crypto/rc4/asm/rc4-x86_64.pl

   1 #!/usr/bin/env perl
   2 #
   3 # ====================================================================
   4 # Written by Andy Polyakov <appro@fy.chalmers.se> for the OpenSSL
   5 # project. The module is, however, dual licensed under OpenSSL and
   6 # CRYPTOGAMS licenses depending on where you obtain it. For further
   7 # details see http://www.openssl.org/~appro/cryptogams/.
   8 # ====================================================================
   9 #
  10 # 2.22x RC4 tune-up:-) It should be noted though that my hand [as in
  11 # "hand-coded assembler"] doesn't stand for the whole improvement
  12 # coefficient. It turned out that eliminating RC4_CHAR from config
  13 # line results in ~40% improvement (yes, even for C implementation).
  14 # Presumably it has everything to do with AMD cache architecture and
  15 # RAW or whatever penalties. Once again! The module *requires* config
  16 # line *without* RC4_CHAR! As for coding "secret," I bet on partial
  17 # register arithmetics. For example instead of 'inc %r8; and $255,%r8'
  18 # I simply 'inc %r8b'. Even though optimization manual discourages
  19 # to operate on partial registers, it turned out to be the best bet.
  20 # At least for AMD... How IA32E would perform remains to be seen...
  21
  22 # As was shown by Marc Bevand reordering of couple of load operations
  23 # results in even higher performance gain of 3.3x:-) At least on
  24 # Opteron... For reference, 1x in this case is RC4_CHAR C-code
  25 # compiled with gcc 3.3.2, which performs at ~54MBps per 1GHz clock.
  26 # Latter means that if you want to *estimate* what to expect from
  27 # *your* Opteron, then multiply 54 by 3.3 and clock frequency in GHz.
  28
  29 # Intel P4 EM64T core was found to run the AMD64 code really slow...
  30 # The only way to achieve comparable performance on P4 was to keep
  31 # RC4_CHAR. Kind of ironic, huh? As it's apparently impossible to
  32 # compose blended code, which would perform even within 30% marginal
  33 # on either AMD and Intel platforms, I implement both cases. See
  34 # rc4_skey.c for further details...
  35
  36 # P4 EM64T core appears to be "allergic" to 64-bit inc/dec. Replacing
  37 # those with add/sub results in 50% performance improvement of folded
  38 # loop...
  39
  40 # As was shown by Zou Nanhai loop unrolling can improve Intel EM64T
  41 # performance by >30% [unlike P4 32-bit case that is]. But this is
  42 # provided that loads are reordered even more aggressively! Both code
  43 # pathes, AMD64 and EM64T, reorder loads in essentially same manner
  44 # as my IA-64 implementation. On Opteron this resulted in modest 5%
  45 # improvement [I had to test it], while final Intel P4 performance
  46 # achieves respectful 432MBps on 2.8GHz processor now. For reference.
  47 # If executed on Xeon, current RC4_CHAR code-path is 2.7x faster than
  48 # RC4_INT code-path. While if executed on Opteron, it's only 25%
  49 # slower than the RC4_INT one [meaning that if CPU µ-arch detection
  50 # is not implemented, then this final RC4_CHAR code-path should be
  51 # preferred, as it provides better *all-round* performance].
  52
  53 # Intel Core2 was observed to perform poorly on both code paths:-( It
  54 # apparently suffers from some kind of partial register stall, which
  55 # occurs in 64-bit mode only [as virtually identical 32-bit loop was
  56 # observed to outperform 64-bit one by almost 50%]. Adding two movzb to
  57 # cloop1 boosts its performance by 80%! This loop appears to be optimal
  58 # fit for Core2 and therefore the code was modified to skip cloop8 on
  59 # this CPU.
