modes/asm/ghash-armv4.pl: make it compile by clang. RT#3989
[openssl.git] / crypto / modes / asm / ghash-armv4.pl
1 #!/usr/bin/env perl
2 #
3 # ====================================================================
4 # Written by Andy Polyakov <appro@openssl.org> 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 # April 2010
11 #
12 # The module implements "4-bit" GCM GHASH function and underlying
13 # single multiplication operation in GF(2^128). "4-bit" means that it
14 # uses 256 bytes per-key table [+32 bytes shared table]. There is no
15 # experimental performance data available yet. The only approximation
16 # that can be made at this point is based on code size. Inner loop is
17 # 32 instructions long and on single-issue core should execute in <40
18 # cycles. Having verified that gcc 3.4 didn't unroll corresponding
19 # loop, this assembler loop body was found to be ~3x smaller than
20 # compiler-generated one...
21 #
22 # July 2010
23 #
24 # Rescheduling for dual-issue pipeline resulted in 8.5% improvement on
25 # Cortex A8 core and ~25 cycles per processed byte (which was observed
26 # to be ~3 times faster than gcc-generated code:-)
27 #
28 # February 2011
29 #
30 # Profiler-assisted and platform-specific optimization resulted in 7%
31 # improvement on Cortex A8 core and ~23.5 cycles per byte.
32 #
33 # March 2011
34 #
35 # Add NEON implementation featuring polynomial multiplication, i.e. no
36 # lookup tables involved. On Cortex A8 it was measured to process one
37 # byte in 15 cycles or 55% faster than integer-only code.
38 #
39 # April 2014
40 #
41 # Switch to multiplication algorithm suggested in paper referred
42 # below and combine it with reduction algorithm from x86 module.
43 # Performance improvement over previous version varies from 65% on
44 # Snapdragon S4 to 110% on Cortex A9. In absolute terms Cortex A8
45 # processes one byte in 8.45 cycles, A9 - in 10.2, Snapdragon S4 -
46 # in 9.33.
47 #
48 # Câmara, D.; Gouvêa, C. P. L.; López, J. & Dahab, R.: Fast Software
49 # Polynomial Multiplication on ARM Processors using the NEON Engine.
50
51 # http://conradoplg.cryptoland.net/files/2010/12/mocrysen13.pdf
52
53 # ====================================================================
54 # Note about "528B" variant. In ARM case it makes lesser sense to
55 # implement it for following reasons:
56 #
57 # - performance improvement won't be anywhere near 50%, because 128-
58 #   bit shift operation is neatly fused with 128-bit xor here, and
59 #   "538B" variant would eliminate only 4-5 instructions out of 32
60 #   in the inner loop (meaning that estimated improvement is ~15%);
61 # - ARM-based systems are often embedded ones and extra memory
62 #   consumption might be unappreciated (for so little improvement);
63 #
64 # Byte order [in]dependence. =========================================
65 #
66 # Caller is expected to maintain specific *dword* order in Htable,
67 # namely with *least* significant dword of 128-bit value at *lower*
68 # address. This differs completely from C code and has everything to
69 # do with ldm instruction and order in which dwords are "consumed" by
70 # algorithm. *Byte* order within these dwords in turn is whatever
71 # *native* byte order on current platform. See gcm128.c for working
72 # example...
