this expression is \lam{Word}, so it does not match \lam{a -> b}
567     and the transformation does not apply. Next, we have two options for the
568     next expression to look at: The function position and argument position of
569     the application. The expression in the argument position is \lam{b}, which
570     has type \lam{Word}, so the transformation does not apply. The expression in
571     the function position is:
572
573     \startlambda
574     (case opcode of Low -> (+); High -> (-)) a
575     \stoplambda
576
577     Obviously, the transformation does not apply here, since it occurs in
578     function position (which makes the second condition false). In the same
579     way the transformation does not apply to both components of this
580     expression (\lam{case opcode of Low -> (+); High -> (-)} and \lam{a}), so
581     we'll skip to the components of the case expression: The scrutinee and
582     both alternatives. Since the opcode is not a function, it does not apply
583     here.
584
585     The first alternative is \lam{(+)}. This expression has a function type
586     (the operator still needs two arguments). It does not occur in function
587     position of an application and it is not a lambda expression, so the
588     transformation applies.
589
590     We look at the \lam{<original expression>} pattern, which is \lam{E}.
591     This means we bind \lam{E} to \lam{(+)}. We then replace the expression
592     with the \lam{<transformed expression>}, replacing all occurences of
593     \lam{E} with \lam{(+)}. In the \lam{<transformed expression>}, the This gives us the replacement expression:
594     \lam{λx.(+) x} (A lambda expression binding \lam{x}, with a body that
595     applies the addition operator to \lam{x}).
596
597     The complete function then becomes:
598     \startlambda
599     (case opcode of Low -> λa1.(+) a1; High -> (-)) a
600     \stoplambda
601
602     Now the transformation no longer applies to the complete first alternative
603     (since it is a lambda expression). It does not apply to the addition
604     operator again, since it is now in function position in an application. It
605     does, however, apply to the application of the addition operator, since
606     that is neither a lambda expression nor does it occur in function
607     position. This means after one more application of the transformation, the
608     function becomes:
609
610     \startlambda
611     (case opcode of Low -> λa1.λb1.(+) a1 b1; High -> (-)) a
612     \stoplambda
613
614     The other alternative is left as an exercise to the reader. The final
615     function, after applying η-abstraction until it does no longer apply is:
616
617     \startlambda 
618     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
619     alu = λopcode.λa.b. (case opcode of
620       Low -> λa1.λb1 (+) a1 b1
621       High -> λa2.λb2 (-) a2 b2) a b
622     \stoplambda
623
624     \subsection{Transformation application}
625       In this chapter we define a number of transformations, but how will we apply
626       these? As stated before, our normal form is reached as soon as no
627       transformation applies anymore. This means our application strategy is to
628       simply apply any transformation that applies, and continuing to do that with
629       the result of each transformation.
630
631       In particular, we define no particular order of transformations. Since
632       transformation order should not influence the resulting normal form,
633       \todo{This is not really true, but would like it to be...} this leaves
634       the implementation free to choose any application order that results in
635       an efficient implementation.
636
637       When applying a single transformation, we try to apply it to every (sub)expression
638       in a function, not just the top level function body. This allows us to
639       keep the transformation descriptions concise and powerful.
640
641     \subsection{Definitions}
642       In the following sections, we will be using a number of functions and
643       notations, which we will define here.
644
645       \todo{Define substitution (notation)}
646
647       \subsubsection{Concepts}
648         A \emph{global variable} is any variable (binder) that is bound at the
649         top level of a program, or an external module. A \emph{local variable} is any
650         other variable (\eg, variables local to a function, which can be bound by
651         lambda abstractions, let expressions and pattern matches of case
652         alternatives).  Note that this is a slightly different notion of global versus
653         local than what \small{GHC} uses internally.
654         \defref{global variable} \defref{local variable}
655
656         A \emph{hardware representable} (or just \emph{representable}) type or value
657         is (a value of) a type that we can generate a signal for in hardware. For
658         example, a bit, a vector of bits, a 32 bit unsigned word, etc. Values that are
659         not runtime representable notably include (but are not limited to): Types,
660         dictionaries, functions.
661         \defref{representable}
662
663         A \emph{builtin function} is a function supplied by the Cλash framework, whose
664         implementation is not valid Cλash. The implementation is of course valid
665         Haskell, for simulation, but it is not expressable in Cλash.
666         \defref{builtin function} \defref{user-defined function}
667
668       For these functions, Cλash has a \emph{builtin hardware translation}, so calls
669       to these functions can still be translated. These are functions like
670       \lam{map}, \lam{hwor} and \lam{length}.
671
672       A \emph{user-defined} function is a function for which we do have a Cλash
673       implementation available.
674
675       \subsubsection{Predicates}
676         Here, we define a number of predicates that can be used below to concisely
677         specify conditions.\refdef{global variable}
678
679         \emph{gvar(expr)} is true when \emph{expr} is a variable that references a
680         global variable. It is false when it references a local variable.
681
682         \refdef{local variable}\emph{lvar(expr)} is the complement of \emph{gvar}; it is true when \emph{expr}
683         references a local variable, false when it references a global variable.
684
685         \refdef{representable}\emph{representable(expr)} or \emph{representable(var)} is true when
686         \emph{expr} or \emph{var} is \emph{representable}.
687
688     \subsection[sec:normalization:uniq]{Binder uniqueness}
689       A common problem in transformation systems, is binder uniqueness. When not
690       considering this problem, it is easy to create transformations that mix up
691       bindings and cause name collisions. Take for example, the following core
692       expression:
693
694       \startlambda
695       (λa.λb.λc. a * b * c) x c
696       \stoplambda
697
698       By applying β-reduction (see \in{section}[sec:normalization:beta]) once,
699       we can simplify this expression to:
700
701       \startlambda
702       (λb.λc. x * b * c) c
703       \stoplambda
704
705       Now, we have replaced the \lam{a} binder with a reference to the \lam{x}
706       binder. No harm done here. But note that we see multiple occurences of the
707       \lam{c} binder. The first is a binding occurence, to which the second refers.
708       The last, however refers to \emph{another} instance of \lam{c}, which is
709       bound somewhere outside of this expression. Now, if we would apply beta
710       reduction without taking heed of binder uniqueness, we would get:
711
712       \startlambda
713       λc. x * c * c
714       \stoplambda
715
716       This is obviously not what was supposed to happen! The root of this problem is
717       the reuse of binders: Identical binders can be bound in different scopes, such
718       that only the inner one is \quote{visible} in the inner expression. In the example
719       above, the \lam{c} binder was bound outside of the expression and in the inner
720       lambda expression. Inside that lambda expression, only the inner \lam{c} is
721       visible.
