677be5fe25badfe44a315855a827c65d71543e72
[openssl.git] / 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 ยต-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 .text
86
87 .globl  RC4
88 .type   RC4,\@function,4
89 .align  16
90 RC4:    or      $len,$len
91         jne     .Lentry
92         ret
93 .Lentry:
94         push    %rbx
95         push    %r12
96         push    %r13
97 .Lprologue:
98
99         add     \$8,$dat
100         movl    -8($dat),$XX[0]#d
101         movl    -4($dat),$YY#d
102         cmpl    \$-1,256($dat)
103         je      .LRC4_CHAR
104         inc     $XX[0]#b
105         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
106         test    \$-8,$len
107         jz      .Lloop1
108         jmp     .Lloop8
109 .align  16
110 .Lloop8:
111 ___
112 for ($i=0;$i<8;$i++) {
113 $code.=<<___;
114         add     $TX[0]#b,$YY#b
115         mov     $XX[0],$XX[1]
116         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
117         ror     \$8,%rax                        # ror is redundant when $i=0
118         inc     $XX[1]#b
119         movl    ($dat,$XX[1],4),$TX[1]#d
120         cmp     $XX[1],$YY
121         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
122         cmove   $TX[0],$TX[1]
123         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
124         add     $TX[0]#b,$TY#b
125         movb    ($dat,$TY,4),%al
126 ___
127 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
128 }
129 $code.=<<___;
130         ror     \$8,%rax
131         sub     \$8,$len
132
133         xor     ($inp),%rax
134         add     \$8,$inp
135         mov     %rax,($out)
136         add     \$8,$out
137
138         test    \$-8,$len
139         jnz     .Lloop8
140         cmp     \$0,$len
141         jne     .Lloop1
142         jmp     .Lexit
143
144 .align  16
145 .Lloop1:
146         add     $TX[0]#b,$YY#b
147         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
148         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
149         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
150         add     $TY#b,$TX[0]#b
151         inc     $XX[0]#b
152         movl    ($dat,$TX[0],4),$TY#d
153         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
154         xorb    ($inp),$TY#b
155         inc     $inp
156         movb    $TY#b,($out)
157         inc     $out
158         dec     $len
159         jnz     .Lloop1
160         jmp     .Lexit
161
162 .align  16
163 .LRC4_CHAR:
164         add     \$1,$XX[0]#b
165         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
166         test    \$-8,$len
167         jz      .Lcloop1
168         cmpl    \$0,260($dat)
169         jnz     .Lcloop1
170         jmp     .Lcloop8
171 .align  16
172 .Lcloop8:
173         mov     ($inp),%eax
174         mov     4($inp),%ebx
175 ___
176 # unroll 2x4-wise, because 64-bit rotates kill Intel P4...
177 for ($i=0;$i<4;$i++) {
178 $code.=<<___;
179         add     $TX[0]#b,$YY#b
180         lea     1($XX[0]),$XX[1]
181         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
182         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
183         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
184         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
185         cmp     $XX[1],$YY
186         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
187         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
188         mov     $TX[0],$TX[1]
189 .Lcmov$i:
190         add     $TX[0]#b,$TY#b
191         xor     ($dat,$TY),%al
192         ror     \$8,%eax
193 ___
194 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
195 }
196 for ($i=4;$i<8;$i++) {
197 $code.=<<___;
198         add     $TX[0]#b,$YY#b
199         lea     1($XX[0]),$XX[1]
200         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
201         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
202         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
203         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
204         cmp     $XX[1],$YY
205         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
206         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
207         mov     $TX[0],$TX[1]
208 .Lcmov$i:
209         add     $TX[0]#b,$TY#b
210         xor     ($dat,$TY),%bl
211         ror     \$8,%ebx
212 ___
213 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
214 }
215 $code.=<<___;
216         lea     -8($len),$len
217         mov     %eax,($out)
218         lea     8($inp),$inp
219         mov     %ebx,4($out)
220         lea     8($out),$out
221
222         test    \$-8,$len
223         jnz     .Lcloop8
224         cmp     \$0,$len
225         jne     .Lcloop1
226         jmp     .Lexit
227 ___
228 $code.=<<___;
229 .align  16
230 .Lcloop1:
231         add     $TX[0]#b,$YY#b
232         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
233         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
234         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
235         add     $TX[0]#b,$TY#b
236         add     \$1,$XX[0]#b
237         movzb   $TY#b,$TY#d
238         movzb   $XX[0]#b,$XX[0]#d
239         movzb   ($dat,$TY),$TY#d
240         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
241         xorb    ($inp),$TY#b
242         lea     1($inp),$inp
243         movb    $TY#b,($out)
244         lea     1($out),$out
245         sub     \$1,$len
246         jnz     .Lcloop1
247         jmp     .Lexit
248
249 .align  16
250 .Lexit:
251         sub     \$1,$XX[0]#b
252         movl    $XX[0]#d,-8($dat)
253         movl    $YY#d,-4($dat)
254
255         mov     (%rsp),%r13
256         mov     8(%rsp),%r12
257         mov     16(%rsp),%rbx
258         add     \$24,%rsp
259 .Lepilogue:
260         ret
261 .size   RC4,.-RC4
262 ___
263
264 $idx="%r8";
265 $ido="%r9";
266
267 $code.=<<___;
268 .extern OPENSSL_ia32cap_P
269 .globl  RC4_set_key
270 .type   RC4_set_key,\@function,3
271 .align  16
272 RC4_set_key:
273         lea     8($dat),$dat
274         lea     ($inp,$len),$inp
275         neg     $len
276         mov     $len,%rcx
277         xor     %eax,%eax
278         xor     $ido,$ido
279         xor     %r10,%r10
280         xor     %r11,%r11
281
282         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),$idx#d
283         bt      \$20,$idx#d
284         jnc     .Lw1stloop
285         bt      \$30,$idx#d
286         setc    $ido#b
287         mov     $ido#d,260($dat)
288         jmp     .Lc1stloop
289
290 .align  16
291 .Lw1stloop:
292         mov     %eax,($dat,%rax,4)
