crypto/rc4/asm/rc4-586.pl

   1 #! /usr/bin/env perl
   2 # Copyright 1998-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3 #
   4 # Licensed under the Apache License 2.0 (the "License").  You may not use
   5 # this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   6 # in the file LICENSE in the source distribution or at
   7 # https://www.openssl.org/source/license.html
   8
   9
  10 # ====================================================================
  11 # [Re]written by Andy Polyakov <appro@openssl.org> for the OpenSSL
  12 # project. The module is, however, dual licensed under OpenSSL and
  13 # CRYPTOGAMS licenses depending on where you obtain it. For further
  14 # details see http://www.openssl.org/~appro/cryptogams/.
  15 # ====================================================================
  16
  17 # At some point it became apparent that the original SSLeay RC4
  18 # assembler implementation performs suboptimally on latest IA-32
  19 # microarchitectures. After re-tuning performance has changed as
  20 # following:
  21 #
  22 # Pentium       -10%
  23 # Pentium III   +12%
  24 # AMD           +50%(*)
  25 # P4            +250%(**)
  26 #
  27 # (*)   This number is actually a trade-off:-) It's possible to
  28 #       achieve +72%, but at the cost of -48% off PIII performance.
  29 #       In other words code performing further 13% faster on AMD
  30 #       would perform almost 2 times slower on Intel PIII...
  31 #       For reference! This code delivers ~80% of rc4-amd64.pl
  32 #       performance on the same Opteron machine.
  33 # (**)  This number requires compressed key schedule set up by
  34 #       RC4_set_key [see commentary below for further details].
  35
  36 # May 2011
  37 #
  38 # Optimize for Core2 and Westmere [and incidentally Opteron]. Current
  39 # performance in cycles per processed byte (less is better) and
  40 # improvement relative to previous version of this module is:
  41 #
  42 # Pentium       10.2                    # original numbers
  43 # Pentium III   7.8(*)
  44 # Intel P4      7.5
  45 #
  46 # Opteron       6.1/+20%                # new MMX numbers
  47 # Core2         5.3/+67%(**)
  48 # Westmere      5.1/+94%(**)
  49 # Sandy Bridge  5.0/+8%
  50 # Atom          12.6/+6%
  51 # VIA Nano      6.4/+9%
  52 # Ivy Bridge    4.9/±0%
  53 # Bulldozer     4.9/+15%
  54 #
  55 # (*)   PIII can actually deliver 6.6 cycles per byte with MMX code,
  56 #       but this specific code performs poorly on Core2. And vice
  57 #       versa, below MMX/SSE code delivering 5.8/7.1 on Core2 performs
  58 #       poorly on PIII, at 8.0/14.5:-( As PIII is not a "hot" CPU
  59 #       [anymore], I chose to discard PIII-specific code path and opt
  60 #       for original IALU-only code, which is why MMX/SSE code path
  61 #       is guarded by SSE2 bit (see below), not MMX/SSE.
  62 # (**)  Performance vs. block size on Core2 and Westmere had a maximum
  63 #       at ... 64 bytes block size. And it was quite a maximum, 40-60%
  64 #       in comparison to largest 8KB block size. Above improvement
  65 #       coefficients are for the largest block size.
  66
  67 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  68 push(@INC,"${dir}","${dir}../../perlasm");
  69 require "x86asm.pl";
  70
  71 $output = pop and open STDOUT,">$output";
  72
  73 &asm_init($ARGV[0],$x86only = $ARGV[$#ARGV] eq "386");
  74
  75 $xx="eax";
  76 $yy="ebx";
  77 $tx="ecx";
  78 $ty="edx";
  79 $inp="esi";
  80 $out="ebp";
  81 $dat="edi";
  82
  83 sub RC4_loop {
  84   my $i=shift;
  85   my $func = ($i==0)?*mov:*or;
  86
  87         &add    (&LB($yy),&LB($tx));
  88         &mov    ($ty,&DWP(0,$dat,$yy,4));
  89         &mov    (&DWP(0,$dat,$yy,4),$tx);
  90         &mov    (&DWP(0,$dat,$xx,4),$ty);
  91         &add    ($ty,$tx);
  92         &inc    (&LB($xx));
  93         &and    ($ty,0xff);
  94         &ror    ($out,8)        if ($i!=0);
  95         if ($i<3) {
  96           &mov  ($tx,&DWP(0,$dat,$xx,4));
  97         } else {
  98           &mov  ($tx,&wparam(3));       # reload [re-biased] out
  99         }
 100         &$func  ($out,&DWP(0,$dat,$ty,4));
 101 }
 102
 103 if ($alt=0) {
 104   # >20% faster on Atom and Sandy Bridge[!], 8% faster on Opteron,
 105   # but ~40% slower on Core2 and Westmere... Attempt to add movz
 106   # brings down Opteron by 25%, Atom and Sandy Bridge by 15%, yet
 107   # on Core2 with movz it's almost 20% slower than below alternative
 108   # code... Yes, it's a total mess...