  60
  61 $flavour = shift;
  62 $output  = shift;
  63 if ($flavour =~ /\./) { $output = $flavour; undef $flavour; }
  64
  65 $win64=0; $win64=1 if ($flavour =~ /[nm]asm|mingw64/ || $output =~ /\.asm$/);
  66
  67 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  68 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  69 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  70 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  71
  72 open STDOUT,"| $^X $xlate $flavour $output";
  73
  74 $dat="%rdi";        # arg1
  75 $len="%rsi";        # arg2
  76 $inp="%rdx";        # arg3
  77 $out="%rcx";        # arg4
  78
  79 @XX=("%r8","%r10");
  80 @TX=("%r9","%r11");
  81 $YY="%r12";
  82 $TY="%r13";
  83
  84 $code=<<___;
  85 .section .note.GNU-stack,"",\@progbits
  86 .text
  87
  88 .globl  RC4
  89 .type   RC4,\@function,4
  90 .align  16
  91 RC4:    or      $len,$len
  92         jne     .Lentry
  93         ret
  94 .Lentry:
  95         push    %rbx
  96         push    %r12
  97         push    %r13
  98 .Lprologue:
  99
 100         add     \$8,$dat
 101         movl    -8($dat),$XX[0]#d
 102         movl    -4($dat),$YY#d
 103         cmpl    \$-1,256($dat)
 104         je      .LRC4_CHAR
 105         inc     $XX[0]#b
 106         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
 107         test    \$-8,$len
 108         jz      .Lloop1
 109         jmp     .Lloop8
 110 .align  16
 111 .Lloop8:
 112 ___
 113 for ($i=0;$i<8;$i++) {
 114 $code.=<<___;
 115         add     $TX[0]#b,$YY#b
 116         mov     $XX[0],$XX[1]
 117         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
 118         ror     \$8,%rax                        # ror is redundant when $i=0
 119         inc     $XX[1]#b
 120         movl    ($dat,$XX[1],4),$TX[1]#d
 121         cmp     $XX[1],$YY
 122         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
 123         cmove   $TX[0],$TX[1]
 124         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
 125         add     $TX[0]#b,$TY#b
 126         movb    ($dat,$TY,4),%al
 127 ___
 128 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 129 }
 130 $code.=<<___;
 131         ror     \$8,%rax
 132         sub     \$8,$len
 133
 134         xor     ($inp),%rax
 135         add     \$8,$inp
 136         mov     %rax,($out)
 137         add     \$8,$out
 138
 139         test    \$-8,$len
 140         jnz     .Lloop8
 141         cmp     \$0,$len
 142         jne     .Lloop1
 143         jmp     .Lexit
 144
 145 .align  16
 146 .Lloop1:
 147         add     $TX[0]#b,$YY#b
 148         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
 149         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
 150         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
 151         add     $TY#b,$TX[0]#b
 152         inc     $XX[0]#b
 153         movl    ($dat,$TX[0],4),$TY#d
 154         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
 155         xorb    ($inp),$TY#b
 156         inc     $inp
 157         movb    $TY#b,($out)
 158         inc     $out
 159         dec     $len
 160         jnz     .Lloop1
 161         jmp     .Lexit
 162
 163 .align  16
 164 .LRC4_CHAR:
 165         add     \$1,$XX[0]#b
 166         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
 167         test    \$-8,$len
 168         jz      .Lcloop1
 169         cmpl    \$0,260($dat)
 170         jnz     .Lcloop1
 171         jmp     .Lcloop8
 172 .align  16
 173 .Lcloop8:
 174         mov     ($inp),%eax
 175         mov     4($inp),%ebx
 176 ___
 177 # unroll 2x4-wise, because 64-bit rotates kill Intel P4...
