ea63c10f49f11bbce2c39e86b2efe0798717d70b
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistp256.c
1 /* crypto/ec/ecp_nistp256.c */
2 /*
3  * Written by Adam Langley (Google) for the OpenSSL project
4  */
5 /* Copyright 2011 Google Inc.
6  *
7  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
8  *
9  * you may not use this file except in compliance with the License.
10  * You may obtain a copy of the License at
11  *
12  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
13  *
14  *  Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
15  *  distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
16  *  WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
17  *  See the License for the specific language governing permissions and
18  *  limitations under the License.
19  */
20
21 /*
22  * A 64-bit implementation of the NIST P-256 elliptic curve point multiplication
23  *
24  * OpenSSL integration was taken from Emilia Kasper's work in ecp_nistp224.c.
25  * Otherwise based on Emilia's P224 work, which was inspired by my curve25519
26  * work which got its smarts from Daniel J. Bernstein's work on the same.
27  */
28
29 #include <openssl/opensslconf.h>
30 #ifndef OPENSSL_NO_EC_NISTP_64_GCC_128
31
32 # ifndef OPENSSL_SYS_VMS
33 #  include <stdint.h>
34 # else
35 #  include <inttypes.h>
36 # endif
37
38 # include <string.h>
39 # include <openssl/err.h>
40 # include "ec_lcl.h"
41
42 # if defined(__GNUC__) && (__GNUC__ > 3 || (__GNUC__ == 3 && __GNUC_MINOR__ >= 1))
43   /* even with gcc, the typedef won't work for 32-bit platforms */
44 typedef __uint128_t uint128_t;  /* nonstandard; implemented by gcc on 64-bit
45                                  * platforms */
46 typedef __int128_t int128_t;
47 # else
48 #  error "Need GCC 3.1 or later to define type uint128_t"
49 # endif
50
51 typedef uint8_t u8;
52 typedef uint32_t u32;
53 typedef uint64_t u64;
54 typedef int64_t s64;
55
56 /*
57  * The underlying field. P256 operates over GF(2^256-2^224+2^192+2^96-1). We
58  * can serialise an element of this field into 32 bytes. We call this an
59  * felem_bytearray.
60  */
61
62 typedef u8 felem_bytearray[32];
63
64 /*
65  * These are the parameters of P256, taken from FIPS 186-3, page 86. These
66  * values are big-endian.
67  */
68 static const felem_bytearray nistp256_curve_params[5] = {
69     {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, /* p */
70      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
71      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
72      0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff},
73     {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, /* a = -3 */
74      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
75      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
76      0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc}, /* b */
77     {0x5a, 0xc6, 0x35, 0xd8, 0xaa, 0x3a, 0x93, 0xe7,
78      0xb3, 0xeb, 0xbd, 0x55, 0x76, 0x98, 0x86, 0xbc,
79      0x65, 0x1d, 0x06, 0xb0, 0xcc, 0x53, 0xb0, 0xf6,
80      0x3b, 0xce, 0x3c, 0x3e, 0x27, 0xd2, 0x60, 0x4b},
81     {0x6b, 0x17, 0xd1, 0xf2, 0xe1, 0x2c, 0x42, 0x47, /* x */
82      0xf8, 0xbc, 0xe6, 0xe5, 0x63, 0xa4, 0x40, 0xf2,
83      0x77, 0x03, 0x7d, 0x81, 0x2d, 0xeb, 0x33, 0xa0,
84      0xf4, 0xa1, 0x39, 0x45, 0xd8, 0x98, 0xc2, 0x96},
85     {0x4f, 0xe3, 0x42, 0xe2, 0xfe, 0x1a, 0x7f, 0x9b, /* y */
86      0x8e, 0xe7, 0xeb, 0x4a, 0x7c, 0x0f, 0x9e, 0x16,
87      0x2b, 0xce, 0x33, 0x57, 0x6b, 0x31, 0x5e, 0xce,
88      0xcb, 0xb6, 0x40, 0x68, 0x37, 0xbf, 0x51, 0xf5}
89 };
90
91 /*-
92  * The representation of field elements.
93  * ------------------------------------
94  *
95  * We represent field elements with either four 128-bit values, eight 128-bit
96  * values, or four 64-bit values. The field element represented is:
97  *   v[0]*2^0 + v[1]*2^64 + v[2]*2^128 + v[3]*2^192  (mod p)
98  * or:
99  *   v[0]*2^0 + v[1]*2^64 + v[2]*2^128 + ... + v[8]*2^512  (mod p)
100  *
101  * 128-bit values are called 'limbs'. Since the limbs are spaced only 64 bits
102  * apart, but are 128-bits wide, the most significant bits of each limb overlap
103  * with the least significant bits of the next.
104  *
105  * A field element with four limbs is an 'felem'. One with eight limbs is a
106  * 'longfelem'
107  *
108  * A field element with four, 64-bit values is called a 'smallfelem'. Small
109  * values are used as intermediate values before multiplication.
110  */
111
112 # define NLIMBS 4
113
114 typedef uint128_t limb;
115 typedef limb felem[NLIMBS];
116 typedef limb longfelem[NLIMBS * 2];
117 typedef u64 smallfelem[NLIMBS];
118
119 /* This is the value of the prime as four 64-bit words, little-endian. */
120 static const u64 kPrime[4] =
121     { 0xfffffffffffffffful, 0xffffffff, 0, 0xffffffff00000001ul };
122 static const u64 bottom63bits = 0x7ffffffffffffffful;
123
124 /*
125  * bin32_to_felem takes a little-endian byte array and converts it into felem
126  * form. This assumes that the CPU is little-endian.
127  */
128 static void bin32_to_felem(felem out, const u8 in[32])
129 {
130     out[0] = *((u64 *)&in[0]);
131     out[1] = *((u64 *)&in[8]);
132     out[2] = *((u64 *)&in[16]);
133     out[3] = *((u64 *)&in[24]);
134 }
135
136 /*
137  * smallfelem_to_bin32 takes a smallfelem and serialises into a little
138  * endian, 32 byte array. This assumes that the CPU is little-endian.
139  */
140 static void smallfelem_to_bin32(u8 out[32], const smallfelem in)
141 {
142     *((u64 *)&out[0]) = in[0];
143     *((u64 *)&out[8]) = in[1];
144     *((u64 *)&out[16]) = in[2];
145     *((u64 *)&out[24]) = in[3];
146 }
147
148 /* To preserve endianness when using BN_bn2bin and BN_bin2bn */
149 static void flip_endian(u8 *out, const u8 *in, unsigned len)
150 {
151     unsigned i;
152     for (i = 0; i < len; ++i)
153         out[i] = in[len - 1 - i];
154 }
155
156 /* BN_to_felem converts an OpenSSL BIGNUM into an felem */
157 static int BN_to_felem(felem out, const BIGNUM *bn)
158 {
159     felem_bytearray b_in;
160     felem_bytearray b_out;
161     unsigned num_bytes;
162
163     /* BN_bn2bin eats leading zeroes */
164     memset(b_out, 0, sizeof b_out);
165     num_bytes = BN_num_bytes(bn);
166     if (num_bytes > sizeof b_out) {
167         ECerr(EC_F_BN_TO_FELEM, EC_R_BIGNUM_OUT_OF_RANGE);
168         return 0;
169     }
170     if (BN_is_negative(bn)) {
171         ECerr(EC_F_BN_TO_FELEM, EC_R_BIGNUM_OUT_OF_RANGE);
172         return 0;
173     }
174     num_bytes = BN_bn2bin(bn, b_in);
175     flip_endian(b_out, b_in, num_bytes);
176     bin32_to_felem(out, b_out);
177     return 1;
178 }
179
180 /* felem_to_BN converts an felem into an OpenSSL BIGNUM */
181 static BIGNUM *smallfelem_to_BN(BIGNUM *out, const smallfelem in)
182 {
183     felem_bytearray b_in, b_out;
184     smallfelem_to_bin32(b_in, in);
185     flip_endian(b_out, b_in, sizeof b_out);
186     return BN_bin2bn(b_out, sizeof b_out, out);
187 }
188
189 /*-
190  * Field operations
191  * ----------------
192  */
193
194 static void smallfelem_one(smallfelem out)
195 {
196     out[0] = 1;
197     out[1] = 0;
198     out[2] = 0;
199     out[3] = 0;
200 }
201
202 static void smallfelem_assign(smallfelem out, const smallfelem in)
203 {
204     out[0] = in[0];
205     out[1] = in[1];
206     out[2] = in[2];
207     out[3] = in[3];
208 }
209
210 static void felem_assign(felem out, const felem in)
211 {
212     out[0] = in[0];
213     out[1] = in[1];
214     out[2] = in[2];
215     out[3] = in[3];
216 }
217
218 /* felem_sum sets out = out + in. */
219 static void felem_sum(felem out, const felem in)
220 {
221     out[0] += in[0];
222     out[1] += in[1];
223     out[2] += in[2];
224     out[3] += in[3];
225 }
226
227 /* felem_small_sum sets out = out + in. */
228 static void felem_small_sum(felem out, const smallfelem in)
229 {
230     out[0] += in[0];
231     out[1] += in[1];
232     out[2] += in[2];
233     out[3] += in[3];
234 }
235
236 /* felem_scalar sets out = out * scalar */
237 static void felem_scalar(felem out, const u64 scalar)
238 {
239     out[0] *= scalar;
240     out[1] *= scalar;
241     out[2] *= scalar;
242     out[3] *= scalar;
243 }
244
245 /* longfelem_scalar sets out = out * scalar */
246 static void longfelem_scalar(longfelem out, const u64 scalar)
247 {
248     out[0] *= scalar;
249     out[1] *= scalar;
250     out[2] *= scalar;
251     out[3] *= scalar;
252     out[4] *= scalar;
253     out[5] *= scalar;
254     out[6] *= scalar;
255     out[7] *= scalar;
256 }
257
258 # define two105m41m9 (((limb)1) << 105) - (((limb)1) << 41) - (((limb)1) << 9)
259 # define two105 (((limb)1) << 105)
260 # define two105m41p9 (((limb)1) << 105) - (((limb)1) << 41) + (((limb)1) << 9)
261
262 /* zero105 is 0 mod p */
263 static const felem zero105 =
264     { two105m41m9, two105, two105m41p9, two105m41p9 };
265
266 /*-
267  * smallfelem_neg sets |out| to |-small|
268  * On exit:
269  *   out[i] < out[i] + 2^105
270  */
271 static void smallfelem_neg(felem out, const smallfelem small)
272 {
273     /* In order to prevent underflow, we subtract from 0 mod p. */
274     out[0] = zero105[0] - small[0];
275     out[1] = zero105[1] - small[1];
276     out[2] = zero105[2] - small[2];
277     out[3] = zero105[3] - small[3];
278 }
279
280 /*-
281  * felem_diff subtracts |in| from |out|
282  * On entry:
283  *   in[i] < 2^104
284  * On exit:
285  *   out[i] < out[i] + 2^105
286  */
287 static void felem_diff(felem out, const felem in)
288 {
289     /*
290      * In order to prevent underflow, we add 0 mod p before subtracting.
291      */
292     out[0] += zero105[0];
293     out[1] += zero105[1];
294     out[2] += zero105[2];
295     out[3] += zero105[3];
296
297     out[0] -= in[0];
298     out[1] -= in[1];
299     out[2] -= in[2];
300     out[3] -= in[3];
301 }
302
303 # define two107m43m11 (((limb)1) << 107) - (((limb)1) << 43) - (((limb)1) << 11)
304 # define two107 (((limb)1) << 107)
305 # define two107m43p11 (((limb)1) << 107) - (((limb)1) << 43) + (((limb)1) << 11)
306
307 /* zero107 is 0 mod p */
308 static const felem zero107 =
309     { two107m43m11, two107, two107m43p11, two107m43p11 };
310
311 /*-
312  * An alternative felem_diff for larger inputs |in|
313  * felem_diff_zero107 subtracts |in| from |out|
314  * On entry:
315  *   in[i] < 2^106
316  * On exit:
317  *   out[i] < out[i] + 2^107
318  */
319 static void felem_diff_zero107(felem out, const felem in)
320 {
321     /*
322      * In order to prevent underflow, we add 0 mod p before subtracting.