 109   my @XX=($xx,$out);
 110   $RC4_loop_mmx = sub {         # SSE actually...
 111     my $i=shift;
 112     my $j=$i<=0?0:$i>>1;
 113     my $mm=$i<=0?"mm0":"mm".($i&1);
 114
 115         &add    (&LB($yy),&LB($tx));
 116         &lea    (@XX[1],&DWP(1,@XX[0]));
 117         &pxor   ("mm2","mm0")                           if ($i==0);
 118         &psllq  ("mm1",8)                               if ($i==0);
 119         &and    (@XX[1],0xff);
 120         &pxor   ("mm0","mm0")                           if ($i<=0);
 121         &mov    ($ty,&DWP(0,$dat,$yy,4));
 122         &mov    (&DWP(0,$dat,$yy,4),$tx);
 123         &pxor   ("mm1","mm2")                           if ($i==0);
 124         &mov    (&DWP(0,$dat,$XX[0],4),$ty);
 125         &add    (&LB($ty),&LB($tx));
 126         &movd   (@XX[0],"mm7")                          if ($i==0);
 127         &mov    ($tx,&DWP(0,$dat,@XX[1],4));
 128         &pxor   ("mm1","mm1")                           if ($i==1);
 129         &movq   ("mm2",&QWP(0,$inp))                    if ($i==1);
 130         &movq   (&QWP(-8,(@XX[0],$inp)),"mm1")          if ($i==0);
 131         &pinsrw ($mm,&DWP(0,$dat,$ty,4),$j);
 132
 133         push    (@XX,shift(@XX))                        if ($i>=0);
 134   }
 135 } else {
 136   # Using pinsrw here improves performance on Intel CPUs by 2-3%, but
 137   # brings down AMD by 7%...
 138   $RC4_loop_mmx = sub {
 139     my $i=shift;
 140
 141         &add    (&LB($yy),&LB($tx));
 142         &psllq  ("mm1",8*(($i-1)&7))                    if (abs($i)!=1);
 143         &mov    ($ty,&DWP(0,$dat,$yy,4));
 144         &mov    (&DWP(0,$dat,$yy,4),$tx);
 145         &mov    (&DWP(0,$dat,$xx,4),$ty);
 146         &inc    ($xx);
 147         &add    ($ty,$tx);
 148         &movz   ($xx,&LB($xx));                         # (*)
 149         &movz   ($ty,&LB($ty));                         # (*)
 150         &pxor   ("mm2",$i==1?"mm0":"mm1")               if ($i>=0);
 151         &movq   ("mm0",&QWP(0,$inp))                    if ($i<=0);
 152         &movq   (&QWP(-8,($out,$inp)),"mm2")            if ($i==0);
 153         &mov    ($tx,&DWP(0,$dat,$xx,4));
 154         &movd   ($i>0?"mm1":"mm2",&DWP(0,$dat,$ty,4));
 155
 156         # (*)   This is the key to Core2 and Westmere performance.
 157         #       Without movz out-of-order execution logic confuses
 158         #       itself and fails to reorder loads and stores. Problem
 159         #       appears to be fixed in Sandy Bridge...
