Remove an extra backslash.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Prototype.tex
1 \chapter[chap:prototype]{Prototype}
2   An important step in this research is the creation of a prototype compiler.
3   Having this prototype allows us to apply the ideas from the previous chapter
4   to actual hardware descriptions and evaluate their usefulness. Having a
5   prototype also helps to find new techniques and test possible
6   interpretations.
7
8   Obviously the prototype was not created after all research
9   ideas were formed, but its implementation has been interleaved with the
10   research itself. Also, the prototype described here is the final version, it
11   has gone through a number of design iterations which we will not completely
12   describe here.
13
14   \section[sec:prototype:input]{Input language}
15     When implementing this prototype, the first question to ask is: What
16     (functional) language will we use to describe our hardware? (Note that
17     this does not concern the \emph{implementation language} of the compiler,
18     just the language \emph{translated by} the compiler).
19
20     On the highest level, we have two choices:
21
22     \startitemize
23       \item Create a new functional language from scratch. This has the
24       advantage of having a language that contains exactly those elements that
25       are convenient for describing hardware and can contain special
26       constructs that might.
27       \item Use an existing language and create a new backend for it. This has
28       the advantage that existing tools can be reused, which will speed up
29       development.
30     \stopitemize
31
32     Considering that we required a prototype which should be working quickly,
33     and that implementing parsers, semantic checkers and especially
34     typcheckers isn't exactly the core of this research (but it is lots and
35     lots of work!), using an existing language is the obvious choice. This
36     also has the advantage that a large set of language features is available
37     to experiment with and it is easy to find which features apply well and
38     which don't. A possible second prototype could use a custom language with
39     just the useful features (and possibly extra features that are specific to
40     the domain of hardware description as well).
41
42     The second choice is to pick one of the many existing languages. As
43     mentioned before, this language is Haskell.  This choice has not been the
44     result of a thorough comparison of languages, for the simple reason that
45     the requirements on the language were completely unclear at the start of
46     this language. The fact that Haskell is a language with a broad spectrum
47     of features, that it is commonly used in research projects and that the
48     primary compiler, GHC, provides a high level API to its internals, made
49     Haskell an obvious choice.
50
51     TODO: Was Haskell really a good choice? Perhaps say this somewhere else?
52
53   \section[sec:prototype:output]{Output format}
54     The second important question is: What will be our output format? Since
55     our prototype won't be able to program FPGA's directly, we'll have to have
56     output our hardware in some format that can be later processed and
57     programmed by other tools.
58
59     Looking at other tools in the industry, the Electronic Design Interchange
60     Format (\small{EDIF}) is commonly used for storing intermediate
61     \emph{netlists} (lists of components and connections between these
62     components) and is commonly the target for \small{VHDL} and Verilog
63     compilers.
64
65     However, \small{EDIF} is not completely tool-independent. It specifies a
66     meta-format, but the hardware components that can be used vary between
67     various tool and hardware vendors, as well as the interpretation of the
68     \small{EDIF} standard (TODO Is this still true? Reference:
69     http://delivery.acm.org/10.1145/80000/74534/p803-li.pdf?key1=74534\&key2=8370537521\&coll=GUIDE\&dl=GUIDE\&CFID=61207158\&CFTOKEN=61908473).
70    
71     This means that when working with EDIF, our prototype would become
72     technology dependent (\eg only work with \small{FPGA}s of a specific
73     vendor, or even only with specific chips). This limits the applicability
74     of our prototype. Also, the tools we'd like to use for verifying,
75     simulating and draw pretty pictures of our output (like Precision, or
76     QuestaSim) work on \small{VHDL} or Verilog input (TODO: Is this really
77     true?).
78
79     For these reasons, we will use \small{VHDL} as our output language.
80     Verilog is not used simply because we are familiar with \small{VHDL}
81     already. The differences between \small{VHDL} and Verilog are on the
82     higher level, while we will be using \small{VHDL} mainly to write low
83     level, netlist-like descriptions anyway.
84
85     An added advantage of using VHDL is that we can profit from existing
86     optimizations in VHDL synthesizers. A lot of optimizations are done on the
87     VHDL level by existing tools. These tools have years of experience in this
88     field, so it would not be reasonable to assume we could achieve a similar
89     amount of optimization in our prototype (nor should it be a goal,
90     considering this is just a prototype).
91
92     Note that we will be using \small{VHDL} as our output language, but will
93     not use its full expressive power. Our output will be limited to using
94     simple, structural descriptions, without any behavioural descriptions
95     (which might not be supported by all tools).