323      */
324     out[0] += zero107[0];
325     out[1] += zero107[1];
326     out[2] += zero107[2];
327     out[3] += zero107[3];
328
329     out[0] -= in[0];
330     out[1] -= in[1];
331     out[2] -= in[2];
332     out[3] -= in[3];
333 }
334
335 /*-
336  * longfelem_diff subtracts |in| from |out|
337  * On entry:
338  *   in[i] < 7*2^67
339  * On exit:
340  *   out[i] < out[i] + 2^70 + 2^40
341  */
342 static void longfelem_diff(longfelem out, const longfelem in)
343 {
344     static const limb two70m8p6 =
345         (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 8) + (((limb) 1) << 6);
346     static const limb two70p40 = (((limb) 1) << 70) + (((limb) 1) << 40);
347     static const limb two70 = (((limb) 1) << 70);
348     static const limb two70m40m38p6 =
349         (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 40) - (((limb) 1) << 38) +
350         (((limb) 1) << 6);
351     static const limb two70m6 = (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 6);
352
353     /* add 0 mod p to avoid underflow */
354     out[0] += two70m8p6;
355     out[1] += two70p40;
356     out[2] += two70;
357     out[3] += two70m40m38p6;
358     out[4] += two70m6;
359     out[5] += two70m6;
360     out[6] += two70m6;
361     out[7] += two70m6;
362
363     /* in[i] < 7*2^67 < 2^70 - 2^40 - 2^38 + 2^6 */
364     out[0] -= in[0];
365     out[1] -= in[1];
366     out[2] -= in[2];
367     out[3] -= in[3];
368     out[4] -= in[4];
369     out[5] -= in[5];
370     out[6] -= in[6];
371     out[7] -= in[7];
372 }
373
374 # define two64m0 (((limb)1) << 64) - 1
375 # define two110p32m0 (((limb)1) << 110) + (((limb)1) << 32) - 1
376 # define two64m46 (((limb)1) << 64) - (((limb)1) << 46)
377 # define two64m32 (((limb)1) << 64) - (((limb)1) << 32)
378
379 /* zero110 is 0 mod p */
380 static const felem zero110 = { two64m0, two110p32m0, two64m46, two64m32 };
381
382 /*-
383  * felem_shrink converts an felem into a smallfelem. The result isn't quite
384  * minimal as the value may be greater than p.
385  *
386  * On entry:
387  *   in[i] < 2^109
388  * On exit:
389  *   out[i] < 2^64
390  */
391 static void felem_shrink(smallfelem out, const felem in)
392 {
393     felem tmp;
394     u64 a, b, mask;
395     s64 high, low;
396     static const u64 kPrime3Test = 0x7fffffff00000001ul; /* 2^63 - 2^32 + 1 */
397
398     /* Carry 2->3 */
399     tmp[3] = zero110[3] + in[3] + ((u64)(in[2] >> 64));
400     /* tmp[3] < 2^110 */
401
402     tmp[2] = zero110[2] + (u64)in[2];
403     tmp[0] = zero110[0] + in[0];
404     tmp[1] = zero110[1] + in[1];
405     /* tmp[0] < 2**110, tmp[1] < 2^111, tmp[2] < 2**65 */
406
407     /*
408      * We perform two partial reductions where we eliminate the high-word of
409      * tmp[3]. We don't update the other words till the end.
410      */
411     a = tmp[3] >> 64;           /* a < 2^46 */
412     tmp[3] = (u64)tmp[3];
413     tmp[3] -= a;
414     tmp[3] += ((limb) a) << 32;
415     /* tmp[3] < 2^79 */
416
417     b = a;
418     a = tmp[3] >> 64;           /* a < 2^15 */
419     b += a;                     /* b < 2^46 + 2^15 < 2^47 */
420     tmp[3] = (u64)tmp[3];
421     tmp[3] -= a;
422     tmp[3] += ((limb) a) << 32;
423     /* tmp[3] < 2^64 + 2^47 */
424
425     /*
426      * This adjusts the other two words to complete the two partial
427      * reductions.
428      */
429     tmp[0] += b;
430     tmp[1] -= (((limb) b) << 32);
431
432     /*
433      * In order to make space in tmp[3] for the carry from 2 -> 3, we
434      * conditionally subtract kPrime if tmp[3] is large enough.
435      */
436     high = tmp[3] >> 64;
437     /* As tmp[3] < 2^65, high is either 1 or 0 */
438     high <<= 63;
439     high >>= 63;
440         /*-
441          * high is:
442          *   all ones   if the high word of tmp[3] is 1
443          *   all zeros  if the high word of tmp[3] if 0 */
444     low = tmp[3];
445     mask = low >> 63;
446         /*-
447          * mask is:
448          *   all ones   if the MSB of low is 1
449          *   all zeros  if the MSB of low if 0 */
450     low &= bottom63bits;
451     low -= kPrime3Test;
452     /* if low was greater than kPrime3Test then the MSB is zero */
453     low = ~low;
454     low >>= 63;
455         /*-
456          * low is:
457          *   all ones   if low was > kPrime3Test
458          *   all zeros  if low was <= kPrime3Test */
459     mask = (mask & low) | high;
460     tmp[0] -= mask & kPrime[0];
461     tmp[1] -= mask & kPrime[1];
462     /* kPrime[2] is zero, so omitted */
463     tmp[3] -= mask & kPrime[3];
464     /* tmp[3] < 2**64 - 2**32 + 1 */
465
466     tmp[1] += ((u64)(tmp[0] >> 64));
467     tmp[0] = (u64)tmp[0];
468     tmp[2] += ((u64)(tmp[1] >> 64));
469     tmp[1] = (u64)tmp[1];
470     tmp[3] += ((u64)(tmp[2] >> 64));
471     tmp[2] = (u64)tmp[2];
472     /* tmp[i] < 2^64 */
473
474     out[0] = tmp[0];
475     out[1] = tmp[1];
476     out[2] = tmp[2];
477     out[3] = tmp[3];
478 }
479
480 /* smallfelem_expand converts a smallfelem to an felem */
481 static void smallfelem_expand(felem out, const smallfelem in)
482 {
483     out[0] = in[0];
484     out[1] = in[1];
485     out[2] = in[2];
486     out[3] = in[3];
487 }
488
489 /*-
490  * smallfelem_square sets |out| = |small|^2
491  * On entry:
492  *   small[i] < 2^64
493  * On exit:
494  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
495  */
496 static void smallfelem_square(longfelem out, const smallfelem small)
497 {
498     limb a;
499     u64 high, low;
500
501     a = ((uint128_t) small[0]) * small[0];
502     low = a;
503     high = a >> 64;
504     out[0] = low;
505     out[1] = high;
506
507     a = ((uint128_t) small[0]) * small[1];
508     low = a;
509     high = a >> 64;
510     out[1] += low;
511     out[1] += low;
512     out[2] = high;
513
514     a = ((uint128_t) small[0]) * small[2];
515     low = a;
516     high = a >> 64;
517     out[2] += low;
518     out[2] *= 2;
519     out[3] = high;
520
521     a = ((uint128_t) small[0]) * small[3];
522     low = a;
523     high = a >> 64;
524     out[3] += low;
525     out[4] = high;
526
527     a = ((uint128_t) small[1]) * small[2];
528     low = a;
529     high = a >> 64;
530     out[3] += low;
531     out[3] *= 2;
532     out[4] += high;
533
534     a = ((uint128_t) small[1]) * small[1];
535     low = a;
536     high = a >> 64;
537     out[2] += low;
538     out[3] += high;
539
540     a = ((uint128_t) small[1]) * small[3];
541     low = a;
542     high = a >> 64;
543     out[4] += low;
544     out[4] *= 2;
545     out[5] = high;
546
547     a = ((uint128_t) small[2]) * small[3];
548     low = a;
549     high = a >> 64;
550     out[5] += low;
551     out[5] *= 2;
552     out[6] = high;
553     out[6] += high;
554
555     a = ((uint128_t) small[2]) * small[2];
556     low = a;
557     high = a >> 64;
558     out[4] += low;
559     out[5] += high;
560
561     a = ((uint128_t) small[3]) * small[3];
562     low = a;
563     high = a >> 64;
564     out[6] += low;
565     out[7] = high;
566 }
567
568 /*-
569  * felem_square sets |out| = |in|^2
570  * On entry:
571  *   in[i] < 2^109
572  * On exit:
573  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
574  */
575 static void felem_square(longfelem out, const felem in)
576 {
577     u64 small[4];
578     felem_shrink(small, in);
579     smallfelem_square(out, small);
580 }
581
582 /*-
583  * smallfelem_mul sets |out| = |small1| * |small2|
584  * On entry:
585  *   small1[i] < 2^64
586  *   small2[i] < 2^64
587  * On exit:
588  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
589  */
590 static void smallfelem_mul(longfelem out, const smallfelem small1,
591                            const smallfelem small2)
592 {
593     limb a;
594     u64 high, low;
595
596     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[0];
597     low = a;
598     high = a >> 64;
599     out[0] = low;
600     out[1] = high;
601
602     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[1];
603     low = a;
604     high = a >> 64;
605     out[1] += low;
606     out[2] = high;
607
608     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[0];
609     low = a;
610     high = a >> 64;
611     out[1] += low;
612     out[2] += high;
613
614     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[2];
615     low = a;
616     high = a >> 64;
617     out[2] += low;
618     out[3] = high;
619
620     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[1];
621     low = a;
622     high = a >> 64;
623     out[2] += low;
624     out[3] += high;
625
626     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[0];
627     low = a;
628     high = a >> 64;
629     out[2] += low;
630     out[3] += high;
631
632     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[3];
633     low = a;
634     high = a >> 64;
635     out[3] += low;
636     out[4] = high;
637
638     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[2];
639     low = a;
640     high = a >> 64;
641     out[3] += low;
642     out[4] += high;
643
644     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[1];
645     low = a;
646     high = a >> 64;
647     out[3] += low;
648     out[4] += high;
649
650     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[0];
651     low = a;
652     high = a >> 64;
653     out[3] += low;
654     out[4] += high;
655
656     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[3];
657     low = a;
658     high = a >> 64;
659     out[4] += low;
660     out[5] = high;
661
662     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[2];
663     low = a;
664     high = a >> 64;
665     out[4] += low;
666     out[5] += high;
667
668     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[1];
669     low = a;
670     high = a >> 64;
671     out[4] += low;
672     out[5] += high;
673
674     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[3];
675     low = a;
676     high = a >> 64;
677     out[5] += low;
678     out[6] = high;
679
680     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[2];
681     low = a;
682     high = a >> 64;
683     out[5] += low;
684     out[6] += high;
685
686     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[3];
687     low = a;
688     high = a >> 64;
689     out[6] += low;
690     out[7] = high;
691 }
692
693 /*-
694  * felem_mul sets |out| = |in1| * |in2|
695  * On entry:
696  *   in1[i] < 2^109
697  *   in2[i] < 2^109
698  * On exit:
699  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
700  */
701 static void felem_mul(longfelem out, const felem in1, const felem in2)
702 {
703     smallfelem small1, small2;
704     felem_shrink(small1, in1);
705     felem_shrink(small2, in2);
706     smallfelem_mul(out, small1, small2);
707 }
708
709 /*-
710  * felem_small_mul sets |out| = |small1| * |in2|
711  * On entry:
712  *   small1[i] < 2^64
713  *   in2[i] < 2^109
714  * On exit:
715  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
716  */
717 static void felem_small_mul(longfelem out, const smallfelem small1,
718                             const felem in2)
719 {
720     smallfelem small2;
721     felem_shrink(small2, in2);
722     smallfelem_mul(out, small1, small2);
723 }
724
725 # define two100m36m4 (((limb)1) << 100) - (((limb)1) << 36) - (((limb)1) << 4)
726 # define two100 (((limb)1) << 100)
727 # define two100m36p4 (((limb)1) << 100) - (((limb)1) << 36) + (((limb)1) << 4)
728 /* zero100 is 0 mod p */
729 static const felem zero100 =
730     { two100m36m4, two100, two100m36p4, two100m36p4 };
731
732 /*-
733  * Internal function for the different flavours of felem_reduce.