73
74 while (($output=shift) && ($output!~/^\w[\w\-]*\.\w+$/)) {}
75 open STDOUT,">$output";
76
77 $Xi="r0";       # argument block
78 $Htbl="r1";
79 $inp="r2";
80 $len="r3";
81
82 $Zll="r4";      # variables
83 $Zlh="r5";
84 $Zhl="r6";
85 $Zhh="r7";
86 $Tll="r8";
87 $Tlh="r9";
88 $Thl="r10";
89 $Thh="r11";
90 $nlo="r12";
91 ################# r13 is stack pointer
92 $nhi="r14";
93 ################# r15 is program counter
94
95 $rem_4bit=$inp; # used in gcm_gmult_4bit
96 $cnt=$len;
97
98 sub Zsmash() {
99   my $i=12;
100   my @args=@_;
101   for ($Zll,$Zlh,$Zhl,$Zhh) {
102     $code.=<<___;
103 #if __ARM_ARCH__>=7 && defined(__ARMEL__)
104         rev     $_,$_
105         str     $_,[$Xi,#$i]
106 #elif defined(__ARMEB__)
107         str     $_,[$Xi,#$i]
108 #else
109         mov     $Tlh,$_,lsr#8
110         strb    $_,[$Xi,#$i+3]
111         mov     $Thl,$_,lsr#16
112         strb    $Tlh,[$Xi,#$i+2]
113         mov     $Thh,$_,lsr#24
114         strb    $Thl,[$Xi,#$i+1]
115         strb    $Thh,[$Xi,#$i]
116 #endif
117 ___
118     $code.="\t".shift(@args)."\n";
119     $i-=4;
120   }
121 }
122
123 $code=<<___;
124 #include "arm_arch.h"
125
126 .text
127 .code   32
128
129 #ifdef __clang__
130 #define ldrplb  ldrbpl
131 #define ldrneb  ldrbne
132 #endif
133
134 .type   rem_4bit,%object
135 .align  5
136 rem_4bit:
137 .short  0x0000,0x1C20,0x3840,0x2460
138 .short  0x7080,0x6CA0,0x48C0,0x54E0
139 .short  0xE100,0xFD20,0xD940,0xC560
140 .short  0x9180,0x8DA0,0xA9C0,0xB5E0
141 .size   rem_4bit,.-rem_4bit
142
143 .type   rem_4bit_get,%function
144 rem_4bit_get:
145         sub     $rem_4bit,pc,#8
146         sub     $rem_4bit,$rem_4bit,#32 @ &rem_4bit
147         b       .Lrem_4bit_got
148         nop
149 .size   rem_4bit_get,.-rem_4bit_get
150
151 .global gcm_ghash_4bit
152 .type   gcm_ghash_4bit,%function
153 gcm_ghash_4bit:
154         sub     r12,pc,#8
155         add     $len,$inp,$len          @ $len to point at the end
156         stmdb   sp!,{r3-r11,lr}         @ save $len/end too
157         sub     r12,r12,#48             @ &rem_4bit
158
159         ldmia   r12,{r4-r11}            @ copy rem_4bit ...
160         stmdb   sp!,{r4-r11}            @ ... to stack
161
162         ldrb    $nlo,[$inp,#15]
163         ldrb    $nhi,[$Xi,#15]
164 .Louter:
165         eor     $nlo,$nlo,$nhi
166         and     $nhi,$nlo,#0xf0
167         and     $nlo,$nlo,#0x0f
168         mov     $cnt,#14
169
170         add     $Zhh,$Htbl,$nlo,lsl#4
171         ldmia   $Zhh,{$Zll-$Zhh}        @ load Htbl[nlo]
172         add     $Thh,$Htbl,$nhi
173         ldrb    $nlo,[$inp,#14]
174
175         and     $nhi,$Zll,#0xf          @ rem
176         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nhi]
177         add     $nhi,$nhi,$nhi
178         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
179         ldrh    $Tll,[sp,$nhi]          @ rem_4bit[rem]
180         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
181         ldrb    $nhi,[$Xi,#14]
182         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
183         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
184         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
185         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
186         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
187         eor     $nlo,$nlo,$nhi
188         and     $nhi,$nlo,#0xf0
189         and     $nlo,$nlo,#0x0f
190         eor     $Zhh,$Zhh,$Tll,lsl#16
191
192 .Linner:
193         add     $Thh,$Htbl,$nlo,lsl#4
194         and     $nlo,$Zll,#0xf          @ rem
195         subs    $cnt,$cnt,#1
196         add     $nlo,$nlo,$nlo
197         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nlo]
198         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
199         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
200         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
201         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
202         ldrh    $Tll,[sp,$nlo]          @ rem_4bit[rem]
203         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
204         ldrplb  $nlo,[$inp,$cnt]
205         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