722
723       There are a number of ways to solve this. \small{GHC} has isolated this
724       problem to their binder substitution code, which performs \emph{deshadowing}
725       during its expression traversal. This means that any binding that shadows
726       another binding on a higher level is replaced by a new binder that does not
727       shadow any other binding. This non-shadowing invariant is enough to prevent
728       binder uniqueness problems in \small{GHC}.
729
730       In our transformation system, maintaining this non-shadowing invariant is
731       a bit harder to do (mostly due to implementation issues, the prototype doesn't
732       use \small{GHC}'s subsitution code). Also, the following points can be
733       observed.
734
735       \startitemize
736       \item Deshadowing does not guarantee overall uniqueness. For example, the
737       following (slightly contrived) expression shows the identifier \lam{x} bound in
738       two seperate places (and to different values), even though no shadowing
739       occurs.
740
741       \startlambda
742       (let x = 1 in x) + (let x = 2 in x)
743       \stoplambda
744
745       \item In our normal form (and the resulting \small{VHDL}), all binders
746       (signals) within the same function (entity) will end up in the same
747       scope. To allow this, all binders within the same function should be
748       unique.
749
750       \item When we know that all binders in an expression are unique, moving around
751       or removing a subexpression will never cause any binder conflicts. If we have
752       some way to generate fresh binders, introducing new subexpressions will not
753       cause any problems either. The only way to cause conflicts is thus to
754       duplicate an existing subexpression.
755       \stopitemize
756
757       Given the above, our prototype maintains a unique binder invariant. This
758       means that in any given moment during normalization, all binders \emph{within
759       a single function} must be unique. To achieve this, we apply the following
760       technique.
761
762       \todo{Define fresh binders and unique supplies}
763
764       \startitemize
765       \item Before starting normalization, all binders in the function are made
766       unique. This is done by generating a fresh binder for every binder used. This
767       also replaces binders that did not cause any conflict, but it does ensure that
768       all binders within the function are generated by the same unique supply.
769       \refdef{fresh binder}
770       \item Whenever a new binder must be generated, we generate a fresh binder that
771       is guaranteed to be different from \emph{all binders generated so far}. This
772       can thus never introduce duplication and will maintain the invariant.
773       \item Whenever (a part of) an expression is duplicated (for example when
774       inlining), all binders in the expression are replaced with fresh binders
775       (using the same method as at the start of normalization). These fresh binders
776       can never introduce duplication, so this will maintain the invariant.
777       \item Whenever we move part of an expression around within the function, there
778       is no need to do anything special. There is obviously no way to introduce
779       duplication by moving expressions around. Since we know that each of the
780       binders is already unique, there is no way to introduce (incorrect) shadowing
781       either.
782       \stopitemize
783
784   \section{Transform passes}
785     In this section we describe the actual transforms.
786
787     Each transformation will be described informally first, explaining
788     the need for and goal of the transformation. Then, we will formally define
789     the transformation using the syntax introduced in
790     \in{section}[sec:normalization:transformation].
791
792     \subsection{General cleanup}
793       These transformations are general cleanup transformations, that aim to
794       make expressions simpler. These transformations usually clean up the
795        mess left behind by other transformations or clean up expressions to
796        expose new transformation opportunities for other transformations.
797
798        Most of these transformations are standard optimizations in other
799        compilers as well. However, in our compiler, most of these are not just
800        optimizations, but they are required to get our program into intended
801        normal form.
802
803       \subsubsection[sec:normalization:beta]{β-reduction}
804         β-reduction is a well known transformation from lambda calculus, where it is
805         the main reduction step. It reduces applications of lambda abstractions,
806         removing both the lambda abstraction and the application.
807
808         In our transformation system, this step helps to remove unwanted lambda
809         abstractions (basically all but the ones at the top level). Other
810         transformations (application propagation, non-representable inlining) make
811         sure that most lambda abstractions will eventually be reducable by
812         β-reduction.
813
814         \starttrans
815         (λx.E) M
816         -----------------
817         E[x=>M]
818         \stoptrans
819
820         % And an example
821         \startbuffer[from]
822         (λa. 2 * a) (2 * b)
823         \stopbuffer
824
825         \startbuffer[to]
826         2 * (2 * b)
827         \stopbuffer
828
829         \transexample{beta}{β-reduction}{from}{to}
830
831       \subsubsection{Empty let removal}
832         This transformation is simple: It removes recursive lets that have no bindings
833         (which usually occurs when unused let binding removal removes the last
834         binding from it).
835
836         Note that there is no need to define this transformation for
837         non-recursive lets, since they always contain exactly one binding.
838
839         \starttrans
840         letrec in M
841         --------------
842         M
843         \stoptrans
844
845         \todo{Example}
846
847       \subsubsection{Simple let binding removal}
848         This transformation inlines simple let bindings, that bind some
849         binder to some other binder instead of a more complex expression (\ie
850         a = b).
851
852         This transformation is not needed to get an expression into intended
853         normal form (since these bindings are part of the intended normal
854         form), but makes the resulting \small{VHDL} a lot shorter.
855         
856         \starttrans
857         letrec
858           a0 = E0
859           \vdots
860           ai = b
861           \vdots
862           an = En
863         in
864           M
865         -----------------------------  \lam{b} is a variable reference
866         letrec                         \lam{ai} ≠ \lam{b}
867           a0 = E0 [ai=>b]
868           \vdots
869           ai-1 = Ei-1 [ai=>b]
870           ai+1 = Ei+1 [ai=>b]
871           \vdots
872           an = En [ai=>b]
873         in
874           M[ai=>b]
875         \stoptrans
876
877         \todo{example}
878
879       \subsubsection{Unused let binding removal}
880         This transformation removes let bindings that are never used.
881         Occasionally, \GHC's desugarer introduces some unused let bindings.
882
883         This normalization pass should really be unneeded to get into intended normal form
884         (since unused bindings are not forbidden by the normal form), but in practice
885         the desugarer or simplifier emits some unused bindings that cannot be
886         normalized (e.g., calls to a \type{PatError}\todo{Check this name}). Also,
887         this transformation makes the resulting \small{VHDL} a lot shorter.