734  * felem_reduce_ reduces the higher coefficients in[4]-in[7].
735  * On entry:
736  *   out[0] >= in[6] + 2^32*in[6] + in[7] + 2^32*in[7]
737  *   out[1] >= in[7] + 2^32*in[4]
738  *   out[2] >= in[5] + 2^32*in[5]
739  *   out[3] >= in[4] + 2^32*in[5] + 2^32*in[6]
740  * On exit:
741  *   out[0] <= out[0] + in[4] + 2^32*in[5]
742  *   out[1] <= out[1] + in[5] + 2^33*in[6]
743  *   out[2] <= out[2] + in[7] + 2*in[6] + 2^33*in[7]
744  *   out[3] <= out[3] + 2^32*in[4] + 3*in[7]
745  */
746 static void felem_reduce_(felem out, const longfelem in)
747 {
748     int128_t c;
749     /* combine common terms from below */
750     c = in[4] + (in[5] << 32);
751     out[0] += c;
752     out[3] -= c;
753
754     c = in[5] - in[7];
755     out[1] += c;
756     out[2] -= c;
757
758     /* the remaining terms */
759     /* 256: [(0,1),(96,-1),(192,-1),(224,1)] */
760     out[1] -= (in[4] << 32);
761     out[3] += (in[4] << 32);
762
763     /* 320: [(32,1),(64,1),(128,-1),(160,-1),(224,-1)] */
764     out[2] -= (in[5] << 32);
765
766     /* 384: [(0,-1),(32,-1),(96,2),(128,2),(224,-1)] */
767     out[0] -= in[6];
768     out[0] -= (in[6] << 32);
769     out[1] += (in[6] << 33);
770     out[2] += (in[6] * 2);
771     out[3] -= (in[6] << 32);
772
773     /* 448: [(0,-1),(32,-1),(64,-1),(128,1),(160,2),(192,3)] */
774     out[0] -= in[7];
775     out[0] -= (in[7] << 32);
776     out[2] += (in[7] << 33);
777     out[3] += (in[7] * 3);
778 }
779
780 /*-
781  * felem_reduce converts a longfelem into an felem.
782  * To be called directly after felem_square or felem_mul.
783  * On entry:
784  *   in[0] < 2^64, in[1] < 3*2^64, in[2] < 5*2^64, in[3] < 7*2^64
785  *   in[4] < 7*2^64, in[5] < 5*2^64, in[6] < 3*2^64, in[7] < 2*64
786  * On exit:
787  *   out[i] < 2^101
788  */
789 static void felem_reduce(felem out, const longfelem in)
790 {
791     out[0] = zero100[0] + in[0];
792     out[1] = zero100[1] + in[1];
793     out[2] = zero100[2] + in[2];
794     out[3] = zero100[3] + in[3];
795
796     felem_reduce_(out, in);
797
798         /*-
799          * out[0] > 2^100 - 2^36 - 2^4 - 3*2^64 - 3*2^96 - 2^64 - 2^96 > 0
800          * out[1] > 2^100 - 2^64 - 7*2^96 > 0
801          * out[2] > 2^100 - 2^36 + 2^4 - 5*2^64 - 5*2^96 > 0
802          * out[3] > 2^100 - 2^36 + 2^4 - 7*2^64 - 5*2^96 - 3*2^96 > 0
803          *
804          * out[0] < 2^100 + 2^64 + 7*2^64 + 5*2^96 < 2^101
805          * out[1] < 2^100 + 3*2^64 + 5*2^64 + 3*2^97 < 2^101
806          * out[2] < 2^100 + 5*2^64 + 2^64 + 3*2^65 + 2^97 < 2^101
807          * out[3] < 2^100 + 7*2^64 + 7*2^96 + 3*2^64 < 2^101
808          */
809 }
810
811 /*-
812  * felem_reduce_zero105 converts a larger longfelem into an felem.
813  * On entry:
814  *   in[0] < 2^71
815  * On exit:
816  *   out[i] < 2^106
817  */
818 static void felem_reduce_zero105(felem out, const longfelem in)
819 {
820     out[0] = zero105[0] + in[0];
821     out[1] = zero105[1] + in[1];
822     out[2] = zero105[2] + in[2];
823     out[3] = zero105[3] + in[3];
824
825     felem_reduce_(out, in);
826
827         /*-
828          * out[0] > 2^105 - 2^41 - 2^9 - 2^71 - 2^103 - 2^71 - 2^103 > 0
829          * out[1] > 2^105 - 2^71 - 2^103 > 0
830          * out[2] > 2^105 - 2^41 + 2^9 - 2^71 - 2^103 > 0
831          * out[3] > 2^105 - 2^41 + 2^9 - 2^71 - 2^103 - 2^103 > 0
832          *
833          * out[0] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
834          * out[1] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
835          * out[2] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
836          * out[3] < 2^105 + 2^71 + 2^103 + 2^71 < 2^106
837          */
838 }
839
840 /*
841  * subtract_u64 sets *result = *result - v and *carry to one if the
842  * subtraction underflowed.
843  */
844 static void subtract_u64(u64 *result, u64 *carry, u64 v)
845 {
846     uint128_t r = *result;
847     r -= v;
848     *carry = (r >> 64) & 1;
849     *result = (u64)r;
850 }
851
852 /*
853  * felem_contract converts |in| to its unique, minimal representation. On
854  * entry: in[i] < 2^109
855  */
856 static void felem_contract(smallfelem out, const felem in)
857 {
858     unsigned i;
859     u64 all_equal_so_far = 0, result = 0, carry;
860
861     felem_shrink(out, in);
862     /* small is minimal except that the value might be > p */
863
864     all_equal_so_far--;
865     /*
866      * We are doing a constant time test if out >= kPrime. We need to compare
867      * each u64, from most-significant to least significant. For each one, if
868      * all words so far have been equal (m is all ones) then a non-equal
869      * result is the answer. Otherwise we continue.
870      */
871     for (i = 3; i < 4; i--) {
872         u64 equal;
873         uint128_t a = ((uint128_t) kPrime[i]) - out[i];
874         /*
875          * if out[i] > kPrime[i] then a will underflow and the high 64-bits
876          * will all be set.
877          */
878         result |= all_equal_so_far & ((u64)(a >> 64));
879
880         /*
881          * if kPrime[i] == out[i] then |equal| will be all zeros and the
882          * decrement will make it all ones.
883          */
884         equal = kPrime[i] ^ out[i];
885         equal--;
886         equal &= equal << 32;
887         equal &= equal << 16;
888         equal &= equal << 8;
889         equal &= equal << 4;
890         equal &= equal << 2;
891         equal &= equal << 1;
892         equal = ((s64) equal) >> 63;
893
894         all_equal_so_far &= equal;
895     }
896
897     /*
898      * if all_equal_so_far is still all ones then the two values are equal
899      * and so out >= kPrime is true.
900      */
901     result |= all_equal_so_far;
902
903     /* if out >= kPrime then we subtract kPrime. */
904     subtract_u64(&out[0], &carry, result & kPrime[0]);
905     subtract_u64(&out[1], &carry, carry);
906     subtract_u64(&out[2], &carry, carry);
907     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
908
909     subtract_u64(&out[1], &carry, result & kPrime[1]);
910     subtract_u64(&out[2], &carry, carry);
911     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
912
913     subtract_u64(&out[2], &carry, result & kPrime[2]);
914     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
915
916     subtract_u64(&out[3], &carry, result & kPrime[3]);
917 }
918
919 static void smallfelem_square_contract(smallfelem out, const smallfelem in)
920 {
921     longfelem longtmp;
922     felem tmp;
923
924     smallfelem_square(longtmp, in);
925     felem_reduce(tmp, longtmp);
926     felem_contract(out, tmp);
927 }
928
929 static void smallfelem_mul_contract(smallfelem out, const smallfelem in1,
930                                     const smallfelem in2)
931 {
932     longfelem longtmp;
933     felem tmp;
934
935     smallfelem_mul(longtmp, in1, in2);
936     felem_reduce(tmp, longtmp);
937     felem_contract(out, tmp);
938 }
939
940 /*-
941  * felem_is_zero returns a limb with all bits set if |in| == 0 (mod p) and 0
942  * otherwise.
943  * On entry:
944  *   small[i] < 2^64
945  */
946 static limb smallfelem_is_zero(const smallfelem small)
947 {
948     limb result;
949     u64 is_p;
950
951     u64 is_zero = small[0] | small[1] | small[2] | small[3];
952     is_zero--;
953     is_zero &= is_zero << 32;
954     is_zero &= is_zero << 16;
955     is_zero &= is_zero << 8;
956     is_zero &= is_zero << 4;
957     is_zero &= is_zero << 2;
958     is_zero &= is_zero << 1;
959     is_zero = ((s64) is_zero) >> 63;
960
961     is_p = (small[0] ^ kPrime[0]) |
962         (small[1] ^ kPrime[1]) |
963         (small[2] ^ kPrime[2]) | (small[3] ^ kPrime[3]);
964     is_p--;
965     is_p &= is_p << 32;
966     is_p &= is_p << 16;
967     is_p &= is_p << 8;
968     is_p &= is_p << 4;
969     is_p &= is_p << 2;
970     is_p &= is_p << 1;
971     is_p = ((s64) is_p) >> 63;
972
973     is_zero |= is_p;
974
975     result = is_zero;
976     result |= ((limb) is_zero) << 64;
977     return result;
978 }
979
980 static int smallfelem_is_zero_int(const smallfelem small)
981 {
982     return (int)(smallfelem_is_zero(small) & ((limb) 1));
983 }
984
985 /*-
986  * felem_inv calculates |out| = |in|^{-1}
987  *
988  * Based on Fermat's Little Theorem:
989  *   a^p = a (mod p)
990  *   a^{p-1} = 1 (mod p)
991  *   a^{p-2} = a^{-1} (mod p)
992  */
993 static void felem_inv(felem out, const felem in)
994 {
995     felem ftmp, ftmp2;
996     /* each e_I will hold |in|^{2^I - 1} */
997     felem e2, e4, e8, e16, e32, e64;
998     longfelem tmp;
999     unsigned i;
1000
1001     felem_square(tmp, in);
1002     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^1 */
1003     felem_mul(tmp, in, ftmp);
1004     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^2 - 2^0 */
1005     felem_assign(e2, ftmp);
1006     felem_square(tmp, ftmp);
1007     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^3 - 2^1 */
1008     felem_square(tmp, ftmp);
1009     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^4 - 2^2 */
1010     felem_mul(tmp, ftmp, e2);
1011     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^4 - 2^0 */
1012     felem_assign(e4, ftmp);
1013     felem_square(tmp, ftmp);
1014     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^5 - 2^1 */
1015     felem_square(tmp, ftmp);
1016     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^6 - 2^2 */
1017     felem_square(tmp, ftmp);
1018     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^7 - 2^3 */
1019     felem_square(tmp, ftmp);
1020     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^8 - 2^4 */
1021     felem_mul(tmp, ftmp, e4);
1022     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^8 - 2^0 */
1023     felem_assign(e8, ftmp);
1024     for (i = 0; i < 8; i++) {
1025         felem_square(tmp, ftmp);
1026         felem_reduce(ftmp, tmp);
1027     }                           /* 2^16 - 2^8 */
1028     felem_mul(tmp, ftmp, e8);
1029     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^16 - 2^0 */
1030     felem_assign(e16, ftmp);
1031     for (i = 0; i < 16; i++) {
1032         felem_square(tmp, ftmp);
1033         felem_reduce(ftmp, tmp);
1034     }                           /* 2^32 - 2^16 */
1035     felem_mul(tmp, ftmp, e16);
1036     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^32 - 2^0 */
1037     felem_assign(e32, ftmp);
1038     for (i = 0; i < 32; i++) {
1039         felem_square(tmp, ftmp);
1040         felem_reduce(ftmp, tmp);
1041     }                           /* 2^64 - 2^32 */
1042     felem_assign(e64, ftmp);
1043     felem_mul(tmp, ftmp, in);
1044     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^64 - 2^32 + 2^0 */
1045     for (i = 0; i < 192; i++) {
1046         felem_square(tmp, ftmp);
1047         felem_reduce(ftmp, tmp);
1048     }                           /* 2^256 - 2^224 + 2^192 */
1049
1050     felem_mul(tmp, e64, e32);
1051     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^64 - 2^0 */
1052     for (i = 0; i < 16; i++) {
1053         felem_square(tmp, ftmp2);
1054         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1055     }                           /* 2^80 - 2^16 */
1056     felem_mul(tmp, ftmp2, e16);
1057     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^80 - 2^0 */
1058     for (i = 0; i < 8; i++) {
1059         felem_square(tmp, ftmp2);
1060         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1061     }                           /* 2^88 - 2^8 */
1062     felem_mul(tmp, ftmp2, e8);
1063     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^88 - 2^0 */
1064     for (i = 0; i < 4; i++) {
1065         felem_square(tmp, ftmp2);
1066         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1067     }                           /* 2^92 - 2^4 */
1068     felem_mul(tmp, ftmp2, e4);
1069     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^92 - 2^0 */
1070     felem_square(tmp, ftmp2);
1071     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^93 - 2^1 */
1072     felem_square(tmp, ftmp2);
1073     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^94 - 2^2 */
1074     felem_mul(tmp, ftmp2, e2);
1075     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^94 - 2^0 */
1076     felem_square(tmp, ftmp2);
1077     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^95 - 2^1 */
1078     felem_square(tmp, ftmp2);
1079     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^96 - 2^2 */
1080     felem_mul(tmp, ftmp2, in);
1081     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^96 - 3 */
1082
1083     felem_mul(tmp, ftmp2, ftmp);
1084     felem_reduce(out, tmp);     /* 2^256 - 2^224 + 2^192 + 2^96 - 3 */
1085 }
1086
1087 static void smallfelem_inv_contract(smallfelem out, const smallfelem in)
1088 {
1089     felem tmp;
1090
1091     smallfelem_expand(tmp, in);
1092     felem_inv(tmp, tmp);
1093     felem_contract(out, tmp);
1094 }
1095
1096 /*-
1097  * Group operations
1098  * ----------------
1099  *
1100  * Building on top of the field operations we have the operations on the
1101  * elliptic curve group itself. Points on the curve are represented in Jacobian
1102  * coordinates */
1103
1104 /*-
1105  * point_double calculates 2*(x_in, y_in, z_in)
1106  *
1107  * The method is taken from:
1108  *   http://hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-shortw-jacobian-3.html#doubling-dbl-2001-b
1109  *
1110  * Outputs can equal corresponding inputs, i.e., x_out == x_in is allowed.
