crypto/bn/asm/armv4-gf2m.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 # May 2011
  11 #
  12 # The module implements bn_GF2m_mul_2x2 polynomial multiplication
  13 # used in bn_gf2m.c. It's kind of low-hanging mechanical port from
  14 # C for the time being... Except that it has two code paths: pure
  15 # integer code suitable for any ARMv4 and later CPU and NEON code
  16 # suitable for ARMv7. Pure integer 1x1 multiplication subroutine runs
  17 # in ~45 cycles on dual-issue core such as Cortex A8, which is ~50%
  18 # faster than compiler-generated code. For ECDH and ECDSA verify (but
  19 # not for ECDSA sign) it means 25%-45% improvement depending on key
  20 # length, more for longer keys. Even though NEON 1x1 multiplication
  21 # runs in even less cycles, ~30, improvement is measurable only on
  22 # longer keys. One has to optimize code elsewhere to get NEON glow...
  23 #
  24 # April 2014
  25 #
  26 # Double bn_GF2m_mul_2x2 performance by using algorithm from paper
  27 # referred below, which improves ECDH and ECDSA verify benchmarks
  28 # by 18-40%.
  29 #
  30 # Câmara, D.; Gouvêa, C. P. L.; López, J. & Dahab, R.: Fast Software
  31 # Polynomial Multiplication on ARM Processors using the NEON Engine.
  32 #
  33 # http://conradoplg.cryptoland.net/files/2010/12/mocrysen13.pdf
  34
  35 $flavour = shift;
  36 if ($flavour=~/^\w[\w\-]*\.\w+$/) { $output=$flavour; undef $flavour; }
  37 else { while (($output=shift) && ($output!~/^\w[\w\-]*\.\w+$/)) {} }
  38
  39 if ($flavour && $flavour ne "void") {
  40     $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  41     ( $xlate="${dir}arm-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  42     ( $xlate="${dir}../../perlasm/arm-xlate.pl" and -f $xlate) or
  43     die "can't locate arm-xlate.pl";
  44
  45     open STDOUT,"| \"$^X\" $xlate $flavour $output";
  46 } else {
  47     open STDOUT,">$output";
  48 }
  49
  50 $code=<<___;
  51 #include "arm_arch.h"
  52
  53 .text
  54 #if defined(__thumb2__) && !defined(__APPLE__)
  55 .syntax unified
  56 .thumb
  57 #else
  58 .code   32
  59 #endif
  60 ___
  61 ################
  62 # private interface to mul_1x1_ialu
  63 #
  64 $a="r1";
  65 $b="r0";
  66
  67 ($a0,$a1,$a2,$a12,$a4,$a14)=
  68 ($hi,$lo,$t0,$t1, $i0,$i1 )=map("r$_",(4..9),12);
  69
  70 $mask="r12";
  71
  72 $code.=<<___;
  73 .type   mul_1x1_ialu,%function
  74 .align  5
  75 mul_1x1_ialu:
  76         mov     $a0,#0
  77         bic     $a1,$a,#3<<30           @ a1=a&0x3fffffff
  78         str     $a0,[sp,#0]             @ tab[0]=0
  79         add     $a2,$a1,$a1             @ a2=a1<<1
  80         str     $a1,[sp,#4]             @ tab[1]=a1
  81         eor     $a12,$a1,$a2            @ a1^a2
  82         str     $a2,[sp,#8]             @ tab[2]=a2
  83         mov     $a4,$a1,lsl#2           @ a4=a1<<2
  84         str     $a12,[sp,#12]           @ tab[3]=a1^a2
  85         eor     $a14,$a1,$a4            @ a1^a4