888
889         \todo{Don't use old-style numerals in transformations}
890         \starttrans
891         letrec
892           a0 = E0
893           \vdots
894           ai = Ei
895           \vdots
896           an = En
897         in
898           M                             \lam{ai} does not occur free in \lam{M}
899         ----------------------------    \forall j, 0 ≤ j ≤ n, j ≠ i (\lam{ai} does not occur free in \lam{Ej})
900         letrec
901           a0 = E0
902           \vdots
903           ai-1 = Ei-1
904           ai+1 = Ei+1
905           \vdots
906           an = En
907         in
908           M
909         \stoptrans
910
911         \todo{Example}
912
913       \subsubsection{Cast propagation / simplification}
914         This transform pushes casts down into the expression as far as possible.
915         Since its exact role and need is not clear yet, this transformation is
916         not yet specified.
917
918         \todo{Cast propagation}
919
920       \subsubsection{Top level binding inlining}
921         This transform takes simple top level bindings generated by the
922         \small{GHC} compiler. \small{GHC} sometimes generates very simple
923         \quote{wrapper} bindings, which are bound to just a variable
924         reference, or a partial application to constants or other variable
925         references.
926
927         Note that this transformation is completely optional. It is not
928         required to get any function into intended normal form, but it does help making
929         the resulting VHDL output easier to read (since it removes a bunch of
930         components that are really boring).
931
932         This transform takes any top level binding generated by the compiler,
933         whose normalized form contains only a single let binding.
934
935         \starttrans
936         x = λa0 ... λan.let y = E in y
937         ~
938         x
939         --------------------------------------         \lam{x} is generated by the compiler
940         λa0 ... λan.let y = E in y
941         \stoptrans
942
943         \startbuffer[from]
944         (+) :: Word -> Word -> Word
945         (+) = GHC.Num.(+) @Word $dNum
946         ~
947         (+) a b
948         \stopbuffer
949         \startbuffer[to]
950         GHC.Num.(+) @ Alu.Word $dNum a b
951         \stopbuffer
952
953         \transexample{toplevelinline}{Top level binding inlining}{from}{to}
954        
955         \in{Example}[ex:trans:toplevelinline] shows a typical application of
956         the addition operator generated by \GHC. The type and dictionary
957         arguments used here are described in
958         \in{Section}[section:prototype:polymorphism].
959
960         Without this transformation, there would be a \lam{(+)} entity
961         in the \VHDL which would just add its inputs. This generates a
962         lot of overhead in the \VHDL, which is particularly annoying
963         when browsing the generated RTL schematic (especially since most
964         non-alphanumerics, like all characters in \lam{(+)}, are not
965         allowed in \VHDL architecture names\footnote{Technically, it is
966         allowed to use non-alphanumerics when using extended
967         identifiers, but it seems that none of the tooling likes
968         extended identifiers in filenames, so it effectively doesn't
969         work.}, so the entity would be called \quote{w7aA7f} or
970         something similarly unreadable and autogenerated).
971
972     \subsection{Program structure}
973       These transformations are aimed at normalizing the overall structure
974       into the intended form. This means ensuring there is a lambda abstraction
975       at the top for every argument (input port or current state), putting all
976       of the other value definitions in let bindings and making the final
977       return value a simple variable reference.
978
979       \subsubsection{η-abstraction}
980         This transformation makes sure that all arguments of a function-typed
981         expression are named, by introducing lambda expressions. When combined with
982         β-reduction and non-representable binding inlining, all function-typed
983         expressions should be lambda abstractions or global identifiers.
984
985         \starttrans
986         E                 \lam{E :: a -> b}
987         --------------    \lam{E} is not the first argument of an application.
988         λx.E x            \lam{E} is not a lambda abstraction.
989                           \lam{x} is a variable that does not occur free in \lam{E}.
990         \stoptrans
991
992         \startbuffer[from]
993         foo = λa.case a of 
994           True -> λb.mul b b
995           False -> id
996         \stopbuffer
997
998         \startbuffer[to]
999         foo = λa.λx.(case a of 
1000             True -> λb.mul b b
1001             False -> λy.id y) x
1002         \stopbuffer
1003
1004         \transexample{eta}{η-abstraction}{from}{to}
1005
1006       \subsubsection{Application propagation}
1007         This transformation is meant to propagate application expressions downwards
1008         into expressions as far as possible. This allows partial applications inside
1009         expressions to become fully applied and exposes new transformation
1010         opportunities for other transformations (like β-reduction and
1011         specialization).
1012
1013         Since all binders in our expression are unique (see
1014         \in{section}[sec:normalization:uniq]), there is no risk that we will
1015         introduce unintended shadowing by moving an expression into a lower
1016         scope. Also, since only move expression into smaller scopes (down into
1017         our expression), there is no risk of moving a variable reference out
1018         of the scope in which it is defined.
1019
1020         \starttrans
1021         (letrec binds in E) M
1022         ------------------------
1023         letrec binds in E M
1024         \stoptrans
1025
1026         % And an example
1027         \startbuffer[from]
1028         ( letrec
1029             val = 1
1030           in 
1031             add val
1032         ) 3
1033         \stopbuffer
1034
1035         \startbuffer[to]
1036         letrec
1037           val = 1
1038         in 
1039           add val 3
1040         \stopbuffer
1041
1042         \transexample{appproplet}{Application propagation for a let expression}{from}{to}
1043
1044         \starttrans
1045         (case x of
1046           p1 -> E1
1047           \vdots
1048           pn -> En) M
1049         -----------------
1050         case x of
1051           p1 -> E1 M
1052           \vdots
1053           pn -> En M
1054         \stoptrans
1055
1056         % And an example
1057         \startbuffer[from]
1058         ( case x of 
1059             True -> id
1060             False -> neg
1061         ) 1
1062         \stopbuffer
1063
1064         \startbuffer[to]
1065         case x of 
1066           True -> id 1
1067           False -> neg 1
1068         \stopbuffer
1069
1070         \transexample{apppropcase}{Application propagation for a case expression}{from}{to}
1071
1072       \subsubsection{Let recursification}
1073         This transformation makes all non-recursive lets recursive. In the
1074         end, we want a single recursive let in our normalized program, so all
1075         non-recursive lets can be converted. This also makes other
1076         transformations simpler: They can simply assume all lets are
1077         recursive.