 160   }
 161 }
 162
 163 &external_label("OPENSSL_ia32cap_P");
 164
 165 # void RC4(RC4_KEY *key,size_t len,const unsigned char *inp,unsigned char *out);
 166 &function_begin("RC4");
 167         &mov    ($dat,&wparam(0));      # load key schedule pointer
 168         &mov    ($ty, &wparam(1));      # load len
 169         &mov    ($inp,&wparam(2));      # load inp
 170         &mov    ($out,&wparam(3));      # load out
 171
 172         &xor    ($xx,$xx);              # avoid partial register stalls
 173         &xor    ($yy,$yy);
 174
 175         &cmp    ($ty,0);                # safety net
 176         &je     (&label("abort"));
 177
 178         &mov    (&LB($xx),&BP(0,$dat)); # load key->x
 179         &mov    (&LB($yy),&BP(4,$dat)); # load key->y
 180         &add    ($dat,8);
 181
 182         &lea    ($tx,&DWP(0,$inp,$ty));
 183         &sub    ($out,$inp);            # re-bias out
 184         &mov    (&wparam(1),$tx);       # save input+len
 185
 186         &inc    (&LB($xx));
 187
 188         # detect compressed key schedule...
 189         &cmp    (&DWP(256,$dat),-1);
 190         &je     (&label("RC4_CHAR"));
 191
 192         &mov    ($tx,&DWP(0,$dat,$xx,4));
 193
 194         &and    ($ty,-4);               # how many 4-byte chunks?
 195         &jz     (&label("loop1"));
 196
 197         &mov    (&wparam(3),$out);      # $out as accumulator in these loops
 198                                         if ($x86only) {
 199         &jmp    (&label("go4loop4"));
 200                                         } else {
 201         &test   ($ty,-8);
 202         &jz     (&label("go4loop4"));
 203
 204         &picmeup($out,"OPENSSL_ia32cap_P");
 205         &bt     (&DWP(0,$out),26);      # check SSE2 bit [could have been MMX]
 206         &jnc    (&label("go4loop4"));
 207
 208         &mov    ($out,&wparam(3))       if (!$alt);
 209         &movd   ("mm7",&wparam(3))      if ($alt);
 210         &and    ($ty,-8);
 211         &lea    ($ty,&DWP(-8,$inp,$ty));
 212         &mov    (&DWP(-4,$dat),$ty);    # save input+(len/8)*8-8
 213
 214         &$RC4_loop_mmx(-1);
 215         &jmp(&label("loop_mmx_enter"));
 216
 217         &set_label("loop_mmx",16);
 218                 &$RC4_loop_mmx(0);
 219         &set_label("loop_mmx_enter");
 220                 for     ($i=1;$i<8;$i++) { &$RC4_loop_mmx($i); }
 221                 &mov    ($ty,$yy);
 222                 &xor    ($yy,$yy);              # this is second key to Core2
 223                 &mov    (&LB($yy),&LB($ty));    # and Westmere performance...
 224                 &cmp    ($inp,&DWP(-4,$dat));
 225                 &lea    ($inp,&DWP(8,$inp));
 226         &jb     (&label("loop_mmx"));
 227
 228     if ($alt) {
 229         &movd   ($out,"mm7");
 230         &pxor   ("mm2","mm0");
 231         &psllq  ("mm1",8);
 232         &pxor   ("mm1","mm2");
 233         &movq   (&QWP(-8,$out,$inp),"mm1");
 234     } else {
 235         &psllq  ("mm1",56);
 236         &pxor   ("mm2","mm1");
 237         &movq   (&QWP(-8,$out,$inp),"mm2");
 238     }
 239         &emms   ();
 240
 241         &cmp    ($inp,&wparam(1));      # compare to input+len
 242         &je     (&label("done"));
 243         &jmp    (&label("loop1"));
 244                                         }
 245
 246 &set_label("go4loop4",16);
 247         &lea    ($ty,&DWP(-4,$inp,$ty));
 248         &mov    (&wparam(2),$ty);       # save input+(len/4)*4-4
 249
 250         &set_label("loop4");
 251                 for ($i=0;$i<4;$i++) { RC4_loop($i); }
 252                 &ror    ($out,8);
 253                 &xor    ($out,&DWP(0,$inp));
