crypto/sha/asm/sha512-x86_64.pl

   1 #!/usr/bin/env perl
   2 #
   3 # ====================================================================
   4 # Written by Andy Polyakov <appro@fy.chalmers.se> for the OpenSSL
   5 # project. Rights for redistribution and usage in source and binary
   6 # forms are granted according to the OpenSSL license.
   7 # ====================================================================
   8 #
   9 # sha256/512_block procedure for x86_64.
  10 #
  11 # 40% improvement over compiler-generated code on Opteron. On EM64T
  12 # sha256 was observed to run >80% faster and sha512 - >40%. No magical
  13 # tricks, just straight implementation... I really wonder why gcc
  14 # [being armed with inline assembler] fails to generate as fast code.
  15 # The only thing which is cool about this module is that it's very
  16 # same instruction sequence used for both SHA-256 and SHA-512. In
  17 # former case the instructions operate on 32-bit operands, while in
  18 # latter - on 64-bit ones. All I had to do is to get one flavor right,
  19 # the other one passed the test right away:-)
  20 #
  21 # sha256_block runs in ~1005 cycles on Opteron, which gives you
  22 # asymptotic performance of 64*1000/1005=63.7MBps times CPU clock
  23 # frequency in GHz. sha512_block runs in ~1275 cycles, which results
  24 # in 128*1000/1275=100MBps per GHz. Is there room for improvement?
  25 # Well, if you compare it to IA-64 implementation, which maintains
  26 # X[16] in register bank[!], tends to 4 instructions per CPU clock
  27 # cycle and runs in 1003 cycles, 1275 is very good result for 3-way
  28 # issue Opteron pipeline and X[16] maintained in memory. So that *if*
  29 # there is a way to improve it, *then* the only way would be to try to
  30 # offload X[16] updates to SSE unit, but that would require "deeper"
  31 # loop unroll, which in turn would naturally cause size blow-up, not
  32 # to mention increased complexity! And once again, only *if* it's
  33 # actually possible to noticeably improve overall ILP, instruction
  34 # level parallelism, on a given CPU implementation in this case.
  35 #
  36 # Special note on Intel EM64T. While Opteron CPU exhibits perfect
  37 # perfromance ratio of 1.5 between 64- and 32-bit flavors [see above],
  38 # [currently available] EM64T CPUs apparently are far from it. On the
  39 # contrary, 64-bit version, sha512_block, is ~30% *slower* than 32-bit
  40 # sha256_block:-( This is presumably because 64-bit shifts/rotates
  41 # apparently are not atomic instructions, but implemented in microcode.
  42
  43 $flavour = shift;
  44 $output  = shift;
  45 if ($flavour =~ /\./) { $output = $flavour; undef $flavour; }
  46
  47 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  48 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  49 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  50 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  51
  52 open STDOUT,"| $^X $xlate $flavour $output";
  53
  54 if ($output =~ /512/) {
  55         $func="sha512_block_data_order";
  56         $TABLE="K512";
  57         $SZ=8;
  58         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%rax","%rbx","%rcx","%rdx",
  59                                         "%r8", "%r9", "%r10","%r11");
  60         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12","%r13","%r14","%r15");
  61         @Sigma0=(28,34,39);
  62         @Sigma1=(14,18,41);
  63         @sigma0=(1,  8, 7);
  64         @sigma1=(19,61, 6);
  65         $rounds=80;
  66 } else {
  67         $func="sha256_block_data_order";
  68         $TABLE="K256";
  69         $SZ=4;
  70         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%eax","%ebx","%ecx","%edx",
  71                                         "%r8d","%r9d","%r10d","%r11d");
  72         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12d","%r13d","%r14d","%r15d");
  73         @Sigma0=( 2,13,22);
  74         @Sigma1=( 6,11,25);
  75         @sigma0=( 7,18, 3);
  76         @sigma1=(17,19,10);
  77         $rounds=64;
  78 }
  79
  80 $ctx="%rdi";    # 1st arg
  81 $round="%rdi";  # zaps $ctx
  82 $inp="%rsi";    # 2nd arg
  83 $Tbl="%rbp";
  84
  85 $_ctx="16*$SZ+0*8(%rsp)";
  86 $_inp="16*$SZ+1*8(%rsp)";
  87 $_end="16*$SZ+2*8(%rsp)";
  88 $_rsp="16*$SZ+3*8(%rsp)";
  89 $framesz="16*$SZ+4*8";
  90
  91
  92 sub ROUND_00_15()
  93 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
  94
  95 $code.=<<___;
  96         mov     $e,$a0
  97         mov     $e,$a1
  98         mov     $f,$a2
  99
 100         ror     \$$Sigma1[0],$a0
 101         ror     \$$Sigma1[1],$a1
 102         xor     $g,$a2                  # f^g
 103
 104         xor     $a1,$a0
 105         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a1
 106         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
 107         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
 108
 109         xor     $a1,$a0                 # Sigma1(e)
 110         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
 111         add     $h,$T1                  # T1+=h
 112
 113         mov     $a,$h
 114         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
 115
 116         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
 117         mov     $a,$a0
 118         mov     $a,$a1
 119
 120         ror     \$$Sigma0[0],$h
 121         ror     \$$Sigma0[1],$a0
 122         mov     $a,$a2
 123         add     ($Tbl,$round,$SZ),$T1   # T1+=K[round]
 124
 125         xor     $a0,$h
 126         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a0
 127         or      $c,$a1                  # a|c
 128
 129         xor     $a0,$h                  # h=Sigma0(a)
 130         and     $c,$a2                  # a&c
 131         add     $T1,$d                  # d+=T1
 132
 133         and     $b,$a1                  # (a|c)&b
 134         add     $T1,$h                  # h+=T1
 135
 136         or      $a2,$a1                 # Maj(a,b,c)=((a|c)&b)|(a&c)
 137         lea     1($round),$round        # round++
 138
 139         add     $a1,$h                  # h+=Maj(a,b,c)
 140 ___
 141 }
 142
 143 sub ROUND_16_XX()
 144 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 145
 146 $code.=<<___;
 147         mov     `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
 148         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$T1
 149
 150         mov     $a0,$a2
 151
 152         shr     \$$sigma0[2],$a0
 153         ror     \$$sigma0[0],$a2
 154
 155         xor     $a2,$a0
 156         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$a2
 157
 158         xor     $a2,$a0                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
 159         mov     $T1,$a1
 160
 161         shr     \$$sigma1[2],$T1
 162         ror     \$$sigma1[0],$a1
 163
 164         xor     $a1,$T1
 165         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a1
 166
 167         xor     $a1,$T1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
 168
 169         add     $a0,$T1
 170
 171         add     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