  86         str     $a4,[sp,#16]            @ tab[4]=a4
  87         eor     $a0,$a2,$a4             @ a2^a4
  88         str     $a14,[sp,#20]           @ tab[5]=a1^a4
  89         eor     $a12,$a12,$a4           @ a1^a2^a4
  90         str     $a0,[sp,#24]            @ tab[6]=a2^a4
  91         and     $i0,$mask,$b,lsl#2
  92         str     $a12,[sp,#28]           @ tab[7]=a1^a2^a4
  93
  94         and     $i1,$mask,$b,lsr#1
  95         ldr     $lo,[sp,$i0]            @ tab[b       & 0x7]
  96         and     $i0,$mask,$b,lsr#4
  97         ldr     $t1,[sp,$i1]            @ tab[b >>  3 & 0x7]
  98         and     $i1,$mask,$b,lsr#7
  99         ldr     $t0,[sp,$i0]            @ tab[b >>  6 & 0x7]
 100         eor     $lo,$lo,$t1,lsl#3       @ stall
 101         mov     $hi,$t1,lsr#29
 102         ldr     $t1,[sp,$i1]            @ tab[b >>  9 & 0x7]
 103
 104         and     $i0,$mask,$b,lsr#10
 105         eor     $lo,$lo,$t0,lsl#6
 106         eor     $hi,$hi,$t0,lsr#26
 107         ldr     $t0,[sp,$i0]            @ tab[b >> 12 & 0x7]
 108
 109         and     $i1,$mask,$b,lsr#13
 110         eor     $lo,$lo,$t1,lsl#9
 111         eor     $hi,$hi,$t1,lsr#23
 112         ldr     $t1,[sp,$i1]            @ tab[b >> 15 & 0x7]
 113
 114         and     $i0,$mask,$b,lsr#16
 115         eor     $lo,$lo,$t0,lsl#12
 116         eor     $hi,$hi,$t0,lsr#20
 117         ldr     $t0,[sp,$i0]            @ tab[b >> 18 & 0x7]
 118
 119         and     $i1,$mask,$b,lsr#19
 120         eor     $lo,$lo,$t1,lsl#15
 121         eor     $hi,$hi,$t1,lsr#17
 122         ldr     $t1,[sp,$i1]            @ tab[b >> 21 & 0x7]
 123
 124         and     $i0,$mask,$b,lsr#22
 125         eor     $lo,$lo,$t0,lsl#18
 126         eor     $hi,$hi,$t0,lsr#14
 127         ldr     $t0,[sp,$i0]            @ tab[b >> 24 & 0x7]
 128
 129         and     $i1,$mask,$b,lsr#25
 130         eor     $lo,$lo,$t1,lsl#21
 131         eor     $hi,$hi,$t1,lsr#11
 132         ldr     $t1,[sp,$i1]            @ tab[b >> 27 & 0x7]
 133
 134         tst     $a,#1<<30
 135         and     $i0,$mask,$b,lsr#28
 136         eor     $lo,$lo,$t0,lsl#24
 137         eor     $hi,$hi,$t0,lsr#8
 138         ldr     $t0,[sp,$i0]            @ tab[b >> 30      ]
 139
 140 #ifdef  __thumb2__
 141         itt     ne
 142 #endif
 143         eorne   $lo,$lo,$b,lsl#30
 144         eorne   $hi,$hi,$b,lsr#2
 145         tst     $a,#1<<31
 146         eor     $lo,$lo,$t1,lsl#27
 147         eor     $hi,$hi,$t1,lsr#5
 148 #ifdef  __thumb2__
 149         itt     ne
 150 #endif
 151         eorne   $lo,$lo,$b,lsl#31
 152         eorne   $hi,$hi,$b,lsr#1
 153         eor     $lo,$lo,$t0,lsl#30
 154         eor     $hi,$hi,$t0,lsr#2
 155
 156         mov     pc,lr
 157 .size   mul_1x1_ialu,.-mul_1x1_ialu
 158 ___
 159 ################
 160 # void  bn_GF2m_mul_2x2(BN_ULONG *r,
 161 #       BN_ULONG a1,BN_ULONG a0,
 162 #       BN_ULONG b1,BN_ULONG b0);       # r[3..0]=a1a0·b1b0
 163 {
 164 $code.=<<___;
 165 .global bn_GF2m_mul_2x2