1078
1079         \starttrans
1080         let
1081           a = E
1082         in
1083           M
1084         ------------------------------------------
1085         letrec
1086           a = E
1087         in
1088           M
1089         \stoptrans
1090
1091       \subsubsection{Let flattening}
1092         This transformation puts nested lets in the same scope, by lifting the
1093         binding(s) of the inner let into the outer let. Eventually, this will
1094         cause all let bindings to appear in the same scope.
1095
1096         This transformation only applies to recursive lets, since all
1097         non-recursive lets will be made recursive (see
1098         \in{section}[sec:normalization:letrecurse]).
1099
1100         Since we are joining two scopes together, there is no risk of moving a
1101         variable reference out of the scope where it is defined.
1102
1103         \starttrans
1104         letrec 
1105           a0 = E0
1106           \vdots
1107           ai = (letrec bindings in M)
1108           \vdots
1109           an = En
1110         in
1111           N
1112         ------------------------------------------
1113         letrec
1114           a0 = E0
1115           \vdots
1116           ai = M
1117           \vdots
1118           an = En
1119           bindings
1120         in
1121           N
1122         \stoptrans
1123
1124         \startbuffer[from]
1125         letrec
1126           a = 1
1127           b = letrec
1128             x = a
1129             y = c
1130           in
1131             x + y
1132           c = 2
1133         in
1134           b
1135         \stopbuffer
1136         \startbuffer[to]
1137         letrec
1138           a = 1
1139           b = x + y
1140           c = 2
1141           x = a
1142           y = c
1143         in
1144           b
1145         \stopbuffer
1146
1147         \transexample{letflat}{Let flattening}{from}{to}
1148
1149       \subsubsection{Return value simplification}
1150         This transformation ensures that the return value of a function is always a
1151         simple local variable reference.
1152
1153         Currently implemented using lambda simplification, let simplification, and
1154         top simplification. Should change into something like the following, which
1155         works only on the result of a function instead of any subexpression. This is
1156         achieved by the contexts, like \lam{x = E}, though this is strictly not
1157         correct (you could read this as "if there is any function \lam{x} that binds
1158         \lam{E}, any \lam{E} can be transformed, while we only mean the \lam{E} that
1159         is bound by \lam{x}. This might need some extra notes or something).
1160
1161         Note that the return value is not simplified if its not representable.
1162         Otherwise, this would cause a direct loop with the inlining of
1163         unrepresentable bindings. If the return value is not
1164         representable because it has a function type, η-abstraction should
1165         make sure that this transformation will eventually apply. If the value
1166         is not representable for other reasons, the function result itself is
1167         not representable, meaning this function is not translatable anyway.
1168
1169         \starttrans
1170         x = E                            \lam{E} is representable
1171         ~                                \lam{E} is not a lambda abstraction
1172         E                                \lam{E} is not a let expression
1173         ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
1174         letrec x = E in x
1175         \stoptrans
1176
1177         \starttrans
1178         x = λv0 ... λvn.E
1179         ~                                \lam{E} is representable
1180         E                                \lam{E} is not a let expression
1181         ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
1182         letrec x = E in x
1183         \stoptrans
1184
1185         \starttrans
1186         x = λv0 ... λvn.let ... in E
1187         ~                                \lam{E} is representable
1188         E                                \lam{E} is not a local variable reference
1189         -----------------------------
1190         letrec x = E in x
1191         \stoptrans
1192
1193         \startbuffer[from]
1194         x = add 1 2
1195         \stopbuffer
1196
1197         \startbuffer[to]
1198         x = letrec x = add 1 2 in x
1199         \stopbuffer
1200
1201         \transexample{retvalsimpl}{Return value simplification}{from}{to}
1202         
1203         \todo{More examples}
1204
1205     \subsection{Argument simplification}
1206       The transforms in this section deal with simplifying application
1207       arguments into normal form. The goal here is to:
1208
1209       \todo{This section should only talk about representable arguments. Non
1210       representable arguments are treated by specialization.}
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. \todo{Move this
1239         bullet to specialization}
1240               
1241               These arguments cannot be preserved in the program, since we
1242               cannot represent them as input or output ports in the resulting
1243               \small{VHDL}. To remove them, we create a specialized version of the
1244               called function with these arguments filled in. This is done by
1245               the argument propagation transform.
1246
1247               Typically, these arguments are type and dictionary arguments that are
1248               used to make functions polymorphic. By propagating these arguments, we
1249               are essentially doing the same which GHC does when it specializes
1250               functions: Creating multiple variants of the same function, one for
1251               each type for which it is used. Other common non-representable
1252               arguments are functions, e.g. when calling a higher order function
1253               with another function or a lambda abstraction as an argument.
1254
1255               The reason for doing this is similar to the reasoning provided for
1256               the inlining of non-representable let bindings above. In fact, this
1257               argument propagation could be viewed as a form of cross-function
1258               inlining.
1259       \stopitemize
1260
1261       \todo{Move this itemization into a new section about builtin functions}
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
1348         \small{VHDL}, which is required due to limitations in the component
1349         instantiation code in \VHDL (one can only assign a signal or constant
1350         to an input port). By ensuring that all arguments are always simple
1351         variable references, we always have a signal available to assign to
1352         input ports.
1353
1354         \todo{Say something about dataconstructors (without arguments, like True
1355         or False), which are variable references of a runtime representable
1356         type, but do not result in a signal.}
1357
1358         To reduce a complex expression to a simple variable reference, we create
1359         a new let expression around the application, which binds the complex
1360         expression to a new variable. The original function is then applied to
1361         this variable.
1362
1363         Note that a reference to a \emph{global variable} (like a top level
1364         function without arguments, but also an argumentless dataconstructors
1365         like \lam{True}) is also simplified. Only local variables generate
1366         signals in the resulting architecture. 