 172
 173         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
 174 ___
 175         &ROUND_00_15(@_);
 176 }
 177
 178 $code=<<___;
 179 .text
 180
 181 .globl  $func
 182 .type   $func,\@function,4
 183 .align  16
 184 $func:
 185         push    %rbx
 186         push    %rbp
 187         push    %r12
 188         push    %r13
 189         push    %r14
 190         push    %r15
 191         mov     %rsp,%rbp               # copy %rsp
 192         shl     \$4,%rdx                # num*16
 193         sub     \$$framesz,%rsp
 194         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
 195         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
 196         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
 197         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
 198         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
 199         mov     %rbp,$_rsp              # save copy of %rsp
 200
 201         lea     $TABLE(%rip),$Tbl
 202
 203         mov     $SZ*0($ctx),$A
 204         mov     $SZ*1($ctx),$B
 205         mov     $SZ*2($ctx),$C
 206         mov     $SZ*3($ctx),$D
 207         mov     $SZ*4($ctx),$E
 208         mov     $SZ*5($ctx),$F
 209         mov     $SZ*6($ctx),$G
 210         mov     $SZ*7($ctx),$H
 211         jmp     .Lloop
 212
 213 .align  16
 214 .Lloop:
 215         xor     $round,$round
 216 ___
 217         for($i=0;$i<16;$i++) {
 218                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 219                 $code.="        bswap   $T1\n";
 220                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 221                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 222         }
 223 $code.=<<___;
 224         jmp     .Lrounds_16_xx
 225 .align  16
 226 .Lrounds_16_xx:
 227 ___
 228         for(;$i<32;$i++) {
 229                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
 230                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 231         }
 232
 233 $code.=<<___;
 234         cmp     \$$rounds,$round
 235         jb      .Lrounds_16_xx
 236
 237         mov     $_ctx,$ctx
 238         lea     16*$SZ($inp),$inp
 239
 240         add     $SZ*0($ctx),$A
 241         add     $SZ*1($ctx),$B
 242         add     $SZ*2($ctx),$C
 243         add     $SZ*3($ctx),$D
 244         add     $SZ*4($ctx),$E
 245         add     $SZ*5($ctx),$F
 246         add     $SZ*6($ctx),$G
 247         add     $SZ*7($ctx),$H
 248
 249         cmp     $_end,$inp
 250
 251         mov     $A,$SZ*0($ctx)
 252         mov     $B,$SZ*1($ctx)
 253         mov     $C,$SZ*2($ctx)
 254         mov     $D,$SZ*3($ctx)
 255         mov     $E,$SZ*4($ctx)
 256         mov     $F,$SZ*5($ctx)
 257         mov     $G,$SZ*6($ctx)
 258         mov     $H,$SZ*7($ctx)
 259         jb      .Lloop
 260
 261         mov     $_rsp,%rsp
 262         pop     %r15
 263         pop     %r14
 264         pop     %r13
 265         pop     %r12
 266         pop     %rbp
 267         pop     %rbx
 268
 269         ret
 270 .size   $func,.-$func
 271 ___
 272
 273 if ($SZ==4) {
 274 $code.=<<___;
 275 .align  64
 276 .type   $TABLE,\@object
 277 $TABLE:
 278         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
 279         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
 280         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
 281         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
 282         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
 283         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
 284         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
 285         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
 286         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
 287         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
 288         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
 289         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
 290         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
 291         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
 292         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
 293         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
 294 ___
 295 } else {
 296 $code.=<<___;
 297 .align  64
 298 .type   $TABLE,\@object
 299 $TABLE:
 300         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
 301         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
 302         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
 303         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
 304         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
 305         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
 306         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
 307         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
 308         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
 309         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
 310         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
 311         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
 312         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
 313         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
 314         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
 315         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
 316         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
 317         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
 318         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
 319         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
 320         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
 321         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
 322         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
 323         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
 324         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
 325         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
 326         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
 327         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
 328         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
 329         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
 330         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
 331         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
 332         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
 333         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
 334         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
 335         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
 336         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
 337         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
 338         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
 339         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
 340 ___
 341 }
 342
 343 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
 344 print $code;
 345 close STDOUT;