Fix source indentation.
[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. 
315      
316       Note that the body of a lambda abstraction extends all the way to the
317       end of the expression, or the closing bracket surrounding the lambda. In
318       other words, the lambda abstraction \quote{operator} has the lowest
319       priority of all.
320
321       The value of an application is the value of the body part, with the
322       binder bound to the value the entire lambda abstraction is applied to.
323     \stopdesc
324
325     \startdesc{Non-recursive let expression}
326       \startlambda
327       let bndr = value in body
328       \stoplambda
329       A let expression allows you to bind a binder to some value, while
330       evaluating to some other value (where that binder is in scope). This
331       allows for sharing of subexpressions (you can use a binder twice) and
332       explicit \quote{naming} of arbitrary expressions. Note that the binder
333       is not in scope in the value bound to it, so it's not possible to make
334       recursive definitions with the normal form of the let expression (see
335       the recursive form below).
336
337       Even though this let expression is an extension on the basic lambda
338       calculus, it is easily translated to a lambda abstraction. The let
339       expression above would then become:
340
341       \startlambda
342       (λbndr.body) value
343       \stoplambda
344
345       This notion might be useful for verifying certain properties on
346       transformations, since a lot of verification work has been done on
347       lambda calculus already.
348
349       The value of a let expression is the value of the body part, with the
350       binder bound to the value. 
351     \stopdesc
352
353     \startdesc{Recursive let expression}
354       \startlambda
355       letrec
356         bndr1 = value1
357         \vdots
358         bndrn = valuen
359       in 
360         body
361       \stoplambda
362       This is the recursive version of the let expression. In \small{GHC}'s
363       Core implementation, non-recursive and recursive lets are not so
364       distinct as we present them here, but this provides a clearer overview.
365       
366       The main difference with the normal let expression is that each of the
367       binders is in scope in each of the values, in addition to the body. This
368       allows for self-recursive definitions or mutually recursive definitions.
369
370       It should also be possible to express a recursive let using normal
371       lambda calculus, if we use the \emph{least fixed-point operator},
372       \lam{Y}.
373     \stopdesc
374
375     \startdesc{Case expression}
376       \startlambda
377         case scrut of bndr
378           DEFAULT -> defaultbody
379           C0 bndr0,0 ... bndr0,m -> body0
380           \vdots
381           Cn bndrn,0 ... bndrn,m -> bodyn
382       \stoplambda
383
384       TODO: Define WHNF
385
386       A case expression is the only way in Core to choose between values. A case
387       expression evaluates its scrutinee, which should have an algebraic
388       datatype, into weak head normal form (\small{WHNF}) and (optionally) binds
389       it to \lam{bndr}. It then chooses a body depending on the constructor of
390       its scrutinee. If none of the constructors match, the \lam{DEFAULT}
391       alternative is chosen. 
392       
393       Since we can only match the top level constructor, there can be no overlap
394       in the alternatives and thus order of alternatives is not relevant (though
395       the \lam{DEFAULT} alternative must appear first for implementation
396       efficiency).
397       
398       Any arguments to the constructor in the scrutinee are bound to each of the
399       binders after the constructor and are in scope only in the corresponding
400       body.
401
402       To support strictness, the scrutinee is always evaluated into WHNF, even
403       when there is only a \lam{DEFAULT} alternative. This allows a strict
404       function argument to be written like:
405
406       \startlambda
407       function (case argument of arg
408         DEFAULT -> arg)
409       \stoplambda
410
411       This seems to be the only use for the extra binder to which the scrutinee
412       is bound. When not using strictness annotations (which is rather pointless
413       in hardware descriptions), \small{GHC} seems to never generate any code
414       making use of this binder. The current prototype does not handle it
415       either, which probably means that code using it would break.
416
417       Note that these case statements are less powerful than the full Haskell
418       case statements. In particular, they do not support complex patterns like
419       in Haskell. Only the constructor of an expression can be matched, complex
420       patterns are implemented using multiple nested case expressions.
421
422       Case statements are also used for unpacking of algebraic datatypes, even
423       when there is only a single constructor. For examples, to add the elements
424       of a tuple, the following Core is generated:
425
426       \startlambda
427       sum = λtuple.case tuple of
428         (,) a b -> a + b
429       \stoplambda
430     
431       Here, there is only a single alternative (but no \lam{DEFAULT}
432       alternative, since the single alternative is already exhaustive). When
433       it's body is evaluated, the arguments to the tuple constructor \lam{(,)}
434       (\eg, the elements of the tuple) are bound to \lam{a} and \lam{b}.
435     \stopdesc
436
437     \startdesc{Cast expression}
438       \startlambda
439       body :: targettype
440       \stoplambda
441       A cast expression allows you to change the type of an expression to an
442       equivalent type. Note that this is not meant to do any actual work, like
443       conversion of data from one format to another, or force a complete type
444       change. Instead, it is meant to change between different representations
445       of the same type, \eg switch between types that are provably equal (but
446       look different).
447       
448       In our hardware descriptions, we typically see casts to change between a
449       Haskell newtype and its contained type, since those are effectively
450       different representations of the same type.
451
452       More complex are types that are proven to be equal by the typechecker,
453       but look different at first glance. To ensure that, once the typechecker
454       has proven equality, this information sticks around, explicit casts are
455       added. In our notation we only write the target type, but in reality a
456       cast expressions carries around a \emph{coercion}, which can be seen as a
457       proof of equality. TODO: Example
458
459       The value of a cast is the value of its body, unchanged. The type of this
460       value is equal to the target type, not the type of its body.
461
462       Note that this syntax is also used sometimes to indicate that a particular
463       expression has a particular type, even when no cast expression is
464       involved. This is then purely informational, since the only elements that
465       are explicitely typed in the Core language are the binder references and
466       cast expressions, the types of all other elements are determined at
467       runtime.
468     \stopdesc
469
470     \startdesc{Note}
471
472       The Core language in \small{GHC} allows adding \emph{notes}, which serve
473       as hints to the inliner or add custom (string) annotations to a core
474       expression. These shouldn't be generated normally, so these are not
475       handled in any way in the prototype.
476     \stopdesc
477
478     \startdesc{Type}
479       \startlambda
480       @type
481       \stoplambda
482       It is possibly to use a Core type as a Core expression. This is done to
483       allow for type abstractions and applications to be handled as normal
484       lambda abstractions and applications above. This means that a type
485       expression in Core can only ever occur in the argument position of an
486       application, and only if the type of the function that is applied to
487       expects a type as the first argument. This happens for all polymorphic
488       functions, for example, the \lam{fst} function:
489
490       \startlambda
491       fst :: \forall a. \forall b. (a, b) -> a
492       fst = λtup.case tup of (,) a b -> a
493
494       fstint :: (Int, Int) -> Int
495       fstint = λa.λb.fst @Int @Int a b
496       \stoplambda
497           
498       The type of \lam{fst} has two universally quantified type variables. When
499       \lam{fst} is applied in \lam{fstint}, it is first applied to two types.
500       (which are substitued for \lam{a} and \lam{b} in the type of \lam{fst}, so
501       the type of \lam{fst} actual type of arguments and result can be found:
502       \lam{fst @Int @Int :: (Int, Int) -> Int}).
503     \stopdesc
504
505     TODO: Core type system
506
507   \section[sec:prototype:statetype]{State annotations in Haskell}
508       Ideal: Type synonyms, since there is no additional code overhead for
509       packing and unpacking. Downside: there is no explicit conversion in Core
510       either, so type synonyms tend to get lost in expressions (they can be
511       preserved in binders, but this makes implementation harder, since that
512       statefulness of a value must be manually tracked).
513
514       Less ideal: Newtype. Requires explicit packing and unpacking of function
515       arguments. If you don't unpack substates, there is no overhead for
516       (un)packing substates. This will result in many nested State constructors
517       in a nested state type. \eg: 
518
519       \starttyping
520       State (State Bit, State (State Word, Bit), Word)
521       \stoptyping
522
523       Alternative: Provide different newtypes for input and output state. This
524       makes the code even more explicit, and typechecking can find even more
525       errors. However, this requires defining two type synomyms for each
526       stateful function instead of just one. \eg:
527
528       \starttyping
529       type AccumStateIn = StateIn Bit
530       type AccumStateOut = StateOut Bit
531       \stoptyping
532
533       This also increases the possibility of having different input and output
534       states. Checking for identical input and output state types is also
535       harder, since each element in the state must be unpacked and compared
536       separately.
537
538       Alternative: Provide a type for the entire result type of a stateful
539       function, not just the state part. \eg:
540
541       \starttyping
542       newtype Result state result = Result (state, result)
543       \stoptyping
544       
545       This makes it easy to say "Any stateful function must return a
546       \type{Result} type, without having to sort out result from state. However,
547       this either requires a second type for input state (similar to
548       \type{StateIn} / \type{StateOut} above), or requires the compiler to
549       select the right argument for input state by looking at types (which works
550       for complex states, but when that state has the same type as an argument,
551       things get ambiguous) or by selecting a fixed (\eg, the last) argument,
552       which might be limiting.
553
554       \subsubsection{Example}
555       As an example of the used approach, a simple averaging circuit, that lets
556       the accumulation of the inputs be done by a subcomponent.
557
558       \starttyping
559         newtype State s = State s
560
561         type AccumState = State Bit
562         accum :: Word -> AccumState -> (AccumState, Word)
563         accum i (State s) = (State (s + i), s + i)
564
565         type AvgState = (AccumState, Word)
566         avg :: Word -> AvgState -> (AvgState, Word)
567         avg i (State s) = (State s', o)
568           where
569             (accums, count) = s
570             -- Pass our input through the accumulator, which outputs a sum
571             (accums', sum) = accum i accums
572             -- Increment the count (which will be our new state)
573             count' = count + 1
574             -- Compute the average
575             o = sum / count'
576             s' = (accums', count')
577       \stoptyping
578
579       And the normalized, core-like versions:
580
581       \starttyping
582         accum i spacked = res
583           where
584             s = case spacked of (State s) -> s
585             s' = s + i
586             spacked' = State s'
587             o = s + i
588             res = (spacked', o)
589
590         avg i spacked = res
591           where
592             s = case spacked of (State s) -> s
593             accums = case s of (accums, \_) -> accums
594             count = case s of (\_, count) -> count
595             accumres = accum i accums
596             accums' = case accumres of (accums', \_) -> accums'
597             sum = case accumres of (\_, sum) -> sum
598             count' = count + 1
599             o = sum / count'
600             s' = (accums', count')
601             spacked' = State s'
602             res = (spacked', o)
603       \stoptyping
604
605
606
607       As noted above, any component of a function's state that is a substate,
608       \eg passed on as the state of another function, should have no influence
609       on the hardware generated for the calling function. Any state-specific
610       \small{VHDL} for this component can be generated entirely within the called
611       function. So,we can completely leave out substates from any function.
612       
613       From this observation, we might think to remove the substates from a
614       function's states alltogether, and leave only the state components which
615       are actual states of the current function. While doing this would not
616       remove any information needed to generate \small{VHDL} from the function, it would
617       cause the function definition to become invalid (since we won't have any
618       substate to pass to the functions anymore). We could solve the syntactic
619       problems by passing \type{undefined} for state variables, but that would
620       still break the code on the semantic level (\ie, the function would no
621       longer be semantically equivalent to the original input).
622
623       To keep the function definition correct until the very end of the process,
624       we will not deal with (sub)states until we get to the \small{VHDL} generation.
625       Here, we are translating from Core to \small{VHDL}, and we can simply not generate
626       \small{VHDL} for substates, effectively removing the substate components
627       alltogether.
628
629       There are a few important points when ignore substates.
630
631       First, we have to have some definition of "substate". Since any state
632       argument or return value that represents state must be of the \type{State}
633       type, we can simply look at its type. However, we must be careful to
634       ignore only {\em substates}, and not a function's own state.
635
636       In the example above, this means we should remove \type{accums'} from
637       \type{s'}, but not throw away \type{s'} entirely. We should, however,
638       remove \type{s'} from the output port of the function, since the state
639       will be handled by a \small{VHDL} procedure within the function.
640
641       When looking at substates, these can appear in two places: As part of an
642       argument and as part of a return value. As noted above, these substates
643       can only be used in very specific ways.
644
645       \desc{State variables can appear as an argument.} When generating \small{VHDL}, we
646       completely ignore the argument and generate no input port for it.
647
648       \desc{State variables can be extracted from other state variables.} When
649       extracting a state variable from another state variable, this always means
650       we're extracting a substate, which we can ignore. So, we simply generate no
651       \small{VHDL} for any extraction operation that has a state variable as a result.
652
653       \desc{State variables can be passed to functions.} When passing a
654       state variable to a function, this always means we're passing a substate
655       to a subcomponent. The entire argument can simply be ingored in the
656       resulting port map.
657
658       \desc{State variables can be returned from functions.} When returning a
659       state variable from a function (probably as a part of an algebraic
660       datatype), this always mean we're returning a substate from a
661       subcomponent. The entire state variable should be ignored in the resulting
662       port map. The type binder of the binder that the function call is bound
663       to should not include the state type either.