1367
1368         \refdef{representable}
1369         \starttrans
1370         M N
1371         --------------------    \lam{N} is representable
1372         letrec x = N in M x     \lam{N} is not a local variable reference
1373         \stoptrans
1374         \refdef{local variable}
1375
1376         \startbuffer[from]
1377         add (add a 1) 1
1378         \stopbuffer
1379
1380         \startbuffer[to]
1381         letrec x = add a 1 in add x 1
1382         \stopbuffer
1383
1384         \transexample{argextract}{Argument extraction}{from}{to}
1385       
1386       \subsubsection{Function extraction}
1387         \todo{Move to section about builtin functions}
1388         This transform deals with function-typed arguments to builtin
1389         functions.  Since builtin functions cannot be specialized to remove
1390         the arguments, we choose to extract these arguments into a new global
1391         function instead. This greatly simplifies the translation rules needed
1392         for builtin functions. \todo{Should we talk about these? Reference
1393         Christiaan?}
1394
1395         Any free variables occuring in the extracted arguments will become
1396         parameters to the new global function. The original argument is replaced
1397         with a reference to the new function, applied to any free variables from
1398         the original argument.
1399
1400         This transformation is useful when applying higher order builtin functions
1401         like \hs{map} to a lambda abstraction, for example. In this case, the code
1402         that generates \small{VHDL} for \hs{map} only needs to handle top level functions and
1403         partial applications, not any other expression (such as lambda abstractions or
1404         even more complicated expressions).
1405
1406         \starttrans
1407         M N                     \lam{M} is (a partial aplication of) a builtin function.
1408         ---------------------   \lam{f0 ... fn} are all free local variables of \lam{N}
1409         M (x f0 ... fn)         \lam{N :: a -> b}
1410         ~                       \lam{N} is not a (partial application of) a top level function
1411         x = λf0 ... λfn.N
1412         \stoptrans
1413
1414         \todo{Split this example}
1415         \startbuffer[from]
1416         map (λa . add a b) xs
1417
1418         map (add b) ys
1419         \stopbuffer
1420
1421         \startbuffer[to]
1422         map (x0 b) xs
1423
1424         map x1 ys
1425         ~
1426         x0 = λb.λa.add a b
1427         x1 = λb.add b
1428         \stopbuffer
1429
1430         \transexample{funextract}{Function extraction}{from}{to}
1431
1432         Note that \lam{x0} and {x1} will still need normalization after this.
1433
1434       \subsubsection{Argument propagation}
1435         \todo{Rename this section to specialization and move it into a
1436         separate section}
1437
1438         This transform deals with arguments to user-defined functions that are
1439         not representable at runtime. This means these arguments cannot be
1440         preserved in the final form and most be {\em propagated}.
1441
1442         Propagation means to create a specialized version of the called
1443         function, with the propagated argument already filled in. As a simple
1444         example, in the following program:
1445
1446         \startlambda
1447         f = λa.λb.a + b
1448         inc = λa.f a 1
1449         \stoplambda
1450
1451         We could {\em propagate} the constant argument 1, with the following
1452         result:
1453
1454         \startlambda
1455         f' = λa.a + 1
1456         inc = λa.f' a
1457         \stoplambda
1458
1459         Special care must be taken when the to-be-propagated expression has any
1460         free variables. If this is the case, the original argument should not be
1461         removed completely, but replaced by all the free variables of the
1462         expression. In this way, the original expression can still be evaluated
1463         inside the new function. Also, this brings us closer to our goal: All
1464         these free variables will be simple variable references.
1465
1466         To prevent us from propagating the same argument over and over, a simple
1467         local variable reference is not propagated (since is has exactly one
1468         free variable, itself, we would only replace that argument with itself).
1469
1470         This shows that any free local variables that are not runtime representable
1471         cannot be brought into normal form by this transform. We rely on an
1472         inlining transformation to replace such a variable with an expression we
1473         can propagate again.
1474
1475         \starttrans
1476         x = E
1477         ~
1478         x Y0 ... Yi ... Yn                               \lam{Yi} is not of a runtime representable type
1479         ---------------------------------------------    \lam{Yi} is not a local variable reference
1480         x' y0 ... yi-1 f0 ...  fm Yi+1 ... Yn            \lam{f0 ... fm} are all free local vars of \lam{Yi}
1481         ~
1482         x' = λy0 ... λyi-1. λf0 ... λfm. λyi+1 ... λyn .       
1483               E y0 ... yi-1 Yi yi+1 ... yn   
1484         \stoptrans
1485
1486         \todo{Describe what the formal specification means}
1487         \todo{Note that we don't change the sepcialised function body, only
1488         wrap it}
1489
1490         \todo{Example}
1491
1492
1493     \subsection{Case normalisation}
1494       \subsubsection{Scrutinee simplification}
1495         This transform ensures that the scrutinee of a case expression is always
1496         a simple variable reference.
1497
1498         \starttrans
1499         case E of
1500           alts
1501         -----------------        \lam{E} is not a local variable reference
1502         letrec x = E in 
1503           case E of
1504             alts
1505         \stoptrans
1506
1507         \startbuffer[from]
1508         case (foo a) of
1509           True -> a
1510           False -> b
1511         \stopbuffer
1512
1513         \startbuffer[to]
1514         letrec x = foo a in
1515           case x of
1516             True -> a
1517             False -> b
1518         \stopbuffer
1519
1520         \transexample{letflat}{Let flattening}{from}{to}
1521
1522
1523       \subsubsection{Case simplification}
1524         This transformation ensures that all case expressions become normal form. This
1525         means they will become one of:
1526         \startitemize
1527         \item An extractor case with a single alternative that picks a single field
1528         from a datatype, \eg \lam{case x of (a, b) -> a}.
1529         \item A selector case with multiple alternatives and only wild binders, that
1530         makes a choice between expressions based on the constructor of another
1531         expression, \eg \lam{case x of Low -> a; High -> b}.
1532         \stopitemize
1533         
1534         \defref{wild binder}
1535         \starttrans
1536         case E of
1537           C0 v0,0 ... v0,m -> E0
1538           \vdots
1539           Cn vn,0 ... vn,m -> En
1540         --------------------------------------------------- \forall i \forall j, 0 ≤ i ≤ n, 0 ≤ i < m (\lam{wi,j} is a wild (unused) binder)
1541         letrec
1542           v0,0 = case E of C0 v0,0 .. v0,m -> v0,0
1543           \vdots
1544           v0,m = case E of C0 v0,0 .. v0,m -> v0,m
1545           \vdots
1546           vn,m = case E of Cn vn,0 .. vn,m -> vn,m
1547           x0 = E0
1548           \vdots
1549           xn = En
1550         in
1551           case E of
1552             C0 w0,0 ... w0,m -> x0
1553             \vdots
1554             Cn wn,0 ... wn,m -> xn
1555         \stoptrans
1556         \todo{Check the subscripts of this transformation}
1557
1558         Note that this transformation applies to case statements with any
1559         scrutinee. If the scrutinee is a complex expression, this might result
1560         in duplicate hardware. An extra condition to only apply this
1561         transformation when the scrutinee is already simple (effectively
1562         causing this transformation to be only applied after the scrutinee
1563         simplification transformation) might be in order. 