1111  * while x_out == y_in is not (maybe this works, but it's not tested). */
1112 static void
1113 point_double(felem x_out, felem y_out, felem z_out,
1114              const felem x_in, const felem y_in, const felem z_in)
1115 {
1116     longfelem tmp, tmp2;
1117     felem delta, gamma, beta, alpha, ftmp, ftmp2;
1118     smallfelem small1, small2;
1119
1120     felem_assign(ftmp, x_in);
1121     /* ftmp[i] < 2^106 */
1122     felem_assign(ftmp2, x_in);
1123     /* ftmp2[i] < 2^106 */
1124
1125     /* delta = z^2 */
1126     felem_square(tmp, z_in);
1127     felem_reduce(delta, tmp);
1128     /* delta[i] < 2^101 */
1129
1130     /* gamma = y^2 */
1131     felem_square(tmp, y_in);
1132     felem_reduce(gamma, tmp);
1133     /* gamma[i] < 2^101 */
1134     felem_shrink(small1, gamma);
1135
1136     /* beta = x*gamma */
1137     felem_small_mul(tmp, small1, x_in);
1138     felem_reduce(beta, tmp);
1139     /* beta[i] < 2^101 */
1140
1141     /* alpha = 3*(x-delta)*(x+delta) */
1142     felem_diff(ftmp, delta);
1143     /* ftmp[i] < 2^105 + 2^106 < 2^107 */
1144     felem_sum(ftmp2, delta);
1145     /* ftmp2[i] < 2^105 + 2^106 < 2^107 */
1146     felem_scalar(ftmp2, 3);
1147     /* ftmp2[i] < 3 * 2^107 < 2^109 */
1148     felem_mul(tmp, ftmp, ftmp2);
1149     felem_reduce(alpha, tmp);
1150     /* alpha[i] < 2^101 */
1151     felem_shrink(small2, alpha);
1152
1153     /* x' = alpha^2 - 8*beta */
1154     smallfelem_square(tmp, small2);
1155     felem_reduce(x_out, tmp);
1156     felem_assign(ftmp, beta);
1157     felem_scalar(ftmp, 8);
1158     /* ftmp[i] < 8 * 2^101 = 2^104 */
1159     felem_diff(x_out, ftmp);
1160     /* x_out[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1161
1162     /* z' = (y + z)^2 - gamma - delta */
1163     felem_sum(delta, gamma);
1164     /* delta[i] < 2^101 + 2^101 = 2^102 */
1165     felem_assign(ftmp, y_in);
1166     felem_sum(ftmp, z_in);
1167     /* ftmp[i] < 2^106 + 2^106 = 2^107 */
1168     felem_square(tmp, ftmp);
1169     felem_reduce(z_out, tmp);
1170     felem_diff(z_out, delta);
1171     /* z_out[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1172
1173     /* y' = alpha*(4*beta - x') - 8*gamma^2 */
1174     felem_scalar(beta, 4);
1175     /* beta[i] < 4 * 2^101 = 2^103 */
1176     felem_diff_zero107(beta, x_out);
1177     /* beta[i] < 2^107 + 2^103 < 2^108 */
1178     felem_small_mul(tmp, small2, beta);
1179     /* tmp[i] < 7 * 2^64 < 2^67 */
1180     smallfelem_square(tmp2, small1);
1181     /* tmp2[i] < 7 * 2^64 */
1182     longfelem_scalar(tmp2, 8);
1183     /* tmp2[i] < 8 * 7 * 2^64 = 7 * 2^67 */
1184     longfelem_diff(tmp, tmp2);
1185     /* tmp[i] < 2^67 + 2^70 + 2^40 < 2^71 */
1186     felem_reduce_zero105(y_out, tmp);
1187     /* y_out[i] < 2^106 */
1188 }
1189
1190 /*
1191  * point_double_small is the same as point_double, except that it operates on
1192  * smallfelems
1193  */
1194 static void
1195 point_double_small(smallfelem x_out, smallfelem y_out, smallfelem z_out,
1196                    const smallfelem x_in, const smallfelem y_in,
1197                    const smallfelem z_in)
1198 {
1199     felem felem_x_out, felem_y_out, felem_z_out;
1200     felem felem_x_in, felem_y_in, felem_z_in;
1201
1202     smallfelem_expand(felem_x_in, x_in);
1203     smallfelem_expand(felem_y_in, y_in);
1204     smallfelem_expand(felem_z_in, z_in);
1205     point_double(felem_x_out, felem_y_out, felem_z_out,
1206                  felem_x_in, felem_y_in, felem_z_in);
1207     felem_shrink(x_out, felem_x_out);
1208     felem_shrink(y_out, felem_y_out);
1209     felem_shrink(z_out, felem_z_out);
1210 }
1211
1212 /* copy_conditional copies in to out iff mask is all ones. */
1213 static void copy_conditional(felem out, const felem in, limb mask)
1214 {
1215     unsigned i;
1216     for (i = 0; i < NLIMBS; ++i) {
1217         const limb tmp = mask & (in[i] ^ out[i]);
1218         out[i] ^= tmp;
1219     }
1220 }
1221
1222 /* copy_small_conditional copies in to out iff mask is all ones. */
1223 static void copy_small_conditional(felem out, const smallfelem in, limb mask)
1224 {
1225     unsigned i;
1226     const u64 mask64 = mask;
1227     for (i = 0; i < NLIMBS; ++i) {
1228         out[i] = ((limb) (in[i] & mask64)) | (out[i] & ~mask);
1229     }
1230 }
1231
1232 /*-
1233  * point_add calcuates (x1, y1, z1) + (x2, y2, z2)
1234  *
1235  * The method is taken from:
1236  *   http://hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-shortw-jacobian-3.html#addition-add-2007-bl,
1237  * adapted for mixed addition (z2 = 1, or z2 = 0 for the point at infinity).