96
97   \section{Prototype design}
98     As stated above, we will use the Glasgow Haskell Compiler (\small{GHC}) to
99     implement our prototype compiler. To understand the design of the
100     compiler, we will first dive into the \small{GHC} compiler a bit. It's
101     compilation consists of the following steps (slightly simplified):
102
103     \startuseMPgraphic{ghc-pipeline}
104       % Create objects
105       save inp, front, desugar, simpl, back, out;
106       newEmptyBox.inp(0,0);
107       newBox.front(btex Parser etex);
108       newBox.desugar(btex Desugarer etex);
109       newBox.simpl(btex Simplifier etex);
110       newBox.back(btex Backend etex);
111       newEmptyBox.out(0,0);
112
113       % Space the boxes evenly
114       inp.c - front.c = front.c - desugar.c = desugar.c - simpl.c 
115         = simpl.c - back.c = back.c - out.c = (0, 1.5cm);
116       out.c = origin;
117
118       % Draw lines between the boxes. We make these lines "deferred" and give
119       % them a name, so we can use ObjLabel to draw a label beside them.
120       ncline.inp(inp)(front) "name(haskell)";
121       ncline.front(front)(desugar) "name(ast)";
122       ncline.desugar(desugar)(simpl) "name(core)";
123       ncline.simpl(simpl)(back) "name(simplcore)";
124       ncline.back(back)(out) "name(native)";
125       ObjLabel.inp(btex Haskell source etex) "labpathname(haskell)", "labdir(rt)";
126       ObjLabel.front(btex Haskell AST etex) "labpathname(ast)", "labdir(rt)";
127       ObjLabel.desugar(btex Core etex) "labpathname(core)", "labdir(rt)";
128       ObjLabel.simpl(btex Simplified core etex) "labpathname(simplcore)", "labdir(rt)";
129       ObjLabel.back(btex Native code etex) "labpathname(native)", "labdir(rt)";
130
131       % Draw the objects (and deferred labels)
132       drawObj (inp, front, desugar, simpl, back, out);
133     \stopuseMPgraphic
134     \placefigure[right]{GHC compiler pipeline}{\useMPgraphic{ghc-pipeline}}
135
136     \startdesc{Frontend}
137       This step takes the Haskell source files and parses them into an
138       abstract syntax tree (\small{AST}). This \small{AST} can express the
139       complete Haskell language and is thus a very complex one (in contrast
140       with the Core \small{AST}, later on). All identifiers in this
141       \small{AST} are resolved by the renamer and all types are checked by the
142       typechecker.
143     \stopdesc
144     \startdesc{Desugaring}
145       This steps takes the full \small{AST} and translates it to the
146       \emph{Core} language. Core is a very small functional language with lazy
147       semantics, that can still express everything Haskell can express. Its
148       simpleness makes Core very suitable for further simplification and
149       translation. Core is the language we will be working on as well.
150     \stopdesc
151     \startdesc{Simplification}
152       Through a number of simplification steps (such as inlining, common
153       subexpression elimination, etc.) the Core program is simplified to make
154       it faster or easier to process further.
155     \stopdesc
156     \startdesc{Backend}
157       This step takes the simplified Core program and generates an actual
158       runnable program for it. This is a big and complicated step we will not
159       discuss it any further, since it is not required for our prototype.
160     \stopdesc
161
162     In this process, there a number of places where we can start our work.
163     Assuming that we don't want to deal with (or modify) parsing, typechecking
164     and other frontend business and that native code isn't really a useful
165     format anymore, we are left with the choice between the full Haskell
166     \small{AST}, or the smaller (simplified) core representation.
167
168     The advantage of taking the full \small{AST} is that the exact structure
169     of the source program is preserved. We can see exactly what the hardware
170     descriiption looks like and which syntax constructs were used. However,
171     the full \small{AST} is a very complicated datastructure. If we are to
172     handle everything it offers, we will quickly get a big compiler.
173
174     Using the core representation gives us a much more compact datastructure
175     (a core expression only uses 9 constructors). Note that this does not mean
176     that the core representation itself is smaller, on the contrary. Since the
177     core language has less constructs, a lot of things will take a larger
178     expression to express.
179
180     However, the fact that the core language is so much smaller, means it is a
181     lot easier to analyze and translate it into something else. For the same
182     reason, \small{GHC} runs its simplifications and optimizations on the core
183     representation as well.
184
185     However, we will use the normal core representation, not the simplified
186     core. Reasons for this are detailed below.