1564
1565         \fxnote{This transformation specified like this is complicated and misses
1566         conditions to prevent looping with itself. Perhaps it should be split here for
1567         discussion?}
1568
1569         \startbuffer[from]
1570         case a of
1571           True -> add b 1
1572           False -> add b 2
1573         \stopbuffer
1574
1575         \startbuffer[to]
1576         letnonrec
1577           x0 = add b 1
1578           x1 = add b 2
1579         in
1580           case a of
1581             True -> x0
1582             False -> x1
1583         \stopbuffer
1584
1585         \transexample{selcasesimpl}{Selector case simplification}{from}{to}
1586
1587         \startbuffer[from]
1588         case a of
1589           (,) b c -> add b c
1590         \stopbuffer
1591         \startbuffer[to]
1592         letrec
1593           b = case a of (,) b c -> b
1594           c = case a of (,) b c -> c
1595           x0 = add b c
1596         in
1597           case a of
1598             (,) w0 w1 -> x0
1599         \stopbuffer
1600
1601         \transexample{excasesimpl}{Extractor case simplification}{from}{to}
1602
1603         \refdef{selector case}
1604         In \in{example}[ex:trans:excasesimpl] the case expression is expanded
1605         into multiple case expressions, including a pretty useless expression
1606         (that is neither a selector or extractor case). This case can be
1607         removed by the Case removal transformation in
1608         \in{section}[sec:transformation:caseremoval].
1609
1610       \subsubsection[sec:transformation:caseremoval]{Case removal}
1611         This transform removes any case statements with a single alternative and
1612         only wild binders.
1613
1614         These "useless" case statements are usually leftovers from case simplification
1615         on extractor case (see the previous example).
1616
1617         \starttrans
1618         case x of
1619           C v0 ... vm -> E
1620         ----------------------     \lam{\forall i, 0 ≤ i ≤ m} (\lam{vi} does not occur free in E)
1621         E
1622         \stoptrans
1623
1624         \startbuffer[from]
1625         case a of
1626           (,) w0 w1 -> x0
1627         \stopbuffer
1628
1629         \startbuffer[to]
1630         x0
1631         \stopbuffer
1632
1633         \transexample{caserem}{Case removal}{from}{to}
1634
1635   \todo{Move these two sections somewhere? Perhaps not?}
1636   \subsection{Removing polymorphism}
1637     Reference type-specialization (== argument propagation)
1638
1639     Reference polymporphic binding inlining (== non-representable binding
1640     inlining).
1641
1642   \subsection{Defunctionalization}
1643     These transformations remove most higher order expressions from our
1644     program, making it completely first-order (the only exception here is for
1645     arguments to builtin functions, since we can't specialize builtin
1646     function. \todo{Talk more about this somewhere}
1647
1648     Reference higher-order-specialization (== argument propagation)
1649
1650       \subsubsection{Non-representable binding inlining}
1651         \todo{Move this section into a new section (together with
1652         specialization?)}
1653         This transform inlines let bindings that are bound to a
1654         non-representable value. Since we can never generate a signal
1655         assignment for these bindings (we cannot declare a signal assignment
1656         with a non-representable type, for obvious reasons), we have no choice
1657         but to inline the binding to remove it.
1658
1659         If the binding is non-representable because it is a lambda abstraction, it is
1660         likely that it will inlined into an application and β-reduction will remove
1661         the lambda abstraction and turn it into a representable expression at the
1662         inline site. The same holds for partial applications, which can be turned into
1663         full applications by inlining.
1664
1665         Other cases of non-representable bindings we see in practice are primitive
1666         Haskell types. In most cases, these will not result in a valid normalized
1667         output, but then the input would have been invalid to start with. There is one
1668         exception to this: When a builtin function is applied to a non-representable
1669         expression, things might work out in some cases. For example, when you write a
1670         literal \hs{SizedInt} in Haskell, like \hs{1 :: SizedInt D8}, this results in
1671         the following core: \lam{fromInteger (smallInteger 10)}, where for example
1672         \lam{10 :: GHC.Prim.Int\#} and \lam{smallInteger 10 :: Integer} have
1673         non-representable types. \todo{Expand on this. This/these paragraph(s)
1674         should probably become a separate discussion somewhere else}
1675
1676         \todo{Can this duplicate work?}
1677
1678         \starttrans
1679         letrec 
1680           a0 = E0
1681           \vdots
1682           ai = Ei
1683           \vdots
1684           an = En
1685         in
1686           M
1687         --------------------------    \lam{Ei} has a non-representable type.
1688         letrec
1689           a0 = E0 [ai=>Ei] \vdots
1690           ai-1 = Ei-1 [ai=>Ei]
1691           ai+1 = Ei+1 [ai=>Ei]
1692           \vdots
1693           an = En [ai=>Ei]
1694         in
1695           M[ai=>Ei]
1696         \stoptrans
1697
1698         \startbuffer[from]
1699         letrec
1700           a = smallInteger 10
1701           inc = λb -> add b 1
1702           inc' = add 1
1703           x = fromInteger a 
1704         in
1705           inc (inc' x)
1706         \stopbuffer
1707
1708         \startbuffer[to]
1709         letrec
1710           x = fromInteger (smallInteger 10)
1711         in
1712           (λb -> add b 1) (add 1 x)
1713         \stopbuffer
1714
1715         \transexample{nonrepinline}{Nonrepresentable binding inlining}{from}{to}
1716
1717
1718   \section[sec:normalization:properties]{Provable properties}
1719     When looking at the system of transformations outlined above, there are a
1720     number of questions that we can ask ourselves. The main question is of course:
1721     \quote{Does our system work as intended?}. We can split this question into a
1722     number of subquestions:
1723
1724     \startitemize[KR]
1725     \item[q:termination] Does our system \emph{terminate}? Since our system will
1726     keep running as long as transformations apply, there is an obvious risk that
1727     it will keep running indefinitely. This typically happens when one
1728     transformation produces a result that is transformed back to the original
1729     by another transformation, or when one or more transformations keep
1730     expanding some expression.