1238  *
1239  * This function includes a branch for checking whether the two input points
1240  * are equal, (while not equal to the point at infinity). This case never
1241  * happens during single point multiplication, so there is no timing leak for
1242  * ECDH or ECDSA signing. */
1243 static void point_add(felem x3, felem y3, felem z3,
1244                       const felem x1, const felem y1, const felem z1,
1245                       const int mixed, const smallfelem x2,
1246                       const smallfelem y2, const smallfelem z2)
1247 {
1248     felem ftmp, ftmp2, ftmp3, ftmp4, ftmp5, ftmp6, x_out, y_out, z_out;
1249     longfelem tmp, tmp2;
1250     smallfelem small1, small2, small3, small4, small5;
1251     limb x_equal, y_equal, z1_is_zero, z2_is_zero;
1252
1253     felem_shrink(small3, z1);
1254
1255     z1_is_zero = smallfelem_is_zero(small3);
1256     z2_is_zero = smallfelem_is_zero(z2);
1257
1258     /* ftmp = z1z1 = z1**2 */
1259     smallfelem_square(tmp, small3);
1260     felem_reduce(ftmp, tmp);
1261     /* ftmp[i] < 2^101 */
1262     felem_shrink(small1, ftmp);
1263
1264     if (!mixed) {
1265         /* ftmp2 = z2z2 = z2**2 */
1266         smallfelem_square(tmp, z2);
1267         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1268         /* ftmp2[i] < 2^101 */
1269         felem_shrink(small2, ftmp2);
1270
1271         felem_shrink(small5, x1);
1272
1273         /* u1 = ftmp3 = x1*z2z2 */
1274         smallfelem_mul(tmp, small5, small2);
1275         felem_reduce(ftmp3, tmp);
1276         /* ftmp3[i] < 2^101 */
1277
1278         /* ftmp5 = z1 + z2 */
1279         felem_assign(ftmp5, z1);
1280         felem_small_sum(ftmp5, z2);
1281         /* ftmp5[i] < 2^107 */
1282
1283         /* ftmp5 = (z1 + z2)**2 - (z1z1 + z2z2) = 2z1z2 */
1284         felem_square(tmp, ftmp5);
1285         felem_reduce(ftmp5, tmp);
1286         /* ftmp2 = z2z2 + z1z1 */
1287         felem_sum(ftmp2, ftmp);
1288         /* ftmp2[i] < 2^101 + 2^101 = 2^102 */
1289         felem_diff(ftmp5, ftmp2);
1290         /* ftmp5[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1291
1292         /* ftmp2 = z2 * z2z2 */
1293         smallfelem_mul(tmp, small2, z2);
1294         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1295
1296         /* s1 = ftmp2 = y1 * z2**3 */
1297         felem_mul(tmp, y1, ftmp2);
1298         felem_reduce(ftmp6, tmp);
1299         /* ftmp6[i] < 2^101 */
1300     } else {
1301         /*
1302          * We'll assume z2 = 1 (special case z2 = 0 is handled later)
1303          */
1304
1305         /* u1 = ftmp3 = x1*z2z2 */
1306         felem_assign(ftmp3, x1);
1307         /* ftmp3[i] < 2^106 */
1308
1309         /* ftmp5 = 2z1z2 */
1310         felem_assign(ftmp5, z1);
1311         felem_scalar(ftmp5, 2);
1312         /* ftmp5[i] < 2*2^106 = 2^107 */
1313
1314         /* s1 = ftmp2 = y1 * z2**3 */
1315         felem_assign(ftmp6, y1);
1316         /* ftmp6[i] < 2^106 */
1317     }
1318
1319     /* u2 = x2*z1z1 */
1320     smallfelem_mul(tmp, x2, small1);
1321     felem_reduce(ftmp4, tmp);
1322
1323     /* h = ftmp4 = u2 - u1 */
1324     felem_diff_zero107(ftmp4, ftmp3);
1325     /* ftmp4[i] < 2^107 + 2^101 < 2^108 */
1326     felem_shrink(small4, ftmp4);
1327
1328     x_equal = smallfelem_is_zero(small4);
1329
1330     /* z_out = ftmp5 * h */
1331     felem_small_mul(tmp, small4, ftmp5);
1332     felem_reduce(z_out, tmp);
1333     /* z_out[i] < 2^101 */
1334
1335     /* ftmp = z1 * z1z1 */
1336     smallfelem_mul(tmp, small1, small3);
1337     felem_reduce(ftmp, tmp);
1338
1339     /* s2 = tmp = y2 * z1**3 */
1340     felem_small_mul(tmp, y2, ftmp);
1341     felem_reduce(ftmp5, tmp);
1342
1343     /* r = ftmp5 = (s2 - s1)*2 */
1344     felem_diff_zero107(ftmp5, ftmp6);
1345     /* ftmp5[i] < 2^107 + 2^107 = 2^108 */
1346     felem_scalar(ftmp5, 2);
1347     /* ftmp5[i] < 2^109 */
1348     felem_shrink(small1, ftmp5);
1349     y_equal = smallfelem_is_zero(small1);
1350
1351     if (x_equal && y_equal && !z1_is_zero && !z2_is_zero) {
1352         point_double(x3, y3, z3, x1, y1, z1);
1353         return;
1354     }
1355
1356     /* I = ftmp = (2h)**2 */
1357     felem_assign(ftmp, ftmp4);
1358     felem_scalar(ftmp, 2);
1359     /* ftmp[i] < 2*2^108 = 2^109 */
1360     felem_square(tmp, ftmp);
1361     felem_reduce(ftmp, tmp);
1362
1363     /* J = ftmp2 = h * I */
1364     felem_mul(tmp, ftmp4, ftmp);
1365     felem_reduce(ftmp2, tmp);
1366
1367     /* V = ftmp4 = U1 * I */
1368     felem_mul(tmp, ftmp3, ftmp);
1369     felem_reduce(ftmp4, tmp);
1370
1371     /* x_out = r**2 - J - 2V */
1372     smallfelem_square(tmp, small1);
1373     felem_reduce(x_out, tmp);
1374     felem_assign(ftmp3, ftmp4);
1375     felem_scalar(ftmp4, 2);
1376     felem_sum(ftmp4, ftmp2);
1377     /* ftmp4[i] < 2*2^101 + 2^101 < 2^103 */
1378     felem_diff(x_out, ftmp4);
1379     /* x_out[i] < 2^105 + 2^101 */
1380
1381     /* y_out = r(V-x_out) - 2 * s1 * J */
1382     felem_diff_zero107(ftmp3, x_out);
1383     /* ftmp3[i] < 2^107 + 2^101 < 2^108 */
1384     felem_small_mul(tmp, small1, ftmp3);
1385     felem_mul(tmp2, ftmp6, ftmp2);
1386     longfelem_scalar(tmp2, 2);
1387     /* tmp2[i] < 2*2^67 = 2^68 */
1388     longfelem_diff(tmp, tmp2);
1389     /* tmp[i] < 2^67 + 2^70 + 2^40 < 2^71 */
1390     felem_reduce_zero105(y_out, tmp);
1391     /* y_out[i] < 2^106 */
1392
1393     copy_small_conditional(x_out, x2, z1_is_zero);
1394     copy_conditional(x_out, x1, z2_is_zero);
1395     copy_small_conditional(y_out, y2, z1_is_zero);
1396     copy_conditional(y_out, y1, z2_is_zero);
1397     copy_small_conditional(z_out, z2, z1_is_zero);
1398     copy_conditional(z_out, z1, z2_is_zero);
1399     felem_assign(x3, x_out);
1400     felem_assign(y3, y_out);
1401     felem_assign(z3, z_out);
1402 }
1403
1404 /*
1405  * point_add_small is the same as point_add, except that it operates on
1406  * smallfelems
1407  */
1408 static void point_add_small(smallfelem x3, smallfelem y3, smallfelem z3,
1409                             smallfelem x1, smallfelem y1, smallfelem z1,
1410                             smallfelem x2, smallfelem y2, smallfelem z2)
1411 {
1412     felem felem_x3, felem_y3, felem_z3;
1413     felem felem_x1, felem_y1, felem_z1;
1414     smallfelem_expand(felem_x1, x1);
1415     smallfelem_expand(felem_y1, y1);
1416     smallfelem_expand(felem_z1, z1);
1417     point_add(felem_x3, felem_y3, felem_z3, felem_x1, felem_y1, felem_z1, 0,
1418               x2, y2, z2);
1419     felem_shrink(x3, felem_x3);
1420     felem_shrink(y3, felem_y3);
1421     felem_shrink(z3, felem_z3);
1422 }
1423
1424 /*-
1425  * Base point pre computation
1426  * --------------------------
1427  *
1428  * Two different sorts of precomputed tables are used in the following code.
1429  * Each contain various points on the curve, where each point is three field
1430  * elements (x, y, z).
1431  *
1432  * For the base point table, z is usually 1 (0 for the point at infinity).
1433  * This table has 2 * 16 elements, starting with the following:
1434  * index | bits    | point
1435  * ------+---------+------------------------------
1436  *     0 | 0 0 0 0 | 0G
1437  *     1 | 0 0 0 1 | 1G
1438  *     2 | 0 0 1 0 | 2^64G
1439  *     3 | 0 0 1 1 | (2^64 + 1)G
1440  *     4 | 0 1 0 0 | 2^128G
1441  *     5 | 0 1 0 1 | (2^128 + 1)G
1442  *     6 | 0 1 1 0 | (2^128 + 2^64)G
1443  *     7 | 0 1 1 1 | (2^128 + 2^64 + 1)G
1444  *     8 | 1 0 0 0 | 2^192G
1445  *     9 | 1 0 0 1 | (2^192 + 1)G
1446  *    10 | 1 0 1 0 | (2^192 + 2^64)G
1447  *    11 | 1 0 1 1 | (2^192 + 2^64 + 1)G
1448  *    12 | 1 1 0 0 | (2^192 + 2^128)G
1449  *    13 | 1 1 0 1 | (2^192 + 2^128 + 1)G
1450  *    14 | 1 1 1 0 | (2^192 + 2^128 + 2^64)G
1451  *    15 | 1 1 1 1 | (2^192 + 2^128 + 2^64 + 1)G
1452  * followed by a copy of this with each element multiplied by 2^32.
1453  *
1454  * The reason for this is so that we can clock bits into four different
1455  * locations when doing simple scalar multiplies against the base point,
1456  * and then another four locations using the second 16 elements.
1457  *
1458  * Tables for other points have table[i] = iG for i in 0 .. 16. */
1459
1460 /* gmul is the table of precomputed base points */
1461 static const smallfelem gmul[2][16][3] = {
1462     {{{0, 0, 0, 0},
1463       {0, 0, 0, 0},
1464       {0, 0, 0, 0}},
1465      {{0xf4a13945d898c296, 0x77037d812deb33a0, 0xf8bce6e563a440f2,
1466        0x6b17d1f2e12c4247},
1467       {0xcbb6406837bf51f5, 0x2bce33576b315ece, 0x8ee7eb4a7c0f9e16,
1468        0x4fe342e2fe1a7f9b},
1469       {1, 0, 0, 0}},
1470      {{0x90e75cb48e14db63, 0x29493baaad651f7e, 0x8492592e326e25de,
1471        0x0fa822bc2811aaa5},
1472       {0xe41124545f462ee7, 0x34b1a65050fe82f5, 0x6f4ad4bcb3df188b,
1473        0xbff44ae8f5dba80d},
1474       {1, 0, 0, 0}},
1475      {{0x93391ce2097992af, 0xe96c98fd0d35f1fa, 0xb257c0de95e02789,