187     
188     The final prototype roughly consists of three steps:
189     
190     \startuseMPgraphic{ghc-pipeline}
191       % Create objects
192       save inp, front, norm, vhdl, out;
193       newEmptyBox.inp(0,0);
194       newBox.front(btex \small{GHC} frontend + desugarer etex);
195       newBox.norm(btex Normalization etex);
196       newBox.vhdl(btex \small{VHDL} generation etex);
197       newEmptyBox.out(0,0);
198
199       % Space the boxes evenly
200       inp.c - front.c = front.c - norm.c = norm.c - vhdl.c 
201         = vhdl.c - out.c = (0, 1.5cm);
202       out.c = origin;
203
204       % Draw lines between the boxes. We make these lines "deferred" and give
205       % them a name, so we can use ObjLabel to draw a label beside them.
206       ncline.inp(inp)(front) "name(haskell)";
207       ncline.front(front)(norm) "name(core)";
208       ncline.norm(norm)(vhdl) "name(normal)";
209       ncline.vhdl(vhdl)(out) "name(vhdl)";
210       ObjLabel.inp(btex Haskell source etex) "labpathname(haskell)", "labdir(rt)";
211       ObjLabel.front(btex Core etex) "labpathname(core)", "labdir(rt)";
212       ObjLabel.norm(btex Normalized core etex) "labpathname(normal)", "labdir(rt)";
213       ObjLabel.vhdl(btex \small{VHDL} description etex) "labpathname(vhdl)", "labdir(rt)";
214
215       % Draw the objects (and deferred labels)
216       drawObj (inp, front, norm, vhdl, out);
217     \stopuseMPgraphic
218     \placefigure[right]{GHC compiler pipeline}{\useMPgraphic{ghc-pipeline}}
219
220     \startdesc{Frontend}
221       This is exactly the frontend and desugarer from the \small{GHC}
222       pipeline, that translates Haskell sources to a core representation.
223     \stopdesc
224     \startdesc{Normalization}
225       This is a step that transforms the core representation into a normal
226       form. This normal form is still expressed in the core language, but has
227       to adhere to an extra set of constraints. This normal form is less
228       expressive than the full core language (e.g., it can have limited higher
229       order expressions, has a specific structure, etc.), but is also very
230       close to directly describing hardware.
231     \stopdesc
232     \startdesc{\small{VHDL} generation}
233       The last step takes the normal formed core representation and generates
234       \small{VHDL} for it. Since the normal form has a specific, hardware-like
235       structure, this final step is very straightforward.
236     \stopdesc
237     
238     The most interesting step in this process is the normalization step. That
239     is where more complicated functional constructs, which have no direct
240     hardware interpretation, are removed and translated into hardware
241     constructs. This step is described in a lot of detail at
242     \in{chapter}[chap:normalization].
243     
244   \section{The Core language}
245     Most of the prototype deals with handling the program in the Core
246     language. In this section we will show what this language looks like and
247     how it works.
248
249     The Core language is a functional language that describes
250     \emph{expressions}. Every identifier used in Core is called a
251     \emph{binder}, since it is bound to a value somewhere. On the highest
252     level, a Core program is a collection of functions, each of which bind a
253     binder (the function name) to an expression (the function value, which has
254     a function type).
255
256     The Core language itself does not prescribe any program structure, only
257     expression structure. In the \small{GHC} compiler, the Haskell module
258     structure is used for the resulting Core code as well. Since this is not
259     so relevant for understanding the Core language or the Normalization
260     process, we'll only look at the Core expression language here.
261
262     Each Core expression consists of one of these possible expressions.
263
264     \startdesc{Variable reference}
265       \startlambda
266       a
267       \stoplambda
268       This is a simple reference to a binder. It's written down as the
269       name of the binder that is being referred to, which should of course be
270       bound in a containing scope (including top level scope, so a reference
271       to a top level function is also a variable reference). Additionally,
272       constructors from algebraic datatypes also become variable references.
273
274       The value of this expression is the value bound to the given binder.
275
276       Each binder also carries around its type, but this is usually not shown
277       in the Core expressions. Occasionally, the type of an entire expression
278       or function is shown for clarity, but this is only informational. In
279       practice, the type of an expression is easily determined from the
280       structure of the expression and the types of the binders and occasional
281       cast expressions. This minimize the amount of bookkeeping needed to keep
282       the typing consistent.
283     \stopdesc
284
285     \startdesc{Literal}
286       \startlambda
287       10
288       \stoplambda
289       This is a simple literal. Only primitive types are supported, like
290       chars, strings, ints and doubles. The types of these literals are the
291       \quote{primitive} versions, like \lam{Char\#} and \lam{Word\#}, not the
292       normal Haskell versions (but there are builtin conversion functions).