206         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
207
208         add     $Thh,$Htbl,$nhi
209         and     $nhi,$Zll,#0xf          @ rem
210         eor     $Zhh,$Zhh,$Tll,lsl#16   @ ^= rem_4bit[rem]
211         add     $nhi,$nhi,$nhi
212         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nhi]
213         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
214         ldrplb  $Tll,[$Xi,$cnt]
215         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
216         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
217         ldrh    $Tlh,[sp,$nhi]
218         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
219         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
220         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
221         eorpl   $nlo,$nlo,$Tll
222         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
223         andpl   $nhi,$nlo,#0xf0
224         andpl   $nlo,$nlo,#0x0f
225         eor     $Zhh,$Zhh,$Tlh,lsl#16   @ ^= rem_4bit[rem]
226         bpl     .Linner
227
228         ldr     $len,[sp,#32]           @ re-load $len/end
229         add     $inp,$inp,#16
230         mov     $nhi,$Zll
231 ___
232         &Zsmash("cmp\t$inp,$len","ldrneb\t$nlo,[$inp,#15]");
233 $code.=<<___;
234         bne     .Louter
235
236         add     sp,sp,#36
237 #if __ARM_ARCH__>=5
238         ldmia   sp!,{r4-r11,pc}
239 #else
240         ldmia   sp!,{r4-r11,lr}
241         tst     lr,#1
242         moveq   pc,lr                   @ be binary compatible with V4, yet
243         bx      lr                      @ interoperable with Thumb ISA:-)
244 #endif
245 .size   gcm_ghash_4bit,.-gcm_ghash_4bit
246
247 .global gcm_gmult_4bit
248 .type   gcm_gmult_4bit,%function
249 gcm_gmult_4bit:
250         stmdb   sp!,{r4-r11,lr}
251         ldrb    $nlo,[$Xi,#15]
252         b       rem_4bit_get
253 .Lrem_4bit_got:
254         and     $nhi,$nlo,#0xf0
255         and     $nlo,$nlo,#0x0f
256         mov     $cnt,#14
257
258         add     $Zhh,$Htbl,$nlo,lsl#4
259         ldmia   $Zhh,{$Zll-$Zhh}        @ load Htbl[nlo]
260         ldrb    $nlo,[$Xi,#14]
261
262         add     $Thh,$Htbl,$nhi
263         and     $nhi,$Zll,#0xf          @ rem
264         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nhi]
265         add     $nhi,$nhi,$nhi
266         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
267         ldrh    $Tll,[$rem_4bit,$nhi]   @ rem_4bit[rem]
268         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
269         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
270         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
271         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
272         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
273         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
274         and     $nhi,$nlo,#0xf0
275         eor     $Zhh,$Zhh,$Tll,lsl#16
276         and     $nlo,$nlo,#0x0f
277
278 .Loop:
279         add     $Thh,$Htbl,$nlo,lsl#4
280         and     $nlo,$Zll,#0xf          @ rem
281         subs    $cnt,$cnt,#1
282         add     $nlo,$nlo,$nlo
283         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nlo]
284         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
285         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
286         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
287         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
288         ldrh    $Tll,[$rem_4bit,$nlo]   @ rem_4bit[rem]
289         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
290         ldrplb  $nlo,[$Xi,$cnt]
291         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
292         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
293
294         add     $Thh,$Htbl,$nhi
295         and     $nhi,$Zll,#0xf          @ rem
296         eor     $Zhh,$Zhh,$Tll,lsl#16   @ ^= rem_4bit[rem]
297         add     $nhi,$nhi,$nhi
298         ldmia   $Thh,{$Tll-$Thh}        @ load Htbl[nhi]
299         eor     $Zll,$Tll,$Zll,lsr#4
300         eor     $Zll,$Zll,$Zlh,lsl#28
301         eor     $Zlh,$Tlh,$Zlh,lsr#4
302         ldrh    $Tll,[$rem_4bit,$nhi]   @ rem_4bit[rem]
