crypto/rc4/asm/rc4-x86_64.pl

   1 #!/usr/bin/env perl
   2 #
   3 # ====================================================================
   4 # Written by Andy Polyakov <appro@fy.chalmers.se> for the OpenSSL
   5 # project. The module is, however, dual licensed under OpenSSL and
   6 # CRYPTOGAMS licenses depending on where you obtain it. For further
   7 # details see http://www.openssl.org/~appro/cryptogams/.
   8 # ====================================================================
   9 #
  10 # 2.22x RC4 tune-up:-) It should be noted though that my hand [as in
  11 # "hand-coded assembler"] doesn't stand for the whole improvement
  12 # coefficient. It turned out that eliminating RC4_CHAR from config
  13 # line results in ~40% improvement (yes, even for C implementation).
  14 # Presumably it has everything to do with AMD cache architecture and
  15 # RAW or whatever penalties. Once again! The module *requires* config
  16 # line *without* RC4_CHAR! As for coding "secret," I bet on partial
  17 # register arithmetics. For example instead of 'inc %r8; and $255,%r8'
  18 # I simply 'inc %r8b'. Even though optimization manual discourages
  19 # to operate on partial registers, it turned out to be the best bet.
  20 # At least for AMD... How IA32E would perform remains to be seen...
  21
  22 # As was shown by Marc Bevand reordering of couple of load operations
  23 # results in even higher performance gain of 3.3x:-) At least on
  24 # Opteron... For reference, 1x in this case is RC4_CHAR C-code
  25 # compiled with gcc 3.3.2, which performs at ~54MBps per 1GHz clock.
  26 # Latter means that if you want to *estimate* what to expect from
  27 # *your* Opteron, then multiply 54 by 3.3 and clock frequency in GHz.
  28
  29 # Intel P4 EM64T core was found to run the AMD64 code really slow...
  30 # The only way to achieve comparable performance on P4 was to keep
  31 # RC4_CHAR. Kind of ironic, huh? As it's apparently impossible to
  32 # compose blended code, which would perform even within 30% marginal
  33 # on either AMD and Intel platforms, I implement both cases. See
  34 # rc4_skey.c for further details...
  35
  36 # P4 EM64T core appears to be "allergic" to 64-bit inc/dec. Replacing
  37 # those with add/sub results in 50% performance improvement of folded
  38 # loop...
  39
  40 # As was shown by Zou Nanhai loop unrolling can improve Intel EM64T
  41 # performance by >30% [unlike P4 32-bit case that is]. But this is
  42 # provided that loads are reordered even more aggressively! Both code
  43 # pathes, AMD64 and EM64T, reorder loads in essentially same manner
  44 # as my IA-64 implementation. On Opteron this resulted in modest 5%
  45 # improvement [I had to test it], while final Intel P4 performance
  46 # achieves respectful 432MBps on 2.8GHz processor now. For reference.
  47 # If executed on Xeon, current RC4_CHAR code-path is 2.7x faster than
  48 # RC4_INT code-path. While if executed on Opteron, it's only 25%
  49 # slower than the RC4_INT one [meaning that if CPU µ-arch detection
  50 # is not implemented, then this final RC4_CHAR code-path should be
  51 # preferred, as it provides better *all-round* performance].
  52
  53 # Intel Core2 was observed to perform poorly on both code paths:-( It
  54 # apparently suffers from some kind of partial register stall, which
  55 # occurs in 64-bit mode only [as virtually identical 32-bit loop was
  56 # observed to outperform 64-bit one by almost 50%]. Adding two movzb to
  57 # cloop1 boosts its performance by 80%! This loop appears to be optimal
  58 # fit for Core2 and therefore the code was modified to skip cloop8 on
  59 # this CPU.