1731     \item[q:soundness] Is our system \emph{sound}? Since our transformations
1732     continuously modify the expression, there is an obvious risk that the final
1733     normal form will not be equivalent to the original program: Its meaning could
1734     have changed.
1735     \item[q:completeness] Is our system \emph{complete}? Since we have a complex
1736     system of transformations, there is an obvious risk that some expressions will
1737     not end up in our intended normal form, because we forgot some transformation.
1738     In other words: Does our transformation system result in our intended normal
1739     form for all possible inputs?
1740     \item[q:determinism] Is our system \emph{deterministic}? Since we have defined
1741     no particular order in which the transformation should be applied, there is an
1742     obvious risk that different transformation orderings will result in
1743     \emph{different} normal forms. They might still both be intended normal forms
1744     (if our system is \emph{complete}) and describe correct hardware (if our
1745     system is \emph{sound}), so this property is less important than the previous
1746     three: The translator would still function properly without it.
1747     \stopitemize
1748
1749     Unfortunately, the final transformation system has only been
1750     developed in the final part of the research, leaving no more time
1751     for verifying these properties. In fact, it is likely that the
1752     current transformation system still violates some of these
1753     properties in some cases and should be improved (or extra conditions
1754     on the input hardware descriptions should be formulated).
1755
1756     This is most likely the case with the completeness and determinism
1757     properties, perhaps als the termination property. The soundness
1758     property probably holds, since it is easier to manually verify (each
1759     transformation can be reviewed separately).
1760
1761     Even though no complete proofs have been made, some ideas for
1762     possible proof strategies are shown below.
1763
1764     \subsection{Graph representation}
1765       Before looking into how to prove these properties, we'll look at our
1766       transformation system from a graph perspective. The nodes of the graph are
1767       all possible Core expressions. The (directed) edges of the graph are
1768       transformations. When a transformation α applies to an expression \lam{A} to
1769       produce an expression \lam{B}, we add an edge from the node for \lam{A} to the
1770       node for \lam{B}, labeled α.
1771
1772       \startuseMPgraphic{TransformGraph}
1773         save a, b, c, d;
1774
1775         % Nodes
1776         newCircle.a(btex \lam{(λx.λy. (+) x y) 1} etex);
1777         newCircle.b(btex \lam{λy. (+) 1 y} etex);
1778         newCircle.c(btex \lam{(λx.(+) x) 1} etex);
1779         newCircle.d(btex \lam{(+) 1} etex);
1780
1781         b.c = origin;
1782         c.c = b.c + (4cm, 0cm);
1783         a.c = midpoint(b.c, c.c) + (0cm, 4cm);
1784         d.c = midpoint(b.c, c.c) - (0cm, 3cm);
1785
1786         % β-conversion between a and b
1787         ncarc.a(a)(b) "name(bred)";
1788         ObjLabel.a(btex $\xrightarrow[normal]{}{β}$ etex) "labpathname(bred)", "labdir(rt)";
1789         ncarc.b(b)(a) "name(bexp)", "linestyle(dashed withdots)";
1790         ObjLabel.b(btex $\xleftarrow[normal]{}{β}$ etex) "labpathname(bexp)", "labdir(lft)";
1791
1792         % η-conversion between a and c
1793         ncarc.a(a)(c) "name(ered)";
1794         ObjLabel.a(btex $\xrightarrow[normal]{}{η}$ etex) "labpathname(ered)", "labdir(rt)";
1795         ncarc.c(c)(a) "name(eexp)", "linestyle(dashed withdots)";
1796         ObjLabel.c(btex $\xleftarrow[normal]{}{η}$ etex) "labpathname(eexp)", "labdir(lft)";
1797
1798         % η-conversion between b and d
1799         ncarc.b(b)(d) "name(ered)";
1800         ObjLabel.b(btex $\xrightarrow[normal]{}{η}$ etex) "labpathname(ered)", "labdir(rt)";
1801         ncarc.d(d)(b) "name(eexp)", "linestyle(dashed withdots)";
1802         ObjLabel.d(btex $\xleftarrow[normal]{}{η}$ etex) "labpathname(eexp)", "labdir(lft)";
1803
1804         % β-conversion between c and d
1805         ncarc.c(c)(d) "name(bred)";
1806         ObjLabel.c(btex $\xrightarrow[normal]{}{β}$ etex) "labpathname(bred)", "labdir(rt)";
1807         ncarc.d(d)(c) "name(bexp)", "linestyle(dashed withdots)";
1808         ObjLabel.d(btex $\xleftarrow[normal]{}{β}$ etex) "labpathname(bexp)", "labdir(lft)";
1809
1810         % Draw objects and lines
1811         drawObj(a, b, c, d);
1812       \stopuseMPgraphic
1813
1814       \placeexample[right][ex:TransformGraph]{Partial graph of a lambda calculus
1815       system with β and η reduction (solid lines) and expansion (dotted lines).}
1816           \boxedgraphic{TransformGraph}
1817
1818       Of course our graph is unbounded, since we can construct an infinite amount of
1819       Core expressions. Also, there might potentially be multiple edges between two
1820       given nodes (with different labels), though seems unlikely to actually happen
1821       in our system.
1822
1823       See \in{example}[ex:TransformGraph] for the graph representation of a very
1824       simple lambda calculus that contains just the expressions \lam{(λx.λy. (+) x
1825       y) 1}, \lam{λy. (+) 1 y}, \lam{(λx.(+) x) 1} and \lam{(+) 1}. The
1826       transformation system consists of β-reduction and η-reduction (solid edges) or
1827       β-expansion and η-expansion (dotted edges).
1828
1829       \todo{Define β-reduction and η-reduction?}
1830
1831       Note that the normal form of such a system consists of the set of nodes
1832       (expressions) without outgoing edges, since those are the expression to which
1833       no transformation applies anymore. We call this set of nodes the \emph{normal
1834       set}. The set of nodes containing expressions in intended normal
1835       form \refdef{intended normal form} is called the \emph{intended
1836       normal set}.
1837
1838       From such a graph, we can derive some properties easily:
1839       \startitemize[KR]
1840         \item A system will \emph{terminate} if there is no path of infinite length
1841         in the graph (this includes cycles, but can also happen without cycles).
1842         \item Soundness is not easily represented in the graph.