 178 for ($i=0;$i<4;$i++) {
 179 $code.=<<___;
 180         add     $TX[0]#b,$YY#b
 181         lea     1($XX[0]),$XX[1]
 182         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 183         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
 184         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
 185         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 186         cmp     $XX[1],$YY
 187         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 188         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
 189         mov     $TX[0],$TX[1]
 190 .Lcmov$i:
 191         add     $TX[0]#b,$TY#b
 192         xor     ($dat,$TY),%al
 193         ror     \$8,%eax
 194 ___
 195 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 196 }
 197 for ($i=4;$i<8;$i++) {
 198 $code.=<<___;
 199         add     $TX[0]#b,$YY#b
 200         lea     1($XX[0]),$XX[1]
 201         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 202         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
 203         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
 204         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 205         cmp     $XX[1],$YY
 206         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 207         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
 208         mov     $TX[0],$TX[1]
 209 .Lcmov$i:
 210         add     $TX[0]#b,$TY#b
 211         xor     ($dat,$TY),%bl
 212         ror     \$8,%ebx
 213 ___
 214 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 215 }
 216 $code.=<<___;
 217         lea     -8($len),$len
 218         mov     %eax,($out)
 219         lea     8($inp),$inp
 220         mov     %ebx,4($out)
 221         lea     8($out),$out
 222
 223         test    \$-8,$len
 224         jnz     .Lcloop8
 225         cmp     \$0,$len
 226         jne     .Lcloop1
 227         jmp     .Lexit
 228 ___
 229 $code.=<<___;
 230 .align  16
 231 .Lcloop1:
 232         add     $TX[0]#b,$YY#b
 233         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 234         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 235         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 236         add     $TX[0]#b,$TY#b
 237         add     \$1,$XX[0]#b
 238         movzb   $TY#b,$TY#d
 239         movzb   $XX[0]#b,$XX[0]#d
 240         movzb   ($dat,$TY),$TY#d
 241         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
 242         xorb    ($inp),$TY#b
 243         lea     1($inp),$inp
 244         movb    $TY#b,($out)
 245         lea     1($out),$out
 246         sub     \$1,$len
 247         jnz     .Lcloop1
 248         jmp     .Lexit
 249
 250 .align  16
 251 .Lexit:
 252         sub     \$1,$XX[0]#b
 253         movl    $XX[0]#d,-8($dat)
 254         movl    $YY#d,-4($dat)
 255
 256         mov     (%rsp),%r13
 257         mov     8(%rsp),%r12
 258         mov     16(%rsp),%rbx
 259         add     \$24,%rsp
 260 .Lepilogue:
 261         ret
 262 .size   RC4,.-RC4
 263 ___
 264
 265 $idx="%r8";
 266 $ido="%r9";
 267
 268 $code.=<<___;
 269 .extern OPENSSL_ia32cap_P
 270 .globl  RC4_set_key
 271 .type   RC4_set_key,\@function,3
 272 .align  16
 273 RC4_set_key:
 274         lea     8($dat),$dat
 275         lea     ($inp,$len),$inp
 276         neg     $len
 277         mov     $len,%rcx
 278         xor     %eax,%eax
 279         xor     $ido,$ido
 280         xor     %r10,%r10
 281         xor     %r11,%r11
 282
 283         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),$idx#d
 284         bt      \$20,$idx#d
 285         jnc     .Lw1stloop
 286         bt      \$30,$idx#d
 287         setc    $ido#b
 288         mov     $ido#d,260($dat)
 289         jmp     .Lc1stloop
 290
 291 .align  16
 292 .Lw1stloop:
 293         mov     %eax,($dat,%rax,4)
 294         add     \$1,%al
 295         jnc     .Lw1stloop
 296
 297         xor     $ido,$ido
 298         xor     $idx,$idx
 299 .align  16
 300 .Lw2ndloop:
 301         mov     ($dat,$ido,4),%r10d
 302         add     ($inp,$len,1),$idx#b
 303         add     %r10b,$idx#b
 304         add     \$1,$len
 305         mov     ($dat,$idx,4),%r11d
 306         cmovz   %rcx,$len
 307         mov     %r10d,($dat,$idx,4)
 308         mov     %r11d,($dat,$ido,4)
 309         add     \$1,$ido#b
 310         jnc     .Lw2ndloop
 311         jmp     .Lexit_key
 312
 313 .align  16
 314 .Lc1stloop:
 315         mov     %al,($dat,%rax)
 316         add     \$1,%al
 317         jnc     .Lc1stloop
 318
 319         xor     $ido,$ido
 320         xor     $idx,$idx
 321 .align  16
 322 .Lc2ndloop:
 323         mov     ($dat,$ido),%r10b
 324         add     ($inp,$len),$idx#b
 325         add     %r10b,$idx#b
 326         add     \$1,$len
 327         mov     ($dat,$idx),%r11b
 328         jnz     .Lcnowrap
 329         mov     %rcx,$len
 330 .Lcnowrap:
 331         mov     %r10b,($dat,$idx)
 332         mov     %r11b,($dat,$ido)
 333         add     \$1,$ido#b
 334         jnc     .Lc2ndloop
 335         movl    \$-1,256($dat)
 336
 337 .align  16
 338 .Lexit_key:
 339         xor     %eax,%eax
 340         mov     %eax,-8($dat)
 341         mov     %eax,-4($dat)
 342         ret
 343 .size   RC4_set_key,.-RC4_set_key
 344
 345 .globl  RC4_options
 346 .type   RC4_options,\@abi-omnipotent
 347 .align  16