 254                 &cmp    ($inp,&wparam(2));      # compare to input+(len/4)*4-4
 255                 &mov    (&DWP(0,$tx,$inp),$out);# $tx holds re-biased out here
 256                 &lea    ($inp,&DWP(4,$inp));
 257                 &mov    ($tx,&DWP(0,$dat,$xx,4));
 258         &jb     (&label("loop4"));
 259
 260         &cmp    ($inp,&wparam(1));      # compare to input+len
 261         &je     (&label("done"));
 262         &mov    ($out,&wparam(3));      # restore $out
 263
 264         &set_label("loop1",16);
 265                 &add    (&LB($yy),&LB($tx));
 266                 &mov    ($ty,&DWP(0,$dat,$yy,4));
 267                 &mov    (&DWP(0,$dat,$yy,4),$tx);
 268                 &mov    (&DWP(0,$dat,$xx,4),$ty);
 269                 &add    ($ty,$tx);
 270                 &inc    (&LB($xx));
 271                 &and    ($ty,0xff);
 272                 &mov    ($ty,&DWP(0,$dat,$ty,4));
 273                 &xor    (&LB($ty),&BP(0,$inp));
 274                 &lea    ($inp,&DWP(1,$inp));
 275                 &mov    ($tx,&DWP(0,$dat,$xx,4));
 276                 &cmp    ($inp,&wparam(1));      # compare to input+len
 277                 &mov    (&BP(-1,$out,$inp),&LB($ty));
 278         &jb     (&label("loop1"));
 279
 280         &jmp    (&label("done"));
 281
 282 # this is essentially Intel P4 specific codepath...
 283 &set_label("RC4_CHAR",16);
 284         &movz   ($tx,&BP(0,$dat,$xx));
 285         # strangely enough unrolled loop performs over 20% slower...
 286         &set_label("cloop1");
 287                 &add    (&LB($yy),&LB($tx));
 288                 &movz   ($ty,&BP(0,$dat,$yy));
 289                 &mov    (&BP(0,$dat,$yy),&LB($tx));
 290                 &mov    (&BP(0,$dat,$xx),&LB($ty));
 291                 &add    (&LB($ty),&LB($tx));
 292                 &movz   ($ty,&BP(0,$dat,$ty));
 293                 &add    (&LB($xx),1);
 294                 &xor    (&LB($ty),&BP(0,$inp));
 295                 &lea    ($inp,&DWP(1,$inp));
 296                 &movz   ($tx,&BP(0,$dat,$xx));
 297                 &cmp    ($inp,&wparam(1));
 298                 &mov    (&BP(-1,$out,$inp),&LB($ty));
 299         &jb     (&label("cloop1"));
 300
 301 &set_label("done");
 302         &dec    (&LB($xx));
 303         &mov    (&DWP(-4,$dat),$yy);            # save key->y
 304         &mov    (&BP(-8,$dat),&LB($xx));        # save key->x
 305 &set_label("abort");
 306 &function_end("RC4");
 307
 308 ########################################################################
 309
 310 $inp="esi";
 311 $out="edi";
 312 $idi="ebp";
 313 $ido="ecx";
 314 $idx="edx";
 315
 316 # void RC4_set_key(RC4_KEY *key,int len,const unsigned char *data);
 317 &function_begin("RC4_set_key");
 318         &mov    ($out,&wparam(0));              # load key
 319         &mov    ($idi,&wparam(1));              # load len
 320         &mov    ($inp,&wparam(2));              # load data
 321         &picmeup($idx,"OPENSSL_ia32cap_P");
 322
 323         &lea    ($out,&DWP(2*4,$out));          # &key->data
 324         &lea    ($inp,&DWP(0,$inp,$idi));       # $inp to point at the end
 325         &neg    ($idi);
 326         &xor    ("eax","eax");
 327         &mov    (&DWP(-4,$out),$idi);           # borrow key->y
 328
 329         &bt     (&DWP(0,$idx),20);              # check for bit#20
 330         &jc     (&label("c1stloop"));
 331
 332 &set_label("w1stloop",16);
 333         &mov    (&DWP(0,$out,"eax",4),"eax");   # key->data[i]=i;
 334         &add    (&LB("eax"),1);                 # i++;
 335         &jnc    (&label("w1stloop"));