1476        0x300a4bbc89d6726f},
1477       {0xaa54a291c08127a0, 0x5bb1eeada9d806a5, 0x7f1ddb25ff1e3c6f,
1478        0x72aac7e0d09b4644},
1479       {1, 0, 0, 0}},
1480      {{0x57c84fc9d789bd85, 0xfc35ff7dc297eac3, 0xfb982fd588c6766e,
1481        0x447d739beedb5e67},
1482       {0x0c7e33c972e25b32, 0x3d349b95a7fae500, 0xe12e9d953a4aaff7,
1483        0x2d4825ab834131ee},
1484       {1, 0, 0, 0}},
1485      {{0x13949c932a1d367f, 0xef7fbd2b1a0a11b7, 0xddc6068bb91dfc60,
1486        0xef9519328a9c72ff},
1487       {0x196035a77376d8a8, 0x23183b0895ca1740, 0xc1ee9807022c219c,
1488        0x611e9fc37dbb2c9b},
1489       {1, 0, 0, 0}},
1490      {{0xcae2b1920b57f4bc, 0x2936df5ec6c9bc36, 0x7dea6482e11238bf,
1491        0x550663797b51f5d8},
1492       {0x44ffe216348a964c, 0x9fb3d576dbdefbe1, 0x0afa40018d9d50e5,
1493        0x157164848aecb851},
1494       {1, 0, 0, 0}},
1495      {{0xe48ecafffc5cde01, 0x7ccd84e70d715f26, 0xa2e8f483f43e4391,
1496        0xeb5d7745b21141ea},
1497       {0xcac917e2731a3479, 0x85f22cfe2844b645, 0x0990e6a158006cee,
1498        0xeafd72ebdbecc17b},
1499       {1, 0, 0, 0}},
1500      {{0x6cf20ffb313728be, 0x96439591a3c6b94a, 0x2736ff8344315fc5,
1501        0xa6d39677a7849276},
1502       {0xf2bab833c357f5f4, 0x824a920c2284059b, 0x66b8babd2d27ecdf,
1503        0x674f84749b0b8816},
1504       {1, 0, 0, 0}},
1505      {{0x2df48c04677c8a3e, 0x74e02f080203a56b, 0x31855f7db8c7fedb,
1506        0x4e769e7672c9ddad},
1507       {0xa4c36165b824bbb0, 0xfb9ae16f3b9122a5, 0x1ec0057206947281,
1508        0x42b99082de830663},
1509       {1, 0, 0, 0}},
1510      {{0x6ef95150dda868b9, 0xd1f89e799c0ce131, 0x7fdc1ca008a1c478,
1511        0x78878ef61c6ce04d},
1512       {0x9c62b9121fe0d976, 0x6ace570ebde08d4f, 0xde53142c12309def,
1513        0xb6cb3f5d7b72c321},
1514       {1, 0, 0, 0}},
1515      {{0x7f991ed2c31a3573, 0x5b82dd5bd54fb496, 0x595c5220812ffcae,
1516        0x0c88bc4d716b1287},
1517       {0x3a57bf635f48aca8, 0x7c8181f4df2564f3, 0x18d1b5b39c04e6aa,
1518        0xdd5ddea3f3901dc6},
1519       {1, 0, 0, 0}},
1520      {{0xe96a79fb3e72ad0c, 0x43a0a28c42ba792f, 0xefe0a423083e49f3,
1521        0x68f344af6b317466},
1522       {0xcdfe17db3fb24d4a, 0x668bfc2271f5c626, 0x604ed93c24d67ff3,
1523        0x31b9c405f8540a20},
1524       {1, 0, 0, 0}},
1525      {{0xd36b4789a2582e7f, 0x0d1a10144ec39c28, 0x663c62c3edbad7a0,
1526        0x4052bf4b6f461db9},
1527       {0x235a27c3188d25eb, 0xe724f33999bfcc5b, 0x862be6bd71d70cc8,
1528        0xfecf4d5190b0fc61},
1529       {1, 0, 0, 0}},
1530      {{0x74346c10a1d4cfac, 0xafdf5cc08526a7a4, 0x123202a8f62bff7a,
1531        0x1eddbae2c802e41a},
1532       {0x8fa0af2dd603f844, 0x36e06b7e4c701917, 0x0c45f45273db33a0,
1533        0x43104d86560ebcfc},
1534       {1, 0, 0, 0}},
1535      {{0x9615b5110d1d78e5, 0x66b0de3225c4744b, 0x0a4a46fb6aaf363a,
1536        0xb48e26b484f7a21c},
1537       {0x06ebb0f621a01b2d, 0xc004e4048b7b0f98, 0x64131bcdfed6f668,
1538        0xfac015404d4d3dab},
1539       {1, 0, 0, 0}}},
1540     {{{0, 0, 0, 0},
1541       {0, 0, 0, 0},
1542       {0, 0, 0, 0}},
1543      {{0x3a5a9e22185a5943, 0x1ab919365c65dfb6, 0x21656b32262c71da,
1544        0x7fe36b40af22af89},
1545       {0xd50d152c699ca101, 0x74b3d5867b8af212, 0x9f09f40407dca6f1,
1546        0xe697d45825b63624},
1547       {1, 0, 0, 0}},
1548      {{0xa84aa9397512218e, 0xe9a521b074ca0141, 0x57880b3a18a2e902,
1549        0x4a5b506612a677a6},
1550       {0x0beada7a4c4f3840, 0x626db15419e26d9d, 0xc42604fbe1627d40,
1551        0xeb13461ceac089f1},
1552       {1, 0, 0, 0}},
1553      {{0xf9faed0927a43281, 0x5e52c4144103ecbc, 0xc342967aa815c857,
1554        0x0781b8291c6a220a},
1555       {0x5a8343ceeac55f80, 0x88f80eeee54a05e3, 0x97b2a14f12916434,
1556        0x690cde8df0151593},
1557       {1, 0, 0, 0}},
1558      {{0xaee9c75df7f82f2a, 0x9e4c35874afdf43a, 0xf5622df437371326,
1559        0x8a535f566ec73617},
1560       {0xc5f9a0ac223094b7, 0xcde533864c8c7669, 0x37e02819085a92bf,
1561        0x0455c08468b08bd7},
1562       {1, 0, 0, 0}},
1563      {{0x0c0a6e2c9477b5d9, 0xf9a4bf62876dc444, 0x5050a949b6cdc279,
1564        0x06bada7ab77f8276},
1565       {0xc8b4aed1ea48dac9, 0xdebd8a4b7ea1070f, 0x427d49101366eb70,
1566        0x5b476dfd0e6cb18a},
1567       {1, 0, 0, 0}},
1568      {{0x7c5c3e44278c340a, 0x4d54606812d66f3b, 0x29a751b1ae23c5d8,
1569        0x3e29864e8a2ec908},
1570       {0x142d2a6626dbb850, 0xad1744c4765bd780, 0x1f150e68e322d1ed,
1571        0x239b90ea3dc31e7e},
1572       {1, 0, 0, 0}},
1573      {{0x78c416527a53322a, 0x305dde6709776f8e, 0xdbcab759f8862ed4,
1574        0x820f4dd949f72ff7},
1575       {0x6cc544a62b5debd4, 0x75be5d937b4e8cc4, 0x1b481b1b215c14d3,
1576        0x140406ec783a05ec},
1577       {1, 0, 0, 0}},
1578      {{0x6a703f10e895df07, 0xfd75f3fa01876bd8, 0xeb5b06e70ce08ffe,
1579        0x68f6b8542783dfee},
1580       {0x90c76f8a78712655, 0xcf5293d2f310bf7f, 0xfbc8044dfda45028,
1581        0xcbe1feba92e40ce6},
1582       {1, 0, 0, 0}},
1583      {{0xe998ceea4396e4c1, 0xfc82ef0b6acea274, 0x230f729f2250e927,
1584        0xd0b2f94d2f420109},
1585       {0x4305adddb38d4966, 0x10b838f8624c3b45, 0x7db2636658954e7a,
1586        0x971459828b0719e5},
1587       {1, 0, 0, 0}},
1588      {{0x4bd6b72623369fc9, 0x57f2929e53d0b876, 0xc2d5cba4f2340687,
1589        0x961610004a866aba},
1590       {0x49997bcd2e407a5e, 0x69ab197d92ddcb24, 0x2cf1f2438fe5131c,
1591        0x7acb9fadcee75e44},
1592       {1, 0, 0, 0}},
1593      {{0x254e839423d2d4c0, 0xf57f0c917aea685b, 0xa60d880f6f75aaea,
1594        0x24eb9acca333bf5b},
1595       {0xe3de4ccb1cda5dea, 0xfeef9341c51a6b4f, 0x743125f88bac4c4d,
1596        0x69f891c5acd079cc},
1597       {1, 0, 0, 0}},
1598      {{0xeee44b35702476b5, 0x7ed031a0e45c2258, 0xb422d1e7bd6f8514,
1599        0xe51f547c5972a107},
1600       {0xa25bcd6fc9cf343d, 0x8ca922ee097c184e, 0xa62f98b3a9fe9a06,
1601        0x1c309a2b25bb1387},
1602       {1, 0, 0, 0}},
1603      {{0x9295dbeb1967c459, 0xb00148833472c98e, 0xc504977708011828,
1604        0x20b87b8aa2c4e503},
1605       {0x3063175de057c277, 0x1bd539338fe582dd, 0x0d11adef5f69a044,
1606        0xf5c6fa49919776be},
1607       {1, 0, 0, 0}},
1608      {{0x8c944e760fd59e11, 0x3876cba1102fad5f, 0xa454c3fad83faa56,
1609        0x1ed7d1b9332010b9},
1610       {0xa1011a270024b889, 0x05e4d0dcac0cd344, 0x52b520f0eb6a2a24,
1611        0x3a2b03f03217257a},
1612       {1, 0, 0, 0}},
1613      {{0xf20fc2afdf1d043d, 0xf330240db58d5a62, 0xfc7d229ca0058c3b,
1614        0x15fee545c78dd9f6},
1615       {0x501e82885bc98cda, 0x41ef80e5d046ac04, 0x557d9f49461210fb,
1616        0x4ab5b6b2b8753f81},
1617       {1, 0, 0, 0}}}
1618 };
1619
1620 /*
1621  * select_point selects the |idx|th point from a precomputation table and
1622  * copies it to out.
1623  */
1624 static void select_point(const u64 idx, unsigned int size,
1625                          const smallfelem pre_comp[16][3], smallfelem out[3])
1626 {
1627     unsigned i, j;
1628     u64 *outlimbs = &out[0][0];
1629     memset(outlimbs, 0, 3 * sizeof(smallfelem));
1630
1631     for (i = 0; i < size; i++) {
1632         const u64 *inlimbs = (u64 *)&pre_comp[i][0][0];
1633         u64 mask = i ^ idx;
1634         mask |= mask >> 4;
1635         mask |= mask >> 2;
1636         mask |= mask >> 1;
1637         mask &= 1;
1638         mask--;
1639         for (j = 0; j < NLIMBS * 3; j++)
1640             outlimbs[j] |= inlimbs[j] & mask;
1641     }
1642 }
1643
1644 /* get_bit returns the |i|th bit in |in| */
1645 static char get_bit(const felem_bytearray in, int i)
1646 {
1647     if ((i < 0) || (i >= 256))
1648         return 0;
1649     return (in[i >> 3] >> (i & 7)) & 1;
1650 }
1651
1652 /*
1653  * Interleaved point multiplication using precomputed point multiples: The
1654  * small point multiples 0*P, 1*P, ..., 17*P are in pre_comp[], the scalars
1655  * in scalars[]. If g_scalar is non-NULL, we also add this multiple of the
1656  * generator, using certain (large) precomputed multiples in g_pre_comp.
1657  * Output point (X, Y, Z) is stored in x_out, y_out, z_out
1658  */
1659 static void batch_mul(felem x_out, felem y_out, felem z_out,
1660                       const felem_bytearray scalars[],
1661                       const unsigned num_points, const u8 *g_scalar,
1662                       const int mixed, const smallfelem pre_comp[][17][3],
1663                       const smallfelem g_pre_comp[2][16][3])
1664 {
1665     int i, skip;
1666     unsigned num, gen_mul = (g_scalar != NULL);
1667     felem nq[3], ftmp;
1668     smallfelem tmp[3];
1669     u64 bits;
1670     u8 sign, digit;
1671
1672     /* set nq to the point at infinity */
1673     memset(nq, 0, 3 * sizeof(felem));
1674
1675     /*
1676      * Loop over all scalars msb-to-lsb, interleaving additions of multiples
1677      * of the generator (two in each of the last 32 rounds) and additions of
1678      * other points multiples (every 5th round).