293     \stopdesc
294
295     \startdesc{Application}
296       \startlambda
297       func arg
298       \stoplambda
299       This is simple function application. Each application consists of two
300       parts: The function part and the argument part. Applications are used
301       for normal function \quote{calls}, but also for applying type
302       abstractions and data constructors.
303       
304       The value of an application is the value of the function part, with the
305       first argument binder bound to the argument part.
306     \stopdesc
307
308     \startdesc{Lambda abstraction}
309       \startlambda
310       λbndr.body
311       \stoplambda
312       This is the basic lambda abstraction, as it occurs in labmda calculus.
313       It consists of a binder part and a body part.  A lambda abstraction
314       creates a function, that can be applied to an argument. The binder is
315       usually a value binder, but it can also be a \emph{type binder} (or
316       \emph{type variable}). The latter case introduces a new polymorphic
317       variable, which can be used in types later on. See
318       \in{section}[sec:prototype:coretypes] for details.
319      
320       Note that the body of a lambda abstraction extends all the way to the
321       end of the expression, or the closing bracket surrounding the lambda. In
322       other words, the lambda abstraction \quote{operator} has the lowest
323       priority of all.
324
325       The value of an application is the value of the body part, with the
326       binder bound to the value the entire lambda abstraction is applied to.
327     \stopdesc
328
329     \startdesc{Non-recursive let expression}
330       \startlambda
331       let bndr = value in body
332       \stoplambda
333       A let expression allows you to bind a binder to some value, while
334       evaluating to some other value (where that binder is in scope). This
335       allows for sharing of subexpressions (you can use a binder twice) and
336       explicit \quote{naming} of arbitrary expressions. Note that the binder
337       is not in scope in the value bound to it, so it's not possible to make
338       recursive definitions with the normal form of the let expression (see
339       the recursive form below).
340
341       Even though this let expression is an extension on the basic lambda
342       calculus, it is easily translated to a lambda abstraction. The let
343       expression above would then become:
344
345       \startlambda
346       (λbndr.body) value
347       \stoplambda
348
349       This notion might be useful for verifying certain properties on
350       transformations, since a lot of verification work has been done on
351       lambda calculus already.
352
353       The value of a let expression is the value of the body part, with the
354       binder bound to the value. 
355     \stopdesc
356
357     \startdesc{Recursive let expression}
358       \startlambda
359       letrec
360         bndr1 = value1
361         \vdots
362         bndrn = valuen
363       in 
364         body
365       \stoplambda
366       This is the recursive version of the let expression. In \small{GHC}'s
367       Core implementation, non-recursive and recursive lets are not so
368       distinct as we present them here, but this provides a clearer overview.
369       
370       The main difference with the normal let expression is that each of the
371       binders is in scope in each of the values, in addition to the body. This
372       allows for self-recursive definitions or mutually recursive definitions.
373
374       It should also be possible to express a recursive let using normal
375       lambda calculus, if we use the \emph{least fixed-point operator},
376       \lam{Y}.
377     \stopdesc
378
379     \startdesc{Case expression}
380       \startlambda
381         case scrut of bndr
382           DEFAULT -> defaultbody
383           C0 bndr0,0 ... bndr0,m -> body0
384           \vdots
385           Cn bndrn,0 ... bndrn,m -> bodyn
386       \stoplambda
387
388       TODO: Define WHNF
389
390       A case expression is the only way in Core to choose between values. A case
391       expression evaluates its scrutinee, which should have an algebraic
392       datatype, into weak head normal form (\small{WHNF}) and (optionally) binds
393       it to \lam{bndr}. It then chooses a body depending on the constructor of
394       its scrutinee. If none of the constructors match, the \lam{DEFAULT}
395       alternative is chosen. 
396       
397       Since we can only match the top level constructor, there can be no overlap
398       in the alternatives and thus order of alternatives is not relevant (though
399       the \lam{DEFAULT} alternative must appear first for implementation
400       efficiency).
401       
402       Any arguments to the constructor in the scrutinee are bound to each of the
403       binders after the constructor and are in scope only in the corresponding
404       body.
405
406       To support strictness, the scrutinee is always evaluated into WHNF, even
407       when there is only a \lam{DEFAULT} alternative. This allows a strict
408       function argument to be written like:
409
410       \startlambda
411       function (case argument of arg
412         DEFAULT -> arg)
413       \stoplambda
414
415       This seems to be the only use for the extra binder to which the scrutinee
416       is bound. When not using strictness annotations (which is rather pointless
417       in hardware descriptions), \small{GHC} seems to never generate any code
418       making use of this binder. The current prototype does not handle it
419       either, which probably means that code using it would break.