 336
 337         &xor    ($ido,$ido);
 338         &xor    ($idx,$idx);
 339
 340 &set_label("w2ndloop",16);
 341         &mov    ("eax",&DWP(0,$out,$ido,4));
 342         &add    (&LB($idx),&BP(0,$inp,$idi));
 343         &add    (&LB($idx),&LB("eax"));
 344         &add    ($idi,1);
 345         &mov    ("ebx",&DWP(0,$out,$idx,4));
 346         &jnz    (&label("wnowrap"));
 347           &mov  ($idi,&DWP(-4,$out));
 348         &set_label("wnowrap");
 349         &mov    (&DWP(0,$out,$idx,4),"eax");
 350         &mov    (&DWP(0,$out,$ido,4),"ebx");
 351         &add    (&LB($ido),1);
 352         &jnc    (&label("w2ndloop"));
 353 &jmp    (&label("exit"));
 354
 355 # Unlike all other x86 [and x86_64] implementations, Intel P4 core
 356 # [including EM64T] was found to perform poorly with above "32-bit" key
 357 # schedule, a.k.a. RC4_INT. Performance improvement for IA-32 hand-coded
 358 # assembler turned out to be 3.5x if re-coded for compressed 8-bit one,
 359 # a.k.a. RC4_CHAR! It's however inappropriate to just switch to 8-bit
 360 # schedule for x86[_64], because non-P4 implementations suffer from
 361 # significant performance losses then, e.g. PIII exhibits >2x
 362 # deterioration, and so does Opteron. In order to assure optimal
 363 # all-round performance, we detect P4 at run-time and set up compressed
 364 # key schedule, which is recognized by RC4 procedure.
 365
 366 &set_label("c1stloop",16);
 367         &mov    (&BP(0,$out,"eax"),&LB("eax")); # key->data[i]=i;
 368         &add    (&LB("eax"),1);                 # i++;
 369         &jnc    (&label("c1stloop"));
 370
 371         &xor    ($ido,$ido);
 372         &xor    ($idx,$idx);
 373         &xor    ("ebx","ebx");
 374
 375 &set_label("c2ndloop",16);
 376         &mov    (&LB("eax"),&BP(0,$out,$ido));
 377         &add    (&LB($idx),&BP(0,$inp,$idi));
 378         &add    (&LB($idx),&LB("eax"));
 379         &add    ($idi,1);
 380         &mov    (&LB("ebx"),&BP(0,$out,$idx));
 381         &jnz    (&label("cnowrap"));
 382           &mov  ($idi,&DWP(-4,$out));
 383         &set_label("cnowrap");
 384         &mov    (&BP(0,$out,$idx),&LB("eax"));
 385         &mov    (&BP(0,$out,$ido),&LB("ebx"));
 386         &add    (&LB($ido),1);
 387         &jnc    (&label("c2ndloop"));
 388
 389         &mov    (&DWP(256,$out),-1);            # mark schedule as compressed
 390
 391 &set_label("exit");
 392         &xor    ("eax","eax");
 393         &mov    (&DWP(-8,$out),"eax");          # key->x=0;
 394         &mov    (&DWP(-4,$out),"eax");          # key->y=0;
 395 &function_end("RC4_set_key");
 396
 397 # const char *RC4_options(void);
 398 &function_begin_B("RC4_options");
 399         &call   (&label("pic_point"));
 400 &set_label("pic_point");
 401         &blindpop("eax");
 402         &lea    ("eax",&DWP(&label("opts")."-".&label("pic_point"),"eax"));
 403         &picmeup("edx","OPENSSL_ia32cap_P");
 404         &mov    ("edx",&DWP(0,"edx"));
 405         &bt     ("edx",20);
 406         &jc     (&label("1xchar"));
 407         &bt     ("edx",26);
 408         &jnc    (&label("ret"));
 409         &add    ("eax",25);
 410         &ret    ();
 411 &set_label("1xchar");
 412         &add    ("eax",12);
 413 &set_label("ret");
 414         &ret    ();
 415 &set_label("opts",64);
 416 &asciz  ("rc4(4x,int)");
 417 &asciz  ("rc4(1x,char)");
 418 &asciz  ("rc4(8x,mmx)");
 419 &asciz  ("RC4 for x86, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>");
 420 &align  (64);
 421 &function_end_B("RC4_options");
 422
 423 &asm_finish();
 424
 425 close STDOUT;