1843         \item A system is \emph{complete} if all of the nodes in the normal set have
1844         the intended normal form. The inverse (that all of the nodes outside of
1845         the normal set are \emph{not} in the intended normal form) is not
1846         strictly required. In other words, our normal set must be a
1847         subset of the intended normal form, but they do not need to be
1848         the same set.
1849         form.
1850         \item A system is deterministic if all paths starting at a particular
1851         node, which end in a node in the normal set, end at the same node.
1852       \stopitemize
1853
1854       When looking at the \in{example}[ex:TransformGraph], we see that the system
1855       terminates for both the reduction and expansion systems (but note that, for
1856       expansion, this is only true because we've limited the possible
1857       expressions.  In comlete lambda calculus, there would be a path from
1858       \lam{(λx.λy. (+) x y) 1} to \lam{(λx.λy.(λz.(+) z) x y) 1} to
1859       \lam{(λx.λy.(λz.(λq.(+) q) z) x y) 1} etc.)
1860
1861       If we would consider the system with both expansion and reduction, there
1862       would no longer be termination either, since there would be cycles all
1863       over the place.
1864
1865       The reduction and expansion systems have a normal set of containing just
1866       \lam{(+) 1} or \lam{(λx.λy. (+) x y) 1} respectively. Since all paths in
1867       either system end up in these normal forms, both systems are \emph{complete}.
1868       Also, since there is only one node in the normal set, it must obviously be
1869       \emph{deterministic} as well.
1870
1871     \todo{Add content to these sections}
1872     \subsection{Termination}
1873       In general, proving termination of an arbitrary program is a very
1874       hard problem. \todo{Ref about arbitrary termination} Fortunately,
1875       we only have to prove termination for our specific transformation
1876       system.
1877
1878       A common approach for these kinds of proofs is to associate a
1879       measure with each possible expression in our system. If we can
1880       show that each transformation strictly decreases this measure
1881       (\ie, the expression transformed to has a lower measure than the
1882       expression transformed from).  \todo{ref about measure-based
1883       termination proofs / analysis}
1884       
1885       A good measure for a system consisting of just β-reduction would
1886       be the number of lambda expressions in the expression. Since every
1887       application of β-reduction removes a lambda abstraction (and there
1888       is always a bounded number of lambda abstractions in every
1889       expression) we can easily see that a transformation system with
1890       just β-reduction will always terminate.
1891
1892       For our complete system, this measure would be fairly complex
1893       (probably the sum of a lot of things). Since the (conditions on)
1894       our transformations are pretty complex, we would need to include
1895       both simple things like the number of let expressions as well as
1896       more complex things like the number of case expressions that are
1897       not yet in normal form.
1898
1899       No real attempt has been made at finding a suitable measure for
1900       our system yet.
1901
1902     \subsection{Soundness}
1903       Soundness is a property that can be proven for each transformation
1904       separately. Since our system only runs separate transformations
1905       sequentially, if each of our transformations leaves the
1906       \emph{meaning} of the expression unchanged, then the entire system
1907       will of course leave the meaning unchanged and is thus
1908       \emph{sound}.
1909
1910       The current prototype has only been verified in an ad-hoc fashion
1911       by inspecting (the code for) each transformation. A more formal
1912       verification would be more appropriate.
1913
1914       To be able to formally show that each transformation properly
1915       preserves the meaning of every expression, we require an exact
1916       definition of the \emph{meaning} of every expression, so we can
1917       compare them. Currently there seems to be no formal definition of
1918       the meaning or semantics of \GHC's core language, only informal
1919       descriptions are available.
1920
1921       It should be possible to have a single formal definition of
1922       meaning for Core for both normal Core compilation by \GHC and for
1923       our compilation to \VHDL. The main difference seems to be that in
1924       hardware every expression is always evaluated, while in software
1925       it is only evaluated if needed, but it should be possible to
1926       assign a meaning to core expressions that assumes neither.
1927       
1928       Since each of the transformations can be applied to any
1929       subexpression as well, there is a constraint on our meaning
1930       definition: The meaning of an expression should depend only on the
1931       meaning of subexpressions, not on the expressions themselves. For
1932       example, the meaning of the application in \lam{f (let x = 4 in
1933       x)} should be the same as the meaning of the application in \lam{f
1934       4}, since the argument subexpression has the same meaning (though
1935       the actual expression is different).
1936       
1937     \subsection{Completeness}
1938       Proving completeness is probably not hard, but it could be a lot
1939       of work. We have seen above that to prove completeness, we must
1940       show that the normal set of our graph representation is a subset
1941       of the intended normal set.
1942
1943       However, it is hard to systematically generate or reason about the
1944       normal set, since it is defined as any nodes to which no
1945       transformation applies. To determine this set, each transformation
1946       must be considered and when a transformation is added, the entire
1947       set should be re-evaluated. This means it is hard to show that
1948       each node in the normal set is also in the intended normal set.
1949       Reasoning about our intended normal set is easier, since we know
1950       how to generate it from its definition. \refdef{intended normal
1951       form definition}.
1952
1953       Fortunately, we can also prove the complement (which is
1954       equivalent, since $A \subseteq B \Leftrightarrow \overline{B}
1955       \subseteq \overline{A}$): Show that the set of nodes not in
1956       intended normal form is a subset of the set of nodes not in normal
1957       form. In other words, show that for every expression that is not
1958       in intended normal form, that there is at least one transformation
1959       that applies to it (since that means it is not in normal form
1960       either and since $A \subseteq C \Leftrightarrow \forall x (x \in A
1961       \rightarrow x \in C)$).
1962
1963       By systematically reviewing the entire Core language definition
1964       along with the intended normal form definition (both of which have
1965       a similar structure), it should be possible to identify all
1966       possible (sets of) core expressions that are not in intended
1967       normal form and identify a transformation that applies to it.
1968       
1969       This approach is especially useful for proving completeness of our
1970       system, since if expressions exist to which none of the
1971       transformations apply (\ie if the system is not yet complete), it
1972       is immediately clear which expressions these are and adding
1973       (or modifying) transformations to fix this should be relatively
1974       easy.
1975
1976       As observed above, applying this approach is a lot of work, since
1977       we need to check every (set of) transformation(s) separately.
1978
1979       \todo{Perhaps do a few steps of the proofs as proof-of-concept}
1980
1981 % vim: set sw=2 sts=2 expandtab: