Replace a starttyping with starthaskell.
[matthijs/master-project/report.git] / Chapters / Normalization.tex
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     to this form as the \emph{normal form} of the program. The formal
     definition of this normal form is quite simple:
 
     to this form as the \emph{normal form} of the program. The formal
     definition of this normal form is quite simple:
 
-    \placedefinition{}{\startboxed A program is in \emph{normal form} if none of the
+    \placedefinition[force]{}{\startboxed A program is in \emph{normal form} if none of the
     transformations from this chapter apply.\stopboxed}
 
     Of course, this is an \quote{easy} definition of the normal form, since our
     transformations from this chapter apply.\stopboxed}
 
     Of course, this is an \quote{easy} definition of the normal form, since our
       other expression.
     \stopitemize
 
       other expression.
     \stopitemize
 
-    \todo{Intermezzo: functions vs plain values}
-
-    A very simple example of a program in normal form is given in
-    \in{example}[ex:MulSum]. As you can see, all arguments to the function (which
-    will become input ports in the generated \VHDL) are at the outer level.
-    This means that the body of the inner lambda abstraction is never a
-    function, but always a plain value.
-
-    As the body of the inner lambda abstraction, we see a single (recursive)
-    let expression, that binds two variables (\lam{mul} and \lam{sum}). These
-    variables will be signals in the generated \VHDL, bound to the output port
-    of the \lam{*} and \lam{+} components.
-
-    The final line (the \quote{return value} of the function) selects the
-    \lam{sum} signal to be the output port of the function. This \quote{return
-    value} can always only be a variable reference, never a more complex
-    expression.
-
-    \todo{Add generated VHDL}
-
     \startbuffer[MulSum]
     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
     alu = λa.λb.λc.
     \startbuffer[MulSum]
     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
     alu = λa.λb.λc.
       ncline(add)(sum);
     \stopuseMPgraphic
 
       ncline(add)(sum);
     \stopuseMPgraphic
 
-    \placeexample[here][ex:MulSum]{Simple architecture consisting of a
+    \placeexample[][ex:MulSum]{Simple architecture consisting of a
     multiplier and a subtractor.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{MulSum}}{Core description in normal form.}
         {\boxedgraphic{MulSum}}{The architecture described by the normal form.}
       \stopcombination
 
     multiplier and a subtractor.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{MulSum}}{Core description in normal form.}
         {\boxedgraphic{MulSum}}{The architecture described by the normal form.}
       \stopcombination
 
+    \todo{Intermezzo: functions vs plain values}
+
+    A very simple example of a program in normal form is given in
+    \in{example}[ex:MulSum]. As you can see, all arguments to the function (which
+    will become input ports in the generated \VHDL) are at the outer level.
+    This means that the body of the inner lambda abstraction is never a
+    function, but always a plain value.
+
+    As the body of the inner lambda abstraction, we see a single (recursive)
+    let expression, that binds two variables (\lam{mul} and \lam{sum}). These
+    variables will be signals in the generated \VHDL, bound to the output port
+    of the \lam{*} and \lam{+} components.
+
+    The final line (the \quote{return value} of the function) selects the
+    \lam{sum} signal to be the output port of the function. This \quote{return
+    value} can always only be a variable reference, never a more complex
+    expression.
+
+    \todo{Add generated VHDL}
+
     \in{Example}[ex:MulSum] showed a function that just applied two
     other functions (multiplication and addition), resulting in a simple
     architecture with two components and some connections.  There is of
     \in{Example}[ex:MulSum] showed a function that just applied two
     other functions (multiplication and addition), resulting in a simple
     architecture with two components and some connections.  There is of
       ncline(mux)(res) "posA(out)";
     \stopuseMPgraphic
 
       ncline(mux)(res) "posA(out)";
     \stopuseMPgraphic
 
-    \placeexample[here][ex:AddSubAlu]{Simple \small{ALU} supporting two operations.}
+    \placeexample[][ex:AddSubAlu]{Simple \small{ALU} supporting two operations.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{AddSubAlu}}{Core description in normal form.}
         {\boxedgraphic{AddSubAlu}}{The architecture described by the normal form.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{AddSubAlu}}{Core description in normal form.}
         {\boxedgraphic{AddSubAlu}}{The architecture described by the normal form.}
     \stopuseMPgraphic
 
     \todo{Don't split registers in this image?}
     \stopuseMPgraphic
 
     \todo{Don't split registers in this image?}
-    \placeexample[here][ex:NormalComplete]{Simple architecture consisting of an adder and a
+    \placeexample[][ex:NormalComplete]{Simple architecture consisting of an adder and a
     subtractor.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{NormalComplete}}{Core description in normal form.}
     subtractor.}
       \startcombination[2*1]
         {\typebufferlam{NormalComplete}}{Core description in normal form.}
 
     \subsection[sec:normalization:intendednormalform]{Intended normal form definition}
       Now we have some intuition for the normal form, we can describe how we want
 
     \subsection[sec:normalization:intendednormalform]{Intended normal form definition}
       Now we have some intuition for the normal form, we can describe how we want
-      the normal form to look like in a slightly more formal manner. The following
-      EBNF-like description captures most of the intended structure (and
-      generates a subset of \GHC's core format). 
+      the normal form to look like in a slightly more formal manner. The
+      EBNF-like description in \in{definition}[def:IntendedNormal] captures
+      most of the intended structure (and generates a subset of \GHC's core
+      format). 
       
       
-      There are two things missing: cast expressions are sometimes
-      allowed by the prototype, but not specified here and the below
+      There are two things missing from this definition: cast expressions are
+      sometimes allowed by the prototype, but not specified here and the below
       definition allows uses of state that cannot be translated to \VHDL\
       properly. These two problems are discussed in
       \in{section}[sec:normalization:castproblems] and
       definition allows uses of state that cannot be translated to \VHDL\
       properly. These two problems are discussed in
       \in{section}[sec:normalization:castproblems] and
       \stopdesc
 
     To understand this notation better, the step by step application of
       \stopdesc
 
     To understand this notation better, the step by step application of
-    the η-abstraction transformation to a simple \small{ALU} will be
-    shown. Consider η-abstraction, which is a common transformation from
+    the η-expansion transformation to a simple \small{ALU} will be
+    shown. Consider η-expansion, which is a common transformation from
     labmda calculus, described using above notation as follows:
 
     \starttrans
     labmda calculus, described using above notation as follows:
 
     \starttrans
     λx.E x            \lam{E} is not a lambda abstraction.
     \stoptrans
 
     λx.E x            \lam{E} is not a lambda abstraction.
     \stoptrans
 
-    η-abstraction is a well known transformation from lambda calculus. What
+    η-expansion is a well known transformation from lambda calculus. What
     this transformation does, is take any expression that has a function type
     and turn it into a lambda expression (giving an explicit name to the
     argument). There are some extra conditions that ensure that this
     transformation does not apply infinitely (which are not necessarily part
     this transformation does, is take any expression that has a function type
     and turn it into a lambda expression (giving an explicit name to the
     argument). There are some extra conditions that ensure that this
     transformation does not apply infinitely (which are not necessarily part
-    of the conventional definition of η-abstraction).
+    of the conventional definition of η-expansion).
 
     Consider the following function, in Core notation, which is a fairly obvious way to specify a
     simple \small{ALU} (Note that it is not yet in normal form, but
 
     Consider the following function, in Core notation, which is a fairly obvious way to specify a
     simple \small{ALU} (Note that it is not yet in normal form, but
     \stoplambda
 
     The other alternative is left as an exercise to the reader. The final
     \stoplambda
 
     The other alternative is left as an exercise to the reader. The final
-    function, after applying η-abstraction until it does no longer apply is:
+    function, after applying η-expansion until it does no longer apply is:
 
     \startlambda 
     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
 
     \startlambda 
     alu :: Bit -> Word -> Word -> Word
     \in{section}[sec:normalization:transformation].
 
     \subsection{General cleanup}
     \in{section}[sec:normalization:transformation].
 
     \subsection{General cleanup}
-      These transformations are general cleanup transformations, that aim to
-      make expressions simpler. These transformations usually clean up the
-       mess left behind by other transformations or clean up expressions to
-       expose new transformation opportunities for other transformations.
-
-       Most of these transformations are standard optimizations in other
-       compilers as well. However, in our compiler, most of these are not just
-       optimizations, but they are required to get our program into intended
-       normal form.
-
-        \placeintermezzo{}{
-          \defref{substitution notation}
-          \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
-          \startalignment[center]
-            {\tfa Substitution notation}
-          \stopalignment
-          \blank[medium]
+      \placeintermezzo{}{
+        \defref{substitution notation}
+        \startframedtext[width=8cm,background=box,frame=no]
+        \startalignment[center]
+          {\tfa Substitution notation}
+        \stopalignment
+        \blank[medium]
+
+        In some of the transformations in this chapter, we need to perform
+        substitution on an expression. Substitution means replacing every
+        occurence of some expression (usually a variable reference) with
+        another expression.
+
+        There have been a lot of different notations used in literature for
+        specifying substitution. The notation that will be used in this report
+        is the following:
 
 
-          In some of the transformations in this chapter, we need to perform
-          substitution on an expression. Substitution means replacing every
-          occurence of some expression (usually a variable reference) with
-          another expression.
+        \startlambda
+          E[A=>B]
+        \stoplambda
 
 
-          There have been a lot of different notations used in literature for
-          specifying substitution. The notation that will be used in this report
-          is the following:
+        This means expression \lam{E} with all occurences of \lam{A} replaced
+        with \lam{B}.
+        \stopframedtext
+      }
 
 
-          \startlambda
-            E[A=>B]
-          \stoplambda
+      These transformations are general cleanup transformations, that aim to
+      make expressions simpler. These transformations usually clean up the
+      mess left behind by other transformations or clean up expressions to
+      expose new transformation opportunities for other transformations.
 
 
-          This means expression \lam{E} with all occurences of \lam{A} replaced
-          with \lam{B}.
-          \stopframedtext
-        }
+      Most of these transformations are standard optimizations in other
+      compilers as well. However, in our compiler, most of these are not just
+      optimizations, but they are required to get our program into intended
+      normal form.
 
       \subsubsection[sec:normalization:beta]{β-reduction}
         β-reduction is a well known transformation from lambda calculus, where it is
 
       \subsubsection[sec:normalization:beta]{β-reduction}
         β-reduction is a well known transformation from lambda calculus, where it is
       of the other value definitions in let bindings and making the final
       return value a simple variable reference.
 
       of the other value definitions in let bindings and making the final
       return value a simple variable reference.
 
-      \subsubsection[sec:normalization:eta]{η-abstraction}
+      \subsubsection[sec:normalization:eta]{η-expansion}
         This transformation makes sure that all arguments of a function-typed
         expression are named, by introducing lambda expressions. When combined with
         β-reduction and non-representable binding inlining, all function-typed
         This transformation makes sure that all arguments of a function-typed
         expression are named, by introducing lambda expressions. When combined with
         β-reduction and non-representable binding inlining, all function-typed
             False -> λy.id y) x
         \stopbuffer
 
             False -> λy.id y) x
         \stopbuffer
 
-        \transexample{eta}{η-abstraction}{from}{to}
+        \transexample{eta}{η-expansion}{from}{to}
 
       \subsubsection[sec:normalization:appprop]{Application propagation}
         This transformation is meant to propagate application expressions downwards
 
       \subsubsection[sec:normalization:appprop]{Application propagation}
         This transformation is meant to propagate application expressions downwards
         Note that the return value is not simplified if its not
         representable.  Otherwise, this would cause a direct loop with
         the inlining of unrepresentable bindings. If the return value is
         Note that the return value is not simplified if its not
         representable.  Otherwise, this would cause a direct loop with
         the inlining of unrepresentable bindings. If the return value is
-        not representable because it has a function type, η-abstraction
+        not representable because it has a function type, η-expansion
         should make sure that this transformation will eventually apply.
         If the value is not representable for other reasons, the
         function result itself is not representable, meaning this
         should make sure that this transformation will eventually apply.
         If the value is not representable for other reasons, the
         function result itself is not representable, meaning this
         \stoptrans
 
         \starttrans
         \stoptrans
 
         \starttrans
-        x = λv0 ... λvn.E
-        ~                                \lam{E} is representable
+        x = λv0 ... λvn.E                \lam{E} is representable
+        ~                                \lam{E} is not a lambda abstraction
         E                                \lam{E} is not a let expression
         ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
         letrec x = E in x
         E                                \lam{E} is not a let expression
         ---------------------------      \lam{E} is not a local variable reference
         letrec x = E in x
           \stopframedtext
         }
 
           \stopframedtext
         }
 
+      \subsubsection{Scrutinee binder removal}
+        This transformation removes (or rather, makes wild) the binder to
+        which the scrutinee is bound after evaluation. This is done by
+        replacing the bndr with the scrutinee in all alternatives. To prevent
+        duplication of work, this transformation is only applied when the
+        scrutinee is already a simple variable reference (but the previous
+        transformation ensures this will eventually be the case). The
+        scrutinee binder itself is replaced by a wild binder (which is no
+        longer displayed).
+
+        Note that one could argue that this transformation can change the
+        meaning of the Core expression. In the regular Core semantics, a case
+        expression forces the evaluation of its scrutinee and can be used to
+        implement strict evaluation. However, in the generated \VHDL,
+        evaluation is always strict. So the semantics we assign to the Core
+        expression (which differ only at this particular point), this
+        transformation is completely valid.
+
+        \starttrans
+        case x of bndr
+          alts
+        -----------------        \lam{x} is a local variable reference
+        case x of
+          alts[bndr=>x]
+        \stoptrans
+
+        \startbuffer[from]
+        case x of y
+          True -> y
+          False -> not y
+        \stopbuffer
+
+        \startbuffer[to]
+        case x of
+          True -> x
+          False -> not x
+        \stopbuffer
+
+        \transexample{scrutbndrremove}{Scrutinee binder removal}{from}{to}
+
       \subsubsection{Case normalization}
         This transformation ensures that all case expressions get a form
         that is allowed by the intended normal form. This means they
       \subsubsection{Case normalization}
         This transformation ensures that all case expressions get a form
         that is allowed by the intended normal form. This means they
         lambda abstraction.
 
         To reduce all higher-order values to one of the above items, a number
         lambda abstraction.
 
         To reduce all higher-order values to one of the above items, a number
-        of transformations we have already seen are used. The η-abstraction
+        of transformations we have already seen are used. The η-expansion
         transformation from \in{section}[sec:normalization:eta] ensures all
         function arguments are introduced by lambda abstraction on the highest
         level of a function. These lambda arguments are allowed because of
         transformation from \in{section}[sec:normalization:eta] ensures all
         function arguments are introduced by lambda abstraction on the highest
         level of a function. These lambda arguments are allowed because of
-        \in{item}[item:toplambda] above. After η-abstraction, our example
+        \in{item}[item:toplambda] above. After η-expansion, our example
         becomes a bit bigger:
 
         \startlambda
         becomes a bit bigger:
 
         \startlambda
               ) q
         \stoplambda
 
               ) q
         \stoplambda
 
-        η-abstraction also introduces extra applications (the application of
+        η-expansion also introduces extra applications (the application of
         the let expression to \lam{q} in the above example). These
         applications can then propagated down by the application propagation
         transformation (\in{section}[sec:normalization:appprop]). In our
         the let expression to \lam{q} in the above example). These
         applications can then propagated down by the application propagation
         transformation (\in{section}[sec:normalization:appprop]). In our
         representable type). Completely applied top level functions (like the
         first alternative) are now no longer invalid (they fall under
         \in{item}[item:completeapp] above). (Completely) applied lambda
         representable type). Completely applied top level functions (like the
         first alternative) are now no longer invalid (they fall under
         \in{item}[item:completeapp] above). (Completely) applied lambda
-        abstractions can be removed by β-abstraction. For our example,
-        applying β-abstraction results in the following:
+        abstractions can be removed by β-expansion. For our example,
+        applying β-expansion results in the following:
 
         \startlambda
         λy.λq.let double = λx. x + x in
 
         \startlambda
         λy.λq.let double = λx. x + x in