420
421       Note that these case statements are less powerful than the full Haskell
422       case statements. In particular, they do not support complex patterns like
423       in Haskell. Only the constructor of an expression can be matched, complex
424       patterns are implemented using multiple nested case expressions.
425
426       Case statements are also used for unpacking of algebraic datatypes, even
427       when there is only a single constructor. For examples, to add the elements
428       of a tuple, the following Core is generated:
429
430       \startlambda
431       sum = λtuple.case tuple of
432         (,) a b -> a + b
433       \stoplambda
434     
435       Here, there is only a single alternative (but no \lam{DEFAULT}
436       alternative, since the single alternative is already exhaustive). When
437       it's body is evaluated, the arguments to the tuple constructor \lam{(,)}
438       (\eg, the elements of the tuple) are bound to \lam{a} and \lam{b}.
439     \stopdesc
440
441     \startdesc{Cast expression}
442       \startlambda
443       body :: targettype
444       \stoplambda
445       A cast expression allows you to change the type of an expression to an
446       equivalent type. Note that this is not meant to do any actual work, like
447       conversion of data from one format to another, or force a complete type
448       change. Instead, it is meant to change between different representations
449       of the same type, \eg switch between types that are provably equal (but
450       look different).
451       
452       In our hardware descriptions, we typically see casts to change between a
453       Haskell newtype and its contained type, since those are effectively
454       different representations of the same type.
455
456       More complex are types that are proven to be equal by the typechecker,
457       but look different at first glance. To ensure that, once the typechecker
458       has proven equality, this information sticks around, explicit casts are
459       added. In our notation we only write the target type, but in reality a
460       cast expressions carries around a \emph{coercion}, which can be seen as a
461       proof of equality. TODO: Example
462
463       The value of a cast is the value of its body, unchanged. The type of this
464       value is equal to the target type, not the type of its body.
465
466       Note that this syntax is also used sometimes to indicate that a particular
467       expression has a particular type, even when no cast expression is
468       involved. This is then purely informational, since the only elements that
469       are explicitely typed in the Core language are the binder references and
470       cast expressions, the types of all other elements are determined at
471       runtime.
472     \stopdesc
473
474     \startdesc{Note}
475
476       The Core language in \small{GHC} allows adding \emph{notes}, which serve
477       as hints to the inliner or add custom (string) annotations to a core
478       expression. These shouldn't be generated normally, so these are not
479       handled in any way in the prototype.
480     \stopdesc
481
482     \startdesc{Type}
483       \startlambda
484       @type
485       \stoplambda
486       It is possibly to use a Core type as a Core expression. This is done to
487       allow for type abstractions and applications to be handled as normal
488       lambda abstractions and applications above. This means that a type
489       expression in Core can only ever occur in the argument position of an
490       application, and only if the type of the function that is applied to
491       expects a type as the first argument. This happens for all polymorphic
492       functions, for example, the \lam{fst} function:
493
494       \startlambda
495       fst :: \forall a. \forall b. (a, b) -> a
496       fst = λtup.case tup of (,) a b -> a
497
498       fstint :: (Int, Int) -> Int
499       fstint = λa.λb.fst @Int @Int a b
500       \stoplambda
501           
502       The type of \lam{fst} has two universally quantified type variables. When
503       \lam{fst} is applied in \lam{fstint}, it is first applied to two types.
504       (which are substitued for \lam{a} and \lam{b} in the type of \lam{fst}, so
505       the type of \lam{fst} actual type of arguments and result can be found:
506       \lam{fst @Int @Int :: (Int, Int) -> Int}).
507     \stopdesc
508
509     \subsection{Core type system}
510       Whereas the expression syntax of Core is very simple, its type system is
511       a bit more complicated. It turns out it is harder to \quote{desugar}
512       Haskell's complex type system into something more simple. Most of the
513       type system is thus very similar to that of Haskell.
514
515       We will slightly limit our view on Core's type system, since the more
516       complicated parts of it are only meant to support Haskell's (or rather,
517       \GHC's) type extensions, such as existential types, type families and
518       other non-standard Haskell stuff which we don't (plan to) support.
519
520       In Core, every expression is typed. The translation to Core happens
521       after the typechecker, so types in Core are always correct as well
522       (though you could of course construct invalidly typed expressions).
523
524       Any type in core is one of the following:
525
526       \startdesc{A type variable}
527         \startlambda
528         a
529         \stoplambda
530
531         This is a reference to a type defined elsewhere. This can either be a
532         polymorphic type (like \hs{a} in \hs{id :: a -> a}), or a type
533         constructor (like \hs{Bool} in \hs{null :: [a] -> Bool}).