 166 .type   bn_GF2m_mul_2x2,%function
 167 .align  5
 168 bn_GF2m_mul_2x2:
 169 #if __ARM_MAX_ARCH__>=7
 170         stmdb   sp!,{r10,lr}
 171         ldr     r12,.LOPENSSL_armcap
 172         adr     r10,.LOPENSSL_armcap
 173         ldr     r12,[r12,r10]
 174 #ifdef  __APPLE__
 175         ldr     r12,[r12]
 176 #endif
 177         tst     r12,#ARMV7_NEON
 178         itt     ne
 179         ldrne   r10,[sp],#8
 180         bne     .LNEON
 181         stmdb   sp!,{r4-r9}
 182 #else
 183         stmdb   sp!,{r4-r10,lr}
 184 #endif
 185 ___
 186 $ret="r10";     # reassigned 1st argument
 187 $code.=<<___;
 188         mov     $ret,r0                 @ reassign 1st argument
 189         mov     $b,r3                   @ $b=b1
 190         sub     r7,sp,#36
 191         mov     r8,sp
 192         and     r7,r7,#-32
 193         ldr     r3,[sp,#32]             @ load b0
 194         mov     $mask,#7<<2
 195         mov     sp,r7                   @ allocate tab[8]
 196         str     r8,[r7,#32]
 197
 198         bl      mul_1x1_ialu            @ a1·b1
 199         str     $lo,[$ret,#8]
 200         str     $hi,[$ret,#12]
 201
 202         eor     $b,$b,r3                @ flip b0 and b1
 203          eor    $a,$a,r2                @ flip a0 and a1
 204         eor     r3,r3,$b
 205          eor    r2,r2,$a
 206         eor     $b,$b,r3
 207          eor    $a,$a,r2
 208         bl      mul_1x1_ialu            @ a0·b0
 209         str     $lo,[$ret]
 210         str     $hi,[$ret,#4]
 211
 212         eor     $a,$a,r2
 213         eor     $b,$b,r3
 214         bl      mul_1x1_ialu            @ (a1+a0)·(b1+b0)
 215 ___
 216 @r=map("r$_",(6..9));
 217 $code.=<<___;
 218         ldmia   $ret,{@r[0]-@r[3]}
 219         eor     $lo,$lo,$hi
 220         ldr     sp,[sp,#32]             @ destroy tab[8]
 221         eor     $hi,$hi,@r[1]
 222         eor     $lo,$lo,@r[0]
 223         eor     $hi,$hi,@r[2]
 224         eor     $lo,$lo,@r[3]
 225         eor     $hi,$hi,@r[3]
 226         str     $hi,[$ret,#8]
 227         eor     $lo,$lo,$hi
 228         str     $lo,[$ret,#4]
 229
 230 #if __ARM_ARCH__>=5
 231         ldmia   sp!,{r4-r10,pc}
 232 #else
 233         ldmia   sp!,{r4-r10,lr}
 234         tst     lr,#1
 235         moveq   pc,lr                   @ be binary compatible with V4, yet
 236         bx      lr                      @ interoperable with Thumb ISA:-)
 237 #endif
 238 ___
 239 }
 240 {
 241 my ($r,$t0,$t1,$t2,$t3)=map("q$_",(0..3,8..12));
 242 my ($a,$b,$k48,$k32,$k16)=map("d$_",(26..31));
 243
 244 $code.=<<___;
 245 #if __ARM_MAX_ARCH__>=7
 246 .arch   armv7-a
 247 .fpu    neon
 248
 249 .align  5
 250 .LNEON:
 251         ldr             r12, [sp]               @ 5th argument
 252         vmov            $a, r2, r1
 253         vmov            $b, r12, r3
 254         vmov.i64        $k48, #0x0000ffffffffffff
 255         vmov.i64        $k32, #0x00000000ffffffff
 256         vmov.i64        $k16, #0x000000000000ffff
 257