 348 RC4_options:
 349         lea     .Lopts(%rip),%rax
 350         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),%edx
 351         bt      \$20,%edx
 352         jnc     .Ldone
 353         add     \$12,%rax
 354         bt      \$30,%edx
 355         jnc     .Ldone
 356         add     \$13,%rax
 357 .Ldone:
 358         ret
 359 .align  64
 360 .Lopts:
 361 .asciz  "rc4(8x,int)"
 362 .asciz  "rc4(8x,char)"
 363 .asciz  "rc4(1x,char)"
 364 .asciz  "RC4 for x86_64, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
 365 .align  64
 366 .size   RC4_options,.-RC4_options
 367 ___
 368
 369 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
 370 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
 371 if ($win64) {
 372 $rec="%rcx";
 373 $frame="%rdx";
 374 $context="%r8";
 375 $disp="%r9";
 376
 377 $code.=<<___;
 378 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
 379 .type   stream_se_handler,\@abi-omnipotent
 380 .align  16
 381 stream_se_handler:
 382         push    %rsi
 383         push    %rdi
 384         push    %rbx
 385         push    %rbp
 386         push    %r12
 387         push    %r13
 388         push    %r14
 389         push    %r15
 390         pushfq
 391         sub     \$64,%rsp
 392
 393         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
 394         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
 395
 396         lea     .Lprologue(%rip),%r10
 397         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<prologue label
 398         jb      .Lin_prologue
 399
 400         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 401
 402         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
 403         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=epilogue label
 404         jae     .Lin_prologue
 405
 406         lea     24(%rax),%rax
 407
 408         mov     -8(%rax),%rbx
 409         mov     -16(%rax),%r12
 410         mov     -24(%rax),%r13
 411         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
 412         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
 413         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
 414
 415 .Lin_prologue:
 416         mov     8(%rax),%rdi
 417         mov     16(%rax),%rsi
 418         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
 419         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 420         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 421
 422         jmp     .Lcommon_seh_exit
 423 .size   stream_se_handler,.-stream_se_handler
 424
 425 .type   key_se_handler,\@abi-omnipotent
 426 .align  16
 427 key_se_handler:
 428         push    %rsi
 429         push    %rdi
 430         push    %rbx
 431         push    %rbp
 432         push    %r12
 433         push    %r13
 434         push    %r14
 435         push    %r15
 436         pushfq
 437         sub     \$64,%rsp
 438
 439         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 440         mov     8(%rax),%rdi
 441         mov     16(%rax),%rsi
 442         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 443         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 444
 445 .Lcommon_seh_exit:
 446
 447         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
 448         mov     $context,%rsi           # context
 449         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
 450         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
 451
 452         mov     $disp,%rsi
 453         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
 454         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
 455         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
 456         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
 457         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
 458         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
 459         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
 460         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
 461         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
 462         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
 463         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
 464         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
 465
 466         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
 467         add     \$64,%rsp
 468         popfq
 469         pop     %r15
 470         pop     %r14
 471         pop     %r13
 472         pop     %r12
 473         pop     %rbp
 474         pop     %rbx
 475         pop     %rdi
 476         pop     %rsi
 477         ret
 478 .size   key_se_handler,.-key_se_handler
 479
 480 .section        .pdata
 481 .align  4
 482         .rva    .LSEH_begin_RC4
 483         .rva    .LSEH_end_RC4
 484         .rva    .LSEH_info_RC4
 485
 486         .rva    .LSEH_begin_RC4_set_key
 487         .rva    .LSEH_end_RC4_set_key
 488         .rva    .LSEH_info_RC4_set_key
 489
 490 .section        .xdata
 491 .align  8
 492 .LSEH_info_RC4:
 493         .byte   9,0,0,0
 494         .rva    stream_se_handler
 495 .LSEH_info_RC4_set_key:
 496         .byte   9,0,0,0
 497         .rva    key_se_handler
 498 ___
 499 }
 500
 501 $code =~ s/#([bwd])/$1/gm;
 502
 503 print $code;
 504
 505 close STDOUT;