664
665       \startdesc{State variables can be inserted into other variables.} When inserting
666       a state variable into another variable (usually by constructing that new
667       variable using its constructor), we can identify two cases: 
668
669       \startitemize
670         \item The state is inserted into another state variable. In this case,
671         the inserted state is a substate, and can be safely left out of the
672         constructed variable.
673         \item The state is inserted into a non-state variable. This happens when
674         building up the return value of a function, where you put state and
675         retsult variables together in an algebraic type (usually a tuple). In
676         this case, we should leave the state variable out as well, since we
677         don't want it to be included as an output port.
678       \stopitemize
679
680       So, in both cases, we can simply leave out the state variable from the
681       resulting value. In the latter case, however, we should generate a state
682       proc instead, which assigns the state variable to the input state variable
683       at each clock tick.
684       \stopdesc
685       
686       \desc{State variables can appear as (part of) a function result.} When
687       generating \small{VHDL}, we can completely ignore any part of a function result
688       that has a state type. If the entire result is a state type, this will
689       mean the entity will not have an output port. Otherwise, the state
690       elements will be removed from the type of the output port.
691
692
693       Now, we know how to handle each use of a state variable separately. If we
694       look at the whole, we can conclude the following:
695
696       \startitemize
697         \item A state unpack operation should not generate any \small{VHDL}. The binder
698         to which the unpacked state is bound should still be declared, this signal
699         will become the register and will hold the current state.
700         \item A state pack operation should not generate any \small{VHDL}. The binder th
701         which the packed state is bound should not be declared. The binder that is
702         packed is the signal that will hold the new state.
703         \item Any values of a State type should not be translated to \small{VHDL}. In
704         particular, State elements should be removed from tuples (and other
705         datatypes) and arguments with a state type should not generate ports.
706         \item To make the state actually work, a simple \small{VHDL} proc should be
707         generated. This proc updates the state at every clockcycle, by assigning
708         the new state to the current state. This will be recognized by synthesis
709         tools as a register specification.
710       \stopitemize
711
712
713       When applying these rules to the example program (in normal form), we will
714       get the following result. All the parts that don't generate any value are
715       crossed out, leaving some very boring assignments here and there.
716       
717     
718   \starthaskell
719     avg i --spacked-- = res
720       where
721         s = --case spacked of (State s) -> s--
722         --accums = case s of (accums, \_) -> accums--
723         count = case s of (--\_,-- count) -> count
724         accumres = accum i --accums--
725         --accums' = case accumres of (accums', \_) -> accums'--
726         sum = case accumres of (--\_,-- sum) -> sum
727         count' = count + 1
728         o = sum / count'
729         s' = (--accums',-- count')
730         --spacked' = State s'--
731         res = (--spacked',-- o)
732   \stophaskell
733           
734       When we would really leave out the crossed out parts, we get a slightly
735       weird program: There is a variable \type{s} which has no value, and there
736       is a variable \type{s'} that is never used. Together, these two will form
737       the state proc of the function. \type{s} contains the "current" state,
738       \type{s'} is assigned the "next" state. So, at the end of each clock
739       cycle, \type{s'} should be assigned to \type{s}.
740
741       Note that the definition of \type{s'} is not removed, even though one
742       might think it as having a state type. Since the state type has a single
743       argument constructor \type{State}, some type that should be the resulting
744       state should always be explicitly packed with the State constructor,
745       allowing us to remove the packed version, but still generate \small{VHDL} for the
746       unpacked version (of course with any substates removed).
747       
748       As you can see, the definition of \type{s'} is still present, since it
749       does not have a state type (The State constructor. The \type{accums'} substate has been removed,
750       leaving us just with the state of \type{avg} itself.
751     \subsection{Initial state}
752       How to specify the initial state? Cannot be done inside a hardware
753       function, since the initial state is its own state argument for the first
754       call (unless you add an explicit, synchronous reset port).
755
756       External init state is natural for simulation.
757
758       External init state works for hardware generation as well.
759
760       Implementation issues: state splitting, linking input to output state,
761       checking usage constraints on state variables.
762
763         Implementation issues
764           \subsection[sec:prototype:separate]{Separate compilation}
765           - Simplified core?
766
767   \section{Haskell language coverage and constraints}
768     Recursion
769     Builtin types
770     Custom types (Sum types, product types)
771     Function types / higher order expressions