1679      */
1680     skip = 1;                   /* save two point operations in the first
1681                                  * round */
1682     for (i = (num_points ? 255 : 31); i >= 0; --i) {
1683         /* double */
1684         if (!skip)
1685             point_double(nq[0], nq[1], nq[2], nq[0], nq[1], nq[2]);
1686
1687         /* add multiples of the generator */
1688         if (gen_mul && (i <= 31)) {
1689             /* first, look 32 bits upwards */
1690             bits = get_bit(g_scalar, i + 224) << 3;
1691             bits |= get_bit(g_scalar, i + 160) << 2;
1692             bits |= get_bit(g_scalar, i + 96) << 1;
1693             bits |= get_bit(g_scalar, i + 32);
1694             /* select the point to add, in constant time */
1695             select_point(bits, 16, g_pre_comp[1], tmp);
1696
1697             if (!skip) {
1698                 /* Arg 1 below is for "mixed" */
1699                 point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1700                           nq[0], nq[1], nq[2], 1, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1701             } else {
1702                 smallfelem_expand(nq[0], tmp[0]);
1703                 smallfelem_expand(nq[1], tmp[1]);
1704                 smallfelem_expand(nq[2], tmp[2]);
1705                 skip = 0;
1706             }
1707
1708             /* second, look at the current position */
1709             bits = get_bit(g_scalar, i + 192) << 3;
1710             bits |= get_bit(g_scalar, i + 128) << 2;
1711             bits |= get_bit(g_scalar, i + 64) << 1;
1712             bits |= get_bit(g_scalar, i);
1713             /* select the point to add, in constant time */
1714             select_point(bits, 16, g_pre_comp[0], tmp);
1715             /* Arg 1 below is for "mixed" */
1716             point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1717                       nq[0], nq[1], nq[2], 1, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1718         }
1719
1720         /* do other additions every 5 doublings */
1721         if (num_points && (i % 5 == 0)) {
1722             /* loop over all scalars */
1723             for (num = 0; num < num_points; ++num) {
1724                 bits = get_bit(scalars[num], i + 4) << 5;
1725                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 3) << 4;
1726                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 2) << 3;
1727                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 1) << 2;
1728                 bits |= get_bit(scalars[num], i) << 1;
1729                 bits |= get_bit(scalars[num], i - 1);
1730                 ec_GFp_nistp_recode_scalar_bits(&sign, &digit, bits);
1731
1732                 /*
1733                  * select the point to add or subtract, in constant time
1734                  */
1735                 select_point(digit, 17, pre_comp[num], tmp);
1736                 smallfelem_neg(ftmp, tmp[1]); /* (X, -Y, Z) is the negative
1737                                                * point */
1738                 copy_small_conditional(ftmp, tmp[1], (((limb) sign) - 1));
1739                 felem_contract(tmp[1], ftmp);
1740
1741                 if (!skip) {
1742                     point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1743                               nq[0], nq[1], nq[2],
1744                               mixed, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1745                 } else {
1746                     smallfelem_expand(nq[0], tmp[0]);
1747                     smallfelem_expand(nq[1], tmp[1]);
1748                     smallfelem_expand(nq[2], tmp[2]);
1749                     skip = 0;
1750                 }
1751             }
1752         }
1753     }
1754     felem_assign(x_out, nq[0]);
1755     felem_assign(y_out, nq[1]);
1756     felem_assign(z_out, nq[2]);
1757 }
1758
1759 /* Precomputation for the group generator. */
1760 typedef struct {
1761     smallfelem g_pre_comp[2][16][3];
1762     int references;
1763 } NISTP256_PRE_COMP;
1764
1765 const EC_METHOD *EC_GFp_nistp256_method(void)
1766 {
1767     static const EC_METHOD ret = {
1768         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1769         NID_X9_62_prime_field,
1770         ec_GFp_nistp256_group_init,
1771         ec_GFp_simple_group_finish,
1772         ec_GFp_simple_group_clear_finish,
1773         ec_GFp_nist_group_copy,
1774         ec_GFp_nistp256_group_set_curve,
1775         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1776         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1777         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1778         ec_GFp_simple_point_init,
1779         ec_GFp_simple_point_finish,
1780         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1781         ec_GFp_simple_point_copy,
1782         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1783         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1784         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1785         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1786         ec_GFp_nistp256_point_get_affine_coordinates,
1787         0 /* point_set_compressed_coordinates */ ,
1788         0 /* point2oct */ ,
1789         0 /* oct2point */ ,
1790         ec_GFp_simple_add,
1791         ec_GFp_simple_dbl,
1792         ec_GFp_simple_invert,
1793         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1794         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1795         ec_GFp_simple_cmp,
1796         ec_GFp_simple_make_affine,
1797         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1798         ec_GFp_nistp256_points_mul,
1799         ec_GFp_nistp256_precompute_mult,
1800         ec_GFp_nistp256_have_precompute_mult,
1801         ec_GFp_nist_field_mul,
1802         ec_GFp_nist_field_sqr,
1803         0 /* field_div */ ,
1804         0 /* field_encode */ ,
1805         0 /* field_decode */ ,
1806         0                       /* field_set_to_one */
1807     };
1808
1809     return &ret;
1810 }
1811
1812 /******************************************************************************/
1813 /*
1814  * FUNCTIONS TO MANAGE PRECOMPUTATION
1815  */
1816
1817 static NISTP256_PRE_COMP *nistp256_pre_comp_new()
1818 {
1819     NISTP256_PRE_COMP *ret = NULL;
1820     ret = (NISTP256_PRE_COMP *) OPENSSL_malloc(sizeof *ret);
1821     if (!ret) {
1822         ECerr(EC_F_NISTP256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1823         return ret;
1824     }
1825     memset(ret->g_pre_comp, 0, sizeof(ret->g_pre_comp));
1826     ret->references = 1;
1827     return ret;
1828 }
1829
1830 static void *nistp256_pre_comp_dup(void *src_)
1831 {
1832     NISTP256_PRE_COMP *src = src_;
1833
1834     /* no need to actually copy, these objects never change! */
1835     CRYPTO_add(&src->references, 1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1836
1837     return src_;
1838 }
1839
1840 static void nistp256_pre_comp_free(void *pre_)
1841 {
1842     int i;
1843     NISTP256_PRE_COMP *pre = pre_;
1844
1845     if (!pre)
1846         return;
1847
1848     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1849     if (i > 0)
1850         return;
1851
1852     OPENSSL_free(pre);
1853 }
1854
1855 static void nistp256_pre_comp_clear_free(void *pre_)
1856 {
1857     int i;
1858     NISTP256_PRE_COMP *pre = pre_;
1859
1860     if (!pre)
1861         return;
1862
1863     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1864     if (i > 0)
1865         return;
1866
1867     OPENSSL_cleanse(pre, sizeof *pre);
1868     OPENSSL_free(pre);
1869 }
1870
1871 /******************************************************************************/
1872 /*
1873  * OPENSSL EC_METHOD FUNCTIONS
1874  */
1875
1876 int ec_GFp_nistp256_group_init(EC_GROUP *group)
1877 {
1878     int ret;
1879     ret = ec_GFp_simple_group_init(group);
1880     group->a_is_minus3 = 1;
1881     return ret;
1882 }
1883
1884 int ec_GFp_nistp256_group_set_curve(EC_GROUP *group, const BIGNUM *p,
1885                                     const BIGNUM *a, const BIGNUM *b,
1886                                     BN_CTX *ctx)
1887 {
1888     int ret = 0;
1889     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1890     BIGNUM *curve_p, *curve_a, *curve_b;
1891
1892     if (ctx == NULL)
1893         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
1894             return 0;
1895     BN_CTX_start(ctx);
1896     if (((curve_p = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
1897         ((curve_a = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
1898         ((curve_b = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
1899         goto err;
1900     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[0], sizeof(felem_bytearray), curve_p);
1901     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[1], sizeof(felem_bytearray), curve_a);
1902     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[2], sizeof(felem_bytearray), curve_b);
1903     if ((BN_cmp(curve_p, p)) || (BN_cmp(curve_a, a)) || (BN_cmp(curve_b, b))) {
1904         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_GROUP_SET_CURVE,
1905               EC_R_WRONG_CURVE_PARAMETERS);
1906         goto err;
1907     }
1908     group->field_mod_func = BN_nist_mod_256;
1909     ret = ec_GFp_simple_group_set_curve(group, p, a, b, ctx);
1910  err:
1911     BN_CTX_end(ctx);
1912     if (new_ctx != NULL)
1913         BN_CTX_free(new_ctx);
1914     return ret;
1915 }
1916
1917 /*
1918  * Takes the Jacobian coordinates (X, Y, Z) of a point and returns (X', Y') =
1919  * (X/Z^2, Y/Z^3)
1920  */
1921 int ec_GFp_nistp256_point_get_affine_coordinates(const EC_GROUP *group,
1922                                                  const EC_POINT *point,
1923                                                  BIGNUM *x, BIGNUM *y,
1924                                                  BN_CTX *ctx)
1925 {
1926     felem z1, z2, x_in, y_in;
1927     smallfelem x_out, y_out;
1928     longfelem tmp;
1929
1930     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1931         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1932               EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1933         return 0;
1934     }
1935     if ((!BN_to_felem(x_in, &point->X)) || (!BN_to_felem(y_in, &point->Y)) ||
1936         (!BN_to_felem(z1, &point->Z)))
1937         return 0;
1938     felem_inv(z2, z1);
1939     felem_square(tmp, z2);
1940     felem_reduce(z1, tmp);
1941     felem_mul(tmp, x_in, z1);
1942     felem_reduce(x_in, tmp);
1943     felem_contract(x_out, x_in);
1944     if (x != NULL) {
1945         if (!smallfelem_to_BN(x, x_out)) {
1946             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1947                   ERR_R_BN_LIB);
1948             return 0;
1949         }
1950     }
1951     felem_mul(tmp, z1, z2);
1952     felem_reduce(z1, tmp);
1953     felem_mul(tmp, y_in, z1);
1954     felem_reduce(y_in, tmp);
1955     felem_contract(y_out, y_in);
1956     if (y != NULL) {
1957         if (!smallfelem_to_BN(y, y_out)) {
1958             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1959                   ERR_R_BN_LIB);
1960             return 0;
1961         }
1962     }
1963     return 1;
1964 }
1965
1966 /* points below is of size |num|, and tmp_smallfelems is of size |num+1| */
1967 static void make_points_affine(size_t num, smallfelem points[][3],
1968                                smallfelem tmp_smallfelems[])
1969 {
1970     /*
1971      * Runs in constant time, unless an input is the point at infinity (which
1972      * normally shouldn't happen).
1973      */
1974     ec_GFp_nistp_points_make_affine_internal(num,
1975                                              points,
1976                                              sizeof(smallfelem),
1977                                              tmp_smallfelems,
1978                                              (void (*)(void *))smallfelem_one,
1979                                              (int (*)(const void *))
1980                                              smallfelem_is_zero_int,
1981                                              (void (*)(void *, const void *))
1982                                              smallfelem_assign,
1983                                              (void (*)(void *, const void *))
1984                                              smallfelem_square_contract,
1985                                              (void (*)
1986                                               (void *, const void *,
1987                                                const void *))
1988                                              smallfelem_mul_contract,
1989                                              (void (*)(void *, const void *))
1990                                              smallfelem_inv_contract,
1991                                              /* nothing to contract */
1992                                              (void (*)(void *, const void *))
1993                                              smallfelem_assign);
1994 }
1995
1996 /*
1997  * Computes scalar*generator + \sum scalars[i]*points[i], ignoring NULL
1998  * values Result is stored in r (r can equal one of the inputs).