 258         vext.8          $t0#lo, $a, $a, #1      @ A1
 259         vmull.p8        $t0, $t0#lo, $b         @ F = A1*B
 260         vext.8          $r#lo, $b, $b, #1       @ B1
 261         vmull.p8        $r, $a, $r#lo           @ E = A*B1
 262         vext.8          $t1#lo, $a, $a, #2      @ A2
 263         vmull.p8        $t1, $t1#lo, $b         @ H = A2*B
 264         vext.8          $t3#lo, $b, $b, #2      @ B2
 265         vmull.p8        $t3, $a, $t3#lo         @ G = A*B2
 266         vext.8          $t2#lo, $a, $a, #3      @ A3
 267         veor            $t0, $t0, $r            @ L = E + F
 268         vmull.p8        $t2, $t2#lo, $b         @ J = A3*B
 269         vext.8          $r#lo, $b, $b, #3       @ B3
 270         veor            $t1, $t1, $t3           @ M = G + H
 271         vmull.p8        $r, $a, $r#lo           @ I = A*B3
 272         veor            $t0#lo, $t0#lo, $t0#hi  @ t0 = (L) (P0 + P1) << 8
 273         vand            $t0#hi, $t0#hi, $k48
 274         vext.8          $t3#lo, $b, $b, #4      @ B4
 275         veor            $t1#lo, $t1#lo, $t1#hi  @ t1 = (M) (P2 + P3) << 16
 276         vand            $t1#hi, $t1#hi, $k32
 277         vmull.p8        $t3, $a, $t3#lo         @ K = A*B4
 278         veor            $t2, $t2, $r            @ N = I + J
 279         veor            $t0#lo, $t0#lo, $t0#hi
 280         veor            $t1#lo, $t1#lo, $t1#hi
 281         veor            $t2#lo, $t2#lo, $t2#hi  @ t2 = (N) (P4 + P5) << 24
 282         vand            $t2#hi, $t2#hi, $k16
 283         vext.8          $t0, $t0, $t0, #15
 284         veor            $t3#lo, $t3#lo, $t3#hi  @ t3 = (K) (P6 + P7) << 32
 285         vmov.i64        $t3#hi, #0
 286         vext.8          $t1, $t1, $t1, #14
 287         veor            $t2#lo, $t2#lo, $t2#hi
 288         vmull.p8        $r, $a, $b              @ D = A*B
 289         vext.8          $t3, $t3, $t3, #12
 290         vext.8          $t2, $t2, $t2, #13
 291         veor            $t0, $t0, $t1
 292         veor            $t2, $t2, $t3
 293         veor            $r, $r, $t0
 294         veor            $r, $r, $t2
 295
 296         vst1.32         {$r}, [r0]
 297         ret             @ bx lr
 298 #endif
 299 ___
 300 }
 301 $code.=<<___;
 302 .size   bn_GF2m_mul_2x2,.-bn_GF2m_mul_2x2
 303 #if __ARM_MAX_ARCH__>=7
 304 .align  5
 305 .LOPENSSL_armcap:
 306 .word   OPENSSL_armcap_P-.
 307 #endif
 308 .asciz  "GF(2^m) Multiplication for ARMv4/NEON, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
 309 .align  5
 310
 311 #if __ARM_MAX_ARCH__>=7
 312 .comm   OPENSSL_armcap_P,4,4
 313 #endif
 314 ___
 315
 316 foreach (split("\n",$code)) {
 317         s/\`([^\`]*)\`/eval $1/geo;
 318
 319         s/\bq([0-9]+)#(lo|hi)/sprintf "d%d",2*$1+($2 eq "hi")/geo       or
 320         s/\bret\b/bx    lr/go           or
 321         s/\bbx\s+lr\b/.word\t0xe12fff1e/go;    # make it possible to compile with -march=armv4
 322
 323         print $_,"\n";
 324 }
 325 close STDOUT;   # enforce flush