534
535         A special case of a type constructor is the \emph{function type
536         constructor}, \hs{->}. This is a type constructor taking two arguments
537         (using application below). The function type constructor is commonly
538         written inline, so we write \hs{a -> b} when we really mean \hs{-> a
539         b}, the function type constructor applied to a and b.
540
541         Polymorphic type variables can only be defined by a lambda
542         abstraction, see the forall type below.
543       \stopdesc
544
545       \startdesc{A type application}
546         \startlambda
547           Maybe Int
548         \stoplambda
549
550         This applies a some type to another type. This is particularly used to
551         apply type variables (type constructors) to their arguments.
552
553         As mentioned above, some type applications have special notation. In
554         particular, these are applications of the \emph{function type
555         constructor} and \emph{tuple type constructors}:
556         \starthaskell
557           foo :: a -> b
558           foo' :: -> a b
559           bar :: (a, b, c)
560           bar' :: (,,) a b c
561         \stophaskell
562       \stopdesc
563
564       \startdesc{The forall type}
565         \startlambda
566           id :: \forall a . a -> a
567         \stoplambda
568         The forall type introduces polymorphism. It is the only way to
569         introduce new type variables, which are completely unconstrained (Any
570         possible type can be assigned to it). Constraints can be added later
571         using predicate types, see below.
572
573         A forall type is always (and only) introduced by a type lambda
574         expression. For example, the Core translation of the
575         id function is:
576         \startlambda
577           id = λa.λx.x
578         \stoplambda
579
580         here, type type of the binder \lam{x} is \lam{a}, referring to the
581         binder in the topmost lambda.
582
583         When using a value with a forall type, the actual type
584         used must be applied first. For example haskell expression \hs{id
585         True} translates to the following Core:
586
587         \startlambda
588         id @Bool True
589         \stoplambda
590
591         Here, id is first applied to the type to work with. Note that the type
592         then changes from \lam{id :: \forall a . a -> a} to \lam{id @Bool ::
593         Bool -> Bool}. Note that the type variable \lam{a} has been
594         substituted with the actual type.
595       \stopdesc
596
597       \startdesc{Predicate type}
598         \startlambda
599           show :: \forall a. Show s => s -> String
600         \stoplambda
601        
602         TODO: Introduce type classes?
603
604         A predicate type introduces a constraint on a type variable introduced
605         by a forall type (or type lambda). In the example above, the type
606         variable \lam{a} can only contain types that are an \emph{instance} of
607         the \emph{type class} \lam{Show}.
608
609         There are other sorts of predicate types, used for the type families
610         extension, which we will not discuss here.
611
612         A predicate type is introduced by a lambda abstraction. Unlike with
613         the forall type, this is a value lambda abstraction, that must be
614         applied to a value. We call this value a \emph{dictionary}.
615
616         Without going into the implementation details, a dictionary can be
617         seen as a lookup table all the methods for a given (single) type class
618         instance. This means that all the dictionaries for the same type class
619         look the same (\eg contain methods with the same names). However,
620         dictionaries for different instances of the same class contain
621         different methods, of course.
622
623         A dictionary is introduced by \small{GHC} whenever it encounters an
624         instance declaration. This dictionary, as well as the binder
625         introduced by a lambda that introduces a dictionary, have the
626         predicate type as their type. These binders are usually named starting
627         with a \lam{\$}. Usually the name of the type concerned is not
628         reflected in the name of the dictionary, but the name of the type
629         class is. The Haskell expression \hs{show True} thus becomes:
630
631         \startlambda
632         show @Bool $dShow True
633         \stoplambda
634       \stopdesc
635
636       Using this set of types, all types in basic Haskell can be represented.
637         
638   \section[sec:prototype:statetype]{State annotations in Haskell}
639       Ideal: Type synonyms, since there is no additional code overhead for
640       packing and unpacking. Downside: there is no explicit conversion in Core
641       either, so type synonyms tend to get lost in expressions (they can be
642       preserved in binders, but this makes implementation harder, since that
643       statefulness of a value must be manually tracked).
644
645       Less ideal: Newtype. Requires explicit packing and unpacking of function
646       arguments. If you don't unpack substates, there is no overhead for
647       (un)packing substates. This will result in many nested State constructors
648       in a nested state type. \eg: 
649
650       \starttyping
651       State (State Bit, State (State Word, Bit), Word)
652       \stoptyping
653
654       Alternative: Provide different newtypes for input and output state. This
655       makes the code even more explicit, and typechecking can find even more
656       errors. However, this requires defining two type synomyms for each
657       stateful function instead of just one. \eg:
658
659       \starttyping
660       type AccumStateIn = StateIn Bit
661       type AccumStateOut = StateOut Bit
662       \stoptyping
663
664       This also increases the possibility of having different input and output
665       states. Checking for identical input and output state types is also
666       harder, since each element in the state must be unpacked and compared
667       separately.