303         eor     $Zlh,$Zlh,$Zhl,lsl#28
304         eor     $Zhl,$Thl,$Zhl,lsr#4
305         eor     $Zhl,$Zhl,$Zhh,lsl#28
306         eor     $Zhh,$Thh,$Zhh,lsr#4
307         andpl   $nhi,$nlo,#0xf0
308         andpl   $nlo,$nlo,#0x0f
309         eor     $Zhh,$Zhh,$Tll,lsl#16   @ ^= rem_4bit[rem]
310         bpl     .Loop
311 ___
312         &Zsmash();
313 $code.=<<___;
314 #if __ARM_ARCH__>=5
315         ldmia   sp!,{r4-r11,pc}
316 #else
317         ldmia   sp!,{r4-r11,lr}
318         tst     lr,#1
319         moveq   pc,lr                   @ be binary compatible with V4, yet
320         bx      lr                      @ interoperable with Thumb ISA:-)
321 #endif
322 .size   gcm_gmult_4bit,.-gcm_gmult_4bit
323 ___
324 {
325 my ($Xl,$Xm,$Xh,$IN)=map("q$_",(0..3));
326 my ($t0,$t1,$t2,$t3)=map("q$_",(8..12));
327 my ($Hlo,$Hhi,$Hhl,$k48,$k32,$k16)=map("d$_",(26..31));
328
329 sub clmul64x64 {
330 my ($r,$a,$b)=@_;
331 $code.=<<___;
332         vext.8          $t0#lo, $a, $a, #1      @ A1
333         vmull.p8        $t0, $t0#lo, $b         @ F = A1*B
334         vext.8          $r#lo, $b, $b, #1       @ B1
335         vmull.p8        $r, $a, $r#lo           @ E = A*B1
336         vext.8          $t1#lo, $a, $a, #2      @ A2
337         vmull.p8        $t1, $t1#lo, $b         @ H = A2*B
338         vext.8          $t3#lo, $b, $b, #2      @ B2
339         vmull.p8        $t3, $a, $t3#lo         @ G = A*B2
340         vext.8          $t2#lo, $a, $a, #3      @ A3
341         veor            $t0, $t0, $r            @ L = E + F
342         vmull.p8        $t2, $t2#lo, $b         @ J = A3*B
343         vext.8          $r#lo, $b, $b, #3       @ B3
344         veor            $t1, $t1, $t3           @ M = G + H
345         vmull.p8        $r, $a, $r#lo           @ I = A*B3
346         veor            $t0#lo, $t0#lo, $t0#hi  @ t0 = (L) (P0 + P1) << 8
347         vand            $t0#hi, $t0#hi, $k48
348         vext.8          $t3#lo, $b, $b, #4      @ B4
349         veor            $t1#lo, $t1#lo, $t1#hi  @ t1 = (M) (P2 + P3) << 16
350         vand            $t1#hi, $t1#hi, $k32
351         vmull.p8        $t3, $a, $t3#lo         @ K = A*B4
352         veor            $t2, $t2, $r            @ N = I + J
353         veor            $t0#lo, $t0#lo, $t0#hi
354         veor            $t1#lo, $t1#lo, $t1#hi
355         veor            $t2#lo, $t2#lo, $t2#hi  @ t2 = (N) (P4 + P5) << 24
356         vand            $t2#hi, $t2#hi, $k16
357         vext.8          $t0, $t0, $t0, #15
358         veor            $t3#lo, $t3#lo, $t3#hi  @ t3 = (K) (P6 + P7) << 32
359         vmov.i64        $t3#hi, #0
360         vext.8          $t1, $t1, $t1, #14
361         veor            $t2#lo, $t2#lo, $t2#hi
362         vmull.p8        $r, $a, $b              @ D = A*B
363         vext.8          $t3, $t3, $t3, #12
364         vext.8          $t2, $t2, $t2, #13
365         veor            $t0, $t0, $t1
366         veor            $t2, $t2, $t3
367         veor            $r, $r, $t0
368         veor            $r, $r, $t2
369 ___
370 }
371
372 $code.=<<___;
373 #if __ARM_MAX_ARCH__>=7
374 .arch   armv7-a
375 .fpu    neon
376
377 .global gcm_init_neon
378 .type   gcm_init_neon,%function
379 .align  4
380 gcm_init_neon:
381         vld1.64         $IN#hi,[r1,:64]!        @ load H
382         vmov.i8         $t0,#0xe1
383         vld1.64         $IN#lo,[r1,:64]
384         vshl.i64        $t0#hi,#57
385         vshr.u64        $t0#lo,#63              @ t0=0xc2....01
386         vdup.8          $t1,$IN#hi[7]
387         vshr.u64        $Hlo,$IN#lo,#63
388         vshr.s8         $t1,#7                  @ broadcast carry bit
389         vshl.i64        $IN,$IN,#1
390         vand            $t0,$t0,$t1
391         vorr            $IN#hi,$Hlo             @ H<<<=1
392         veor            $IN,$IN,$t0             @ twisted H
393         vstmia          r0,{$IN}
394
395         ret                                     @ bx lr
396 .size   gcm_init_neon,.-gcm_init_neon
397
398 .global gcm_gmult_neon
399 .type   gcm_gmult_neon,%function
400 .align  4
401 gcm_gmult_neon:
402         vld1.64         $IN#hi,[$Xi,:64]!       @ load Xi
403         vld1.64         $IN#lo,[$Xi,:64]!
404         vmov.i64        $k48,#0x0000ffffffffffff
405         vldmia          $Htbl,{$Hlo-$Hhi}       @ load twisted H
406         vmov.i64        $k32,#0x00000000ffffffff
407 #ifdef __ARMEL__
408         vrev64.8        $IN,$IN
409 #endif
410         vmov.i64        $k16,#0x000000000000ffff
411         veor            $Hhl,$Hlo,$Hhi          @ Karatsuba pre-processing
412         mov             $len,#16
413         b               .Lgmult_neon
414 .size   gcm_gmult_neon,.-gcm_gmult_neon
415
416 .global gcm_ghash_neon
417 .type   gcm_ghash_neon,%function
418 .align  4
419 gcm_ghash_neon:
420         vld1.64         $Xl#hi,[$Xi,:64]!       @ load Xi
421         vld1.64         $Xl#lo,[$Xi,:64]!
422         vmov.i64        $k48,#0x0000ffffffffffff
423         vldmia          $Htbl,{$Hlo-$Hhi}       @ load twisted H
424         vmov.i64        $k32,#0x00000000ffffffff
425 #ifdef __ARMEL__
426         vrev64.8        $Xl,$Xl
427 #endif
428         vmov.i64        $k16,#0x000000000000ffff
429         veor            $Hhl,$Hlo,$Hhi          @ Karatsuba pre-processing
430
431 .Loop_neon:
432         vld1.64         $IN#hi,[$inp]!          @ load inp
433         vld1.64         $IN#lo,[$inp]!
434 #ifdef __ARMEL__
435         vrev64.8        $IN,$IN
436 #endif
437         veor            $IN,$Xl                 @ inp^=Xi
438 .Lgmult_neon:
439 ___
440         &clmul64x64     ($Xl,$Hlo,"$IN#lo");    # H.lo·Xi.lo
441 $code.=<<___;
442         veor            $IN#lo,$IN#lo,$IN#hi    @ Karatsuba pre-processing
443 ___
444         &clmul64x64     ($Xm,$Hhl,"$IN#lo");    # (H.lo+H.hi)·(Xi.lo+Xi.hi)
445         &clmul64x64     ($Xh,$Hhi,"$IN#hi");    # H.hi·Xi.hi
446 $code.=<<___;
447         veor            $Xm,$Xm,$Xl             @ Karatsuba post-processing
448         veor            $Xm,$Xm,$Xh
449         veor            $Xl#hi,$Xl#hi,$Xm#lo
450         veor            $Xh#lo,$Xh#lo,$Xm#hi    @ Xh|Xl - 256-bit result
451
452         @ equivalent of reduction_avx from ghash-x86_64.pl
453         vshl.i64        $t1,$Xl,#57             @ 1st phase
454         vshl.i64        $t2,$Xl,#62
455         veor            $t2,$t2,$t1             @
456         vshl.i64        $t1,$Xl,#63
457         veor            $t2, $t2, $t1           @
458         veor            $Xl#hi,$Xl#hi,$t2#lo    @
459         veor            $Xh#lo,$Xh#lo,$t2#hi
460
461         vshr.u64        $t2,$Xl,#1              @ 2nd phase
462         veor            $Xh,$Xh,$Xl
463         veor            $Xl,$Xl,$t2             @
464         vshr.u64        $t2,$t2,#6
465         vshr.u64        $Xl,$Xl,#1              @
466         veor            $Xl,$Xl,$Xh             @
467         veor            $Xl,$Xl,$t2             @
468
469         subs            $len,#16
470         bne             .Loop_neon
471
472 #ifdef __ARMEL__
473         vrev64.8        $Xl,$Xl
474 #endif
475         sub             $Xi,#16 
476         vst1.64         $Xl#hi,[$Xi,:64]!       @ write out Xi
477         vst1.64         $Xl#lo,[$Xi,:64]
478
479         ret                                     @ bx lr
480 .size   gcm_ghash_neon,.-gcm_ghash_neon
481 #endif
482 ___
483 }
484 $code.=<<___;
485 .asciz  "GHASH for ARMv4/NEON, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
486 .align  2
487 ___
488
489 foreach (split("\n",$code)) {
490         s/\`([^\`]*)\`/eval $1/geo;
491
492         s/\bq([0-9]+)#(lo|hi)/sprintf "d%d",2*$1+($2 eq "hi")/geo       or
493         s/\bret\b/bx    lr/go           or
494         s/\bbx\s+lr\b/.word\t0xe12fff1e/go;    # make it possible to compile with -march=armv4
495
496         print $_,"\n";
497 }
498 close STDOUT; # enforce flush