293         add     \$1,%al
294         jnc     .Lw1stloop
295
296         xor     $ido,$ido
297         xor     $idx,$idx
298 .align  16
299 .Lw2ndloop:
300         mov     ($dat,$ido,4),%r10d
301         add     ($inp,$len,1),$idx#b
302         add     %r10b,$idx#b
303         add     \$1,$len
304         mov     ($dat,$idx,4),%r11d
305         cmovz   %rcx,$len
306         mov     %r10d,($dat,$idx,4)
307         mov     %r11d,($dat,$ido,4)
308         add     \$1,$ido#b
309         jnc     .Lw2ndloop
310         jmp     .Lexit_key
311
312 .align  16
313 .Lc1stloop:
314         mov     %al,($dat,%rax)
315         add     \$1,%al
316         jnc     .Lc1stloop
317
318         xor     $ido,$ido
319         xor     $idx,$idx
320 .align  16
321 .Lc2ndloop:
322         mov     ($dat,$ido),%r10b
323         add     ($inp,$len),$idx#b
324         add     %r10b,$idx#b
325         add     \$1,$len
326         mov     ($dat,$idx),%r11b
327         jnz     .Lcnowrap
328         mov     %rcx,$len
329 .Lcnowrap:
330         mov     %r10b,($dat,$idx)
331         mov     %r11b,($dat,$ido)
332         add     \$1,$ido#b
333         jnc     .Lc2ndloop
334         movl    \$-1,256($dat)
335
336 .align  16
337 .Lexit_key:
338         xor     %eax,%eax
339         mov     %eax,-8($dat)
340         mov     %eax,-4($dat)
341         ret
342 .size   RC4_set_key,.-RC4_set_key
343
344 .globl  RC4_options
345 .type   RC4_options,\@abi-omnipotent
346 .align  16
347 RC4_options:
348         lea     .Lopts(%rip),%rax
349         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),%edx
350         bt      \$20,%edx
351         jnc     .Ldone
352         add     \$12,%rax
353         bt      \$30,%edx
354         jnc     .Ldone
355         add     \$13,%rax
356 .Ldone:
357         ret
358 .align  64
359 .Lopts:
360 .asciz  "rc4(8x,int)"
361 .asciz  "rc4(8x,char)"
362 .asciz  "rc4(1x,char)"
363 .asciz  "RC4 for x86_64, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
364 .align  64
365 .size   RC4_options,.-RC4_options
366 ___
367
368 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
369 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
370 if ($win64) {
371 $rec="%rcx";
372 $frame="%rdx";
373 $context="%r8";
374 $disp="%r9";
375
376 $code.=<<___;
377 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
378 .type   stream_se_handler,\@abi-omnipotent
379 .align  16
380 stream_se_handler:
381         push    %rsi
382         push    %rdi
383         push    %rbx
384         push    %rbp
385         push    %r12
386         push    %r13
387         push    %r14
388         push    %r15
389         pushfq
390         sub     \$64,%rsp
391
392         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
393         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
394
395         lea     .Lprologue(%rip),%r10
396         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<prologue label
397         jb      .Lin_prologue
398
399         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
400
401         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
402         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=epilogue label
403         jae     .Lin_prologue
404
405         lea     24(%rax),%rax
406
407         mov     -8(%rax),%rbx
408         mov     -16(%rax),%r12
409         mov     -24(%rax),%r13
410         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
411         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
412         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
413
414 .Lin_prologue:
415         mov     8(%rax),%rdi
416         mov     16(%rax),%rsi
417         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
418         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
419         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
420
421         jmp     .Lcommon_seh_exit
422 .size   stream_se_handler,.-stream_se_handler
423
424 .type   key_se_handler,\@abi-omnipotent
425 .align  16
426 key_se_handler:
427         push    %rsi
428         push    %rdi
429         push    %rbx
430         push    %rbp
431         push    %r12
432         push    %r13
433         push    %r14
434         push    %r15
435         pushfq
436         sub     \$64,%rsp
437
438         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
439         mov     8(%rax),%rdi
440         mov     16(%rax),%rsi
441         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
442         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
443
444 .Lcommon_seh_exit:
445
446         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
447         mov     $context,%rsi           # context
448         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
449         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
450
451         mov     $disp,%rsi
452         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
453         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
454         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
455         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
456         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
457         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
458         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
459         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
460         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
461         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
462         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
463         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
464
465         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
466         add     \$64,%rsp
467         popfq
468         pop     %r15
469         pop     %r14
470         pop     %r13
471         pop     %r12
472         pop     %rbp
473         pop     %rbx
474         pop     %rdi
475         pop     %rsi
476         ret
477 .size   key_se_handler,.-key_se_handler
478
479 .section        .pdata
480 .align  4
481         .rva    .LSEH_begin_RC4
482         .rva    .LSEH_end_RC4
483         .rva    .LSEH_info_RC4
484
485         .rva    .LSEH_begin_RC4_set_key
486         .rva    .LSEH_end_RC4_set_key
487         .rva    .LSEH_info_RC4_set_key
488
489 .section        .xdata
490 .align  8
491 .LSEH_info_RC4:
492         .byte   9,0,0,0
493         .rva    stream_se_handler
494 .LSEH_info_RC4_set_key:
495         .byte   9,0,0,0
496         .rva    key_se_handler
497 ___
498 }
499
500 $code =~ s/#([bwd])/$1/gm;
501
502 print $code;
503
504 close STDOUT;