668
669       Alternative: Provide a type for the entire result type of a stateful
670       function, not just the state part. \eg:
671
672       \starttyping
673       newtype Result state result = Result (state, result)
674       \stoptyping
675       
676       This makes it easy to say "Any stateful function must return a
677       \type{Result} type, without having to sort out result from state. However,
678       this either requires a second type for input state (similar to
679       \type{StateIn} / \type{StateOut} above), or requires the compiler to
680       select the right argument for input state by looking at types (which works
681       for complex states, but when that state has the same type as an argument,
682       things get ambiguous) or by selecting a fixed (\eg, the last) argument,
683       which might be limiting.
684
685       \subsubsection{Example}
686       As an example of the used approach, a simple averaging circuit, that lets
687       the accumulation of the inputs be done by a subcomponent.
688
689       \starttyping
690         newtype State s = State s
691
692         type AccumState = State Bit
693         accum :: Word -> AccumState -> (AccumState, Word)
694         accum i (State s) = (State (s + i), s + i)
695
696         type AvgState = (AccumState, Word)
697         avg :: Word -> AvgState -> (AvgState, Word)
698         avg i (State s) = (State s', o)
699           where
700             (accums, count) = s
701             -- Pass our input through the accumulator, which outputs a sum
702             (accums', sum) = accum i accums
703             -- Increment the count (which will be our new state)
704             count' = count + 1
705             -- Compute the average
706             o = sum / count'
707             s' = (accums', count')
708       \stoptyping
709
710       And the normalized, core-like versions:
711
712       \starttyping
713         accum i spacked = res
714           where
715             s = case spacked of (State s) -> s
716             s' = s + i
717             spacked' = State s'
718             o = s + i
719             res = (spacked', o)
720
721         avg i spacked = res
722           where
723             s = case spacked of (State s) -> s
724             accums = case s of (accums, \_) -> accums
725             count = case s of (\_, count) -> count
726             accumres = accum i accums
727             accums' = case accumres of (accums', \_) -> accums'
728             sum = case accumres of (\_, sum) -> sum
729             count' = count + 1
730             o = sum / count'
731             s' = (accums', count')
732             spacked' = State s'
733             res = (spacked', o)
734       \stoptyping
735
736
737
738       As noted above, any component of a function's state that is a substate,
739       \eg passed on as the state of another function, should have no influence
740       on the hardware generated for the calling function. Any state-specific
741       \small{VHDL} for this component can be generated entirely within the called
742       function. So,we can completely leave out substates from any function.
743       
744       From this observation, we might think to remove the substates from a
745       function's states alltogether, and leave only the state components which
746       are actual states of the current function. While doing this would not
747       remove any information needed to generate \small{VHDL} from the function, it would
748       cause the function definition to become invalid (since we won't have any
749       substate to pass to the functions anymore). We could solve the syntactic
750       problems by passing \type{undefined} for state variables, but that would
751       still break the code on the semantic level (\ie, the function would no
752       longer be semantically equivalent to the original input).
753
754       To keep the function definition correct until the very end of the process,
755       we will not deal with (sub)states until we get to the \small{VHDL} generation.
756       Here, we are translating from Core to \small{VHDL}, and we can simply not generate
757       \small{VHDL} for substates, effectively removing the substate components
758       alltogether.
759
760       There are a few important points when ignore substates.
761
762       First, we have to have some definition of "substate". Since any state
763       argument or return value that represents state must be of the \type{State}
764       type, we can simply look at its type. However, we must be careful to
765       ignore only {\em substates}, and not a function's own state.
766
767       In the example above, this means we should remove \type{accums'} from
768       \type{s'}, but not throw away \type{s'} entirely. We should, however,
769       remove \type{s'} from the output port of the function, since the state
770       will be handled by a \small{VHDL} procedure within the function.
771
772       When looking at substates, these can appear in two places: As part of an
773       argument and as part of a return value. As noted above, these substates
774       can only be used in very specific ways.
775
776       \desc{State variables can appear as an argument.} When generating \small{VHDL}, we
777       completely ignore the argument and generate no input port for it.
778
779       \desc{State variables can be extracted from other state variables.} When
780       extracting a state variable from another state variable, this always means
781       we're extracting a substate, which we can ignore. So, we simply generate no
782       \small{VHDL} for any extraction operation that has a state variable as a result.