1999  */
2000 int ec_GFp_nistp256_points_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
2001                                const BIGNUM *scalar, size_t num,
2002                                const EC_POINT *points[],
2003                                const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
2004 {
2005     int ret = 0;
2006     int j;
2007     int mixed = 0;
2008     BN_CTX *new_ctx = NULL;
2009     BIGNUM *x, *y, *z, *tmp_scalar;
2010     felem_bytearray g_secret;
2011     felem_bytearray *secrets = NULL;
2012     smallfelem(*pre_comp)[17][3] = NULL;
2013     smallfelem *tmp_smallfelems = NULL;
2014     felem_bytearray tmp;
2015     unsigned i, num_bytes;
2016     int have_pre_comp = 0;
2017     size_t num_points = num;
2018     smallfelem x_in, y_in, z_in;
2019     felem x_out, y_out, z_out;
2020     NISTP256_PRE_COMP *pre = NULL;
2021     const smallfelem(*g_pre_comp)[16][3] = NULL;
2022     EC_POINT *generator = NULL;
2023     const EC_POINT *p = NULL;
2024     const BIGNUM *p_scalar = NULL;
2025
2026     if (ctx == NULL)
2027         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
2028             return 0;
2029     BN_CTX_start(ctx);
2030     if (((x = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2031         ((y = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2032         ((z = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2033         ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
2034         goto err;
2035
2036     if (scalar != NULL) {
2037         pre = EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data,
2038                                   nistp256_pre_comp_dup,
2039                                   nistp256_pre_comp_free,
2040                                   nistp256_pre_comp_clear_free);
2041         if (pre)
2042             /* we have precomputation, try to use it */
2043             g_pre_comp = (const smallfelem(*)[16][3])pre->g_pre_comp;
2044         else
2045             /* try to use the standard precomputation */
2046             g_pre_comp = &gmul[0];
2047         generator = EC_POINT_new(group);
2048         if (generator == NULL)
2049             goto err;
2050         /* get the generator from precomputation */
2051         if (!smallfelem_to_BN(x, g_pre_comp[0][1][0]) ||
2052             !smallfelem_to_BN(y, g_pre_comp[0][1][1]) ||
2053             !smallfelem_to_BN(z, g_pre_comp[0][1][2])) {
2054             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2055             goto err;
2056         }
2057         if (!EC_POINT_set_Jprojective_coordinates_GFp(group,
2058                                                       generator, x, y, z,
2059                                                       ctx))
2060             goto err;
2061         if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, group->generator, ctx))
2062             /* precomputation matches generator */
2063             have_pre_comp = 1;
2064         else
2065             /*
2066              * we don't have valid precomputation: treat the generator as a
2067              * random point
2068              */
2069             num_points++;
2070     }
2071     if (num_points > 0) {
2072         if (num_points >= 3) {
2073             /*
2074              * unless we precompute multiples for just one or two points,
2075              * converting those into affine form is time well spent
2076              */
2077             mixed = 1;
2078         }
2079         secrets = OPENSSL_malloc(num_points * sizeof(felem_bytearray));
2080         pre_comp = OPENSSL_malloc(num_points * 17 * 3 * sizeof(smallfelem));
2081         if (mixed)
2082             tmp_smallfelems =
2083                 OPENSSL_malloc((num_points * 17 + 1) * sizeof(smallfelem));
2084         if ((secrets == NULL) || (pre_comp == NULL)
2085             || (mixed && (tmp_smallfelems == NULL))) {
2086             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
2087             goto err;
2088         }
2089
2090         /*
2091          * we treat NULL scalars as 0, and NULL points as points at infinity,
2092          * i.e., they contribute nothing to the linear combination
2093          */
2094         memset(secrets, 0, num_points * sizeof(felem_bytearray));
2095         memset(pre_comp, 0, num_points * 17 * 3 * sizeof(smallfelem));
2096         for (i = 0; i < num_points; ++i) {
2097             if (i == num)
2098                 /*
2099                  * we didn't have a valid precomputation, so we pick the
2100                  * generator
2101                  */
2102             {
2103                 p = EC_GROUP_get0_generator(group);
2104                 p_scalar = scalar;
2105             } else
2106                 /* the i^th point */
2107             {
2108                 p = points[i];
2109                 p_scalar = scalars[i];
2110             }
2111             if ((p_scalar != NULL) && (p != NULL)) {
2112                 /* reduce scalar to 0 <= scalar < 2^256 */
2113                 if ((BN_num_bits(p_scalar) > 256)
2114                     || (BN_is_negative(p_scalar))) {
2115                     /*
2116                      * this is an unusual input, and we don't guarantee
2117                      * constant-timeness
2118                      */
2119                     if (!BN_nnmod(tmp_scalar, p_scalar, &group->order, ctx)) {
2120                         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2121                         goto err;
2122                     }
2123                     num_bytes = BN_bn2bin(tmp_scalar, tmp);
2124                 } else
2125                     num_bytes = BN_bn2bin(p_scalar, tmp);
2126                 flip_endian(secrets[i], tmp, num_bytes);
2127                 /* precompute multiples */
2128                 if ((!BN_to_felem(x_out, &p->X)) ||
2129                     (!BN_to_felem(y_out, &p->Y)) ||
2130                     (!BN_to_felem(z_out, &p->Z)))
2131                     goto err;
2132                 felem_shrink(pre_comp[i][1][0], x_out);
2133                 felem_shrink(pre_comp[i][1][1], y_out);
2134                 felem_shrink(pre_comp[i][1][2], z_out);
2135                 for (j = 2; j <= 16; ++j) {
2136                     if (j & 1) {
2137                         point_add_small(pre_comp[i][j][0], pre_comp[i][j][1],
2138                                         pre_comp[i][j][2], pre_comp[i][1][0],
2139                                         pre_comp[i][1][1], pre_comp[i][1][2],
2140                                         pre_comp[i][j - 1][0],
2141                                         pre_comp[i][j - 1][1],
2142                                         pre_comp[i][j - 1][2]);
2143                     } else {
2144                         point_double_small(pre_comp[i][j][0],
2145                                            pre_comp[i][j][1],
2146                                            pre_comp[i][j][2],
2147                                            pre_comp[i][j / 2][0],
2148                                            pre_comp[i][j / 2][1],
2149                                            pre_comp[i][j / 2][2]);
2150                     }
2151                 }
2152             }
2153         }
2154         if (mixed)
2155             make_points_affine(num_points * 17, pre_comp[0], tmp_smallfelems);
2156     }
2157
2158     /* the scalar for the generator */
2159     if ((scalar != NULL) && (have_pre_comp)) {
2160         memset(g_secret, 0, sizeof(g_secret));
2161         /* reduce scalar to 0 <= scalar < 2^256 */
2162         if ((BN_num_bits(scalar) > 256) || (BN_is_negative(scalar))) {
2163             /*
2164              * this is an unusual input, and we don't guarantee
2165              * constant-timeness
2166              */
2167             if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, &group->order, ctx)) {
2168                 ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2169                 goto err;
2170             }
2171             num_bytes = BN_bn2bin(tmp_scalar, tmp);
2172         } else
2173             num_bytes = BN_bn2bin(scalar, tmp);
2174         flip_endian(g_secret, tmp, num_bytes);
2175         /* do the multiplication with generator precomputation */
2176         batch_mul(x_out, y_out, z_out,
2177                   (const felem_bytearray(*))secrets, num_points,
2178                   g_secret,
2179                   mixed, (const smallfelem(*)[17][3])pre_comp, g_pre_comp);
2180     } else
2181         /* do the multiplication without generator precomputation */
2182         batch_mul(x_out, y_out, z_out,
2183                   (const felem_bytearray(*))secrets, num_points,
2184                   NULL, mixed, (const smallfelem(*)[17][3])pre_comp, NULL);
2185     /* reduce the output to its unique minimal representation */
2186     felem_contract(x_in, x_out);
2187     felem_contract(y_in, y_out);
2188     felem_contract(z_in, z_out);
2189     if ((!smallfelem_to_BN(x, x_in)) || (!smallfelem_to_BN(y, y_in)) ||
2190         (!smallfelem_to_BN(z, z_in))) {
2191         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2192         goto err;
2193     }
2194     ret = EC_POINT_set_Jprojective_coordinates_GFp(group, r, x, y, z, ctx);
2195
2196  err:
2197     BN_CTX_end(ctx);
2198     if (generator != NULL)
2199         EC_POINT_free(generator);
2200     if (new_ctx != NULL)
2201         BN_CTX_free(new_ctx);
2202     if (secrets != NULL)
2203         OPENSSL_free(secrets);
2204     if (pre_comp != NULL)
2205         OPENSSL_free(pre_comp);
2206     if (tmp_smallfelems != NULL)
2207         OPENSSL_free(tmp_smallfelems);
2208     return ret;
2209 }
2210
2211 int ec_GFp_nistp256_precompute_mult(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
2212 {
2213     int ret = 0;
2214     NISTP256_PRE_COMP *pre = NULL;
2215     int i, j;
2216     BN_CTX *new_ctx = NULL;
2217     BIGNUM *x, *y;
2218     EC_POINT *generator = NULL;
2219     smallfelem tmp_smallfelems[32];
2220     felem x_tmp, y_tmp, z_tmp;
2221
2222     /* throw away old precomputation */
2223     EC_EX_DATA_free_data(&group->extra_data, nistp256_pre_comp_dup,
2224                          nistp256_pre_comp_free,
2225                          nistp256_pre_comp_clear_free);
2226     if (ctx == NULL)
2227         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
2228             return 0;
2229     BN_CTX_start(ctx);
2230     if (((x = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) || ((y = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
2231         goto err;
2232     /* get the generator */
2233     if (group->generator == NULL)
2234         goto err;
2235     generator = EC_POINT_new(group);
2236     if (generator == NULL)
2237         goto err;
2238     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[3], sizeof(felem_bytearray), x);
2239     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[4], sizeof(felem_bytearray), y);
2240     if (!EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, generator, x, y, ctx))
2241         goto err;
2242     if ((pre = nistp256_pre_comp_new()) == NULL)
2243         goto err;
2244     /*
2245      * if the generator is the standard one, use built-in precomputation
2246      */
2247     if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, group->generator, ctx)) {
2248         memcpy(pre->g_pre_comp, gmul, sizeof(pre->g_pre_comp));
2249         ret = 1;
2250         goto err;
2251     }
2252     if ((!BN_to_felem(x_tmp, &group->generator->X)) ||
2253         (!BN_to_felem(y_tmp, &group->generator->Y)) ||
2254         (!BN_to_felem(z_tmp, &group->generator->Z)))
2255         goto err;
2256     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][0], x_tmp);
2257     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][1], y_tmp);
2258     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][2], z_tmp);
2259     /*
2260      * compute 2^64*G, 2^128*G, 2^192*G for the first table, 2^32*G, 2^96*G,
2261      * 2^160*G, 2^224*G for the second one
2262      */
2263     for (i = 1; i <= 8; i <<= 1) {
2264         point_double_small(pre->g_pre_comp[1][i][0], pre->g_pre_comp[1][i][1],
2265                            pre->g_pre_comp[1][i][2], pre->g_pre_comp[0][i][0],
2266                            pre->g_pre_comp[0][i][1],
2267                            pre->g_pre_comp[0][i][2]);
2268         for (j = 0; j < 31; ++j) {
2269             point_double_small(pre->g_pre_comp[1][i][0],
2270                                pre->g_pre_comp[1][i][1],
2271                                pre->g_pre_comp[1][i][2],
2272                                pre->g_pre_comp[1][i][0],
2273                                pre->g_pre_comp[1][i][1],
2274                                pre->g_pre_comp[1][i][2]);
2275         }
2276         if (i == 8)
2277             break;
2278         point_double_small(pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2279                            pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2280                            pre->g_pre_comp[0][2 * i][2],
2281                            pre->g_pre_comp[1][i][0], pre->g_pre_comp[1][i][1],
2282                            pre->g_pre_comp[1][i][2]);
2283         for (j = 0; j < 31; ++j) {
2284             point_double_small(pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2285                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2286                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][2],
2287                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2288                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2289                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][2]);
2290         }
2291     }
2292     for (i = 0; i < 2; i++) {
2293         /* g_pre_comp[i][0] is the point at infinity */
2294         memset(pre->g_pre_comp[i][0], 0, sizeof(pre->g_pre_comp[i][0]));
2295         /* the remaining multiples */
2296         /* 2^64*G + 2^128*G resp. 2^96*G + 2^160*G */
2297         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][6][0], pre->g_pre_comp[i][6][1],
2298                         pre->g_pre_comp[i][6][2], pre->g_pre_comp[i][4][0],
2299                         pre->g_pre_comp[i][4][1], pre->g_pre_comp[i][4][2],
2300                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2301                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2302         /* 2^64*G + 2^192*G resp. 2^96*G + 2^224*G */
2303         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][10][0], pre->g_pre_comp[i][10][1],
2304                         pre->g_pre_comp[i][10][2], pre->g_pre_comp[i][8][0],
2305                         pre->g_pre_comp[i][8][1], pre->g_pre_comp[i][8][2],
2306                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2307                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2308         /* 2^128*G + 2^192*G resp. 2^160*G + 2^224*G */
2309         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][12][0], pre->g_pre_comp[i][12][1],
2310                         pre->g_pre_comp[i][12][2], pre->g_pre_comp[i][8][0],
2311                         pre->g_pre_comp[i][8][1], pre->g_pre_comp[i][8][2],
2312                         pre->g_pre_comp[i][4][0], pre->g_pre_comp[i][4][1],
2313                         pre->g_pre_comp[i][4][2]);
2314         /*
2315          * 2^64*G + 2^128*G + 2^192*G resp. 2^96*G + 2^160*G + 2^224*G
2316          */
2317         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][14][0], pre->g_pre_comp[i][14][1],
2318                         pre->g_pre_comp[i][14][2], pre->g_pre_comp[i][12][0],
2319                         pre->g_pre_comp[i][12][1], pre->g_pre_comp[i][12][2],
2320                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2321                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2322         for (j = 1; j < 8; ++j) {
2323             /* odd multiples: add G resp. 2^32*G */
2324             point_add_small(pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][0],
2325                             pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][1],
2326                             pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][2],
2327                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][0],
2328                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][1],
2329                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][2],
2330                             pre->g_pre_comp[i][1][0],
2331                             pre->g_pre_comp[i][1][1],
2332                             pre->g_pre_comp[i][1][2]);
2333         }
2334     }
2335     make_points_affine(31, &(pre->g_pre_comp[0][1]), tmp_smallfelems);
2336
2337     if (!EC_EX_DATA_set_data(&group->extra_data, pre, nistp256_pre_comp_dup,
2338                              nistp256_pre_comp_free,
2339                              nistp256_pre_comp_clear_free))
2340         goto err;
2341     ret = 1;
2342     pre = NULL;
2343  err:
2344     BN_CTX_end(ctx);
2345     if (generator != NULL)
2346         EC_POINT_free(generator);
2347     if (new_ctx != NULL)
2348         BN_CTX_free(new_ctx);
2349     if (pre)
2350         nistp256_pre_comp_free(pre);
2351     return ret;
2352 }
2353
2354 int ec_GFp_nistp256_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
2355 {
2356     if (EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, nistp256_pre_comp_dup,
2357                             nistp256_pre_comp_free,
2358                             nistp256_pre_comp_clear_free)
2359         != NULL)
2360         return 1;
2361     else
2362         return 0;
2363 }
2364 #else
2365 static void *dummy = &dummy;
2366 #endif