783
784       \desc{State variables can be passed to functions.} When passing a
785       state variable to a function, this always means we're passing a substate
786       to a subcomponent. The entire argument can simply be ingored in the
787       resulting port map.
788
789       \desc{State variables can be returned from functions.} When returning a
790       state variable from a function (probably as a part of an algebraic
791       datatype), this always mean we're returning a substate from a
792       subcomponent. The entire state variable should be ignored in the resulting
793       port map. The type binder of the binder that the function call is bound
794       to should not include the state type either.
795
796       \startdesc{State variables can be inserted into other variables.} When inserting
797       a state variable into another variable (usually by constructing that new
798       variable using its constructor), we can identify two cases: 
799
800       \startitemize
801         \item The state is inserted into another state variable. In this case,
802         the inserted state is a substate, and can be safely left out of the
803         constructed variable.
804         \item The state is inserted into a non-state variable. This happens when
805         building up the return value of a function, where you put state and
806         retsult variables together in an algebraic type (usually a tuple). In
807         this case, we should leave the state variable out as well, since we
808         don't want it to be included as an output port.
809       \stopitemize
810
811       So, in both cases, we can simply leave out the state variable from the
812       resulting value. In the latter case, however, we should generate a state
813       proc instead, which assigns the state variable to the input state variable
814       at each clock tick.
815       \stopdesc
816       
817       \desc{State variables can appear as (part of) a function result.} When
818       generating \small{VHDL}, we can completely ignore any part of a function result
819       that has a state type. If the entire result is a state type, this will
820       mean the entity will not have an output port. Otherwise, the state
821       elements will be removed from the type of the output port.
822
823
824       Now, we know how to handle each use of a state variable separately. If we
825       look at the whole, we can conclude the following:
826
827       \startitemize
828         \item A state unpack operation should not generate any \small{VHDL}. The binder
829         to which the unpacked state is bound should still be declared, this signal
830         will become the register and will hold the current state.
831         \item A state pack operation should not generate any \small{VHDL}. The binder th
832         which the packed state is bound should not be declared. The binder that is
833         packed is the signal that will hold the new state.
834         \item Any values of a State type should not be translated to \small{VHDL}. In
835         particular, State elements should be removed from tuples (and other
836         datatypes) and arguments with a state type should not generate ports.
837         \item To make the state actually work, a simple \small{VHDL} proc should be
838         generated. This proc updates the state at every clockcycle, by assigning
839         the new state to the current state. This will be recognized by synthesis
840         tools as a register specification.
841       \stopitemize
842
843
844       When applying these rules to the example program (in normal form), we will
845       get the following result. All the parts that don't generate any value are
846       crossed out, leaving some very boring assignments here and there.
847       
848     
849   \starthaskell
850     avg i --spacked-- = res
851       where
852         s = --case spacked of (State s) -> s--
853         --accums = case s of (accums, \_) -> accums--
854         count = case s of (--\_,-- count) -> count
855         accumres = accum i --accums--
856         --accums' = case accumres of (accums', \_) -> accums'--
857         sum = case accumres of (--\_,-- sum) -> sum
858         count' = count + 1
859         o = sum / count'
860         s' = (--accums',-- count')
861         --spacked' = State s'--
862         res = (--spacked',-- o)
863   \stophaskell
864           
865       When we would really leave out the crossed out parts, we get a slightly
866       weird program: There is a variable \type{s} which has no value, and there
867       is a variable \type{s'} that is never used. Together, these two will form
868       the state proc of the function. \type{s} contains the "current" state,
869       \type{s'} is assigned the "next" state. So, at the end of each clock
870       cycle, \type{s'} should be assigned to \type{s}.
871
872       Note that the definition of \type{s'} is not removed, even though one
873       might think it as having a state type. Since the state type has a single
874       argument constructor \type{State}, some type that should be the resulting
875       state should always be explicitly packed with the State constructor,
876       allowing us to remove the packed version, but still generate \small{VHDL} for the
877       unpacked version (of course with any substates removed).
878       
879       As you can see, the definition of \type{s'} is still present, since it
880       does not have a state type (The State constructor. The \type{accums'} substate has been removed,
881       leaving us just with the state of \type{avg} itself.
882     \subsection{Initial state}
883       How to specify the initial state? Cannot be done inside a hardware
884       function, since the initial state is its own state argument for the first
885       call (unless you add an explicit, synchronous reset port).
886
887       External init state is natural for simulation.
888
889       External init state works for hardware generation as well.
890
891       Implementation issues: state splitting, linking input to output state,
892       checking usage constraints on state variables.
893
894       TODO: Implementation issues
895         TODO: \subsection[sec:prototype:separate]{Separate compilation}
896         TODO: Simplified core?