  60
  61 $flavour = shift;
  62 $output  = shift;
  63 if ($flavour =~ /\./) { $output = $flavour; undef $flavour; }
  64
  65 $win64=0; $win64=1 if ($flavour =~ /[nm]asm|mingw64/ || $output =~ /\.asm$/);
  66
  67 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  68 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  69 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  70 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  71
  72 open STDOUT,"| $^X $xlate $flavour $output";
  73
  74 $dat="%rdi";        # arg1
  75 $len="%rsi";        # arg2
  76 $inp="%rdx";        # arg3
  77 $out="%rcx";        # arg4
  78
  79 @XX=("%r8","%r10");
  80 @TX=("%r9","%r11");
  81 $YY="%r12";
  82 $TY="%r13";
  83
  84 $code=<<___;
  85 .text
  86
  87 .globl  RC4
  88 .type   RC4,\@function,4
  89 .align  16
  90 RC4:    or      $len,$len
  91         jne     .Lentry
  92         ret
  93 .Lentry:
  94         push    %rbx
  95         push    %r12
  96         push    %r13
  97 .Lprologue:
  98
  99         add     \$8,$dat
 100         movl    -8($dat),$XX[0]#d
 101         movl    -4($dat),$YY#d
 102         cmpl    \$-1,256($dat)
 103         je      .LRC4_CHAR
 104         inc     $XX[0]#b
 105         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
 106         test    \$-8,$len
 107         jz      .Lloop1
 108         jmp     .Lloop8
 109 .align  16
 110 .Lloop8:
 111 ___
 112 for ($i=0;$i<8;$i++) {
 113 $code.=<<___;
 114         add     $TX[0]#b,$YY#b
 115         mov     $XX[0],$XX[1]
 116         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
 117         ror     \$8,%rax                        # ror is redundant when $i=0
 118         inc     $XX[1]#b
 119         movl    ($dat,$XX[1],4),$TX[1]#d
 120         cmp     $XX[1],$YY
 121         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
 122         cmove   $TX[0],$TX[1]
 123         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
 124         add     $TX[0]#b,$TY#b
 125         movb    ($dat,$TY,4),%al
 126 ___
 127 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 128 }
 129 $code.=<<___;
 130         ror     \$8,%rax
 131         sub     \$8,$len
 132
 133         xor     ($inp),%rax
 134         add     \$8,$inp
 135         mov     %rax,($out)
 136         add     \$8,$out
 137
 138         test    \$-8,$len
 139         jnz     .Lloop8
 140         cmp     \$0,$len
 141         jne     .Lloop1
 142         jmp     .Lexit
 143
 144 .align  16
 145 .Lloop1:
 146         add     $TX[0]#b,$YY#b
 147         movl    ($dat,$YY,4),$TY#d
 148         movl    $TX[0]#d,($dat,$YY,4)
 149         movl    $TY#d,($dat,$XX[0],4)
 150         add     $TY#b,$TX[0]#b
 151         inc     $XX[0]#b
 152         movl    ($dat,$TX[0],4),$TY#d
 153         movl    ($dat,$XX[0],4),$TX[0]#d
 154         xorb    ($inp),$TY#b
 155         inc     $inp
 156         movb    $TY#b,($out)
 157         inc     $out
 158         dec     $len
 159         jnz     .Lloop1
 160         jmp     .Lexit
 161
 162 .align  16
 163 .LRC4_CHAR:
 164         add     \$1,$XX[0]#b
 165         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
 166         test    \$-8,$len
 167         jz      .Lcloop1
 168         cmpl    \$0,260($dat)
 169         jnz     .Lcloop1
 170         jmp     .Lcloop8
 171 .align  16
 172 .Lcloop8:
 173         mov     ($inp),%eax
 174         mov     4($inp),%ebx
 175 ___
 176 # unroll 2x4-wise, because 64-bit rotates kill Intel P4...
 177 for ($i=0;$i<4;$i++) {
 178 $code.=<<___;
 179         add     $TX[0]#b,$YY#b
 180         lea     1($XX[0]),$XX[1]
 181         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 182         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
 183         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
 184         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 185         cmp     $XX[1],$YY
 186         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 187         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
 188         mov     $TX[0],$TX[1]
 189 .Lcmov$i:
 190         add     $TX[0]#b,$TY#b
 191         xor     ($dat,$TY),%al
 192         ror     \$8,%eax
 193 ___
 194 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 195 }
 196 for ($i=4;$i<8;$i++) {
 197 $code.=<<___;
 198         add     $TX[0]#b,$YY#b
 199         lea     1($XX[0]),$XX[1]
 200         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 201         movzb   $XX[1]#b,$XX[1]#d
 202         movzb   ($dat,$XX[1]),$TX[1]#d
 203         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 204         cmp     $XX[1],$YY
 205         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 206         jne     .Lcmov$i                        # Intel cmov is sloooow...
 207         mov     $TX[0],$TX[1]
 208 .Lcmov$i:
 209         add     $TX[0]#b,$TY#b
 210         xor     ($dat,$TY),%bl
 211         ror     \$8,%ebx
 212 ___
 213 push(@TX,shift(@TX)); push(@XX,shift(@XX));     # "rotate" registers
 214 }
 215 $code.=<<___;
 216         lea     -8($len),$len
 217         mov     %eax,($out)
 218         lea     8($inp),$inp
 219         mov     %ebx,4($out)
 220         lea     8($out),$out
 221
 222         test    \$-8,$len
 223         jnz     .Lcloop8
 224         cmp     \$0,$len
 225         jne     .Lcloop1
 226         jmp     .Lexit
 227 ___
 228 $code.=<<___;
 229 .align  16
 230 .Lcloop1:
 231         add     $TX[0]#b,$YY#b
 232         movzb   ($dat,$YY),$TY#d
 233         movb    $TX[0]#b,($dat,$YY)
 234         movb    $TY#b,($dat,$XX[0])
 235         add     $TX[0]#b,$TY#b
 236         add     \$1,$XX[0]#b
 237         movzb   $TY#b,$TY#d
 238         movzb   $XX[0]#b,$XX[0]#d
 239         movzb   ($dat,$TY),$TY#d
 240         movzb   ($dat,$XX[0]),$TX[0]#d
 241         xorb    ($inp),$TY#b
 242         lea     1($inp),$inp
 243         movb    $TY#b,($out)
 244         lea     1($out),$out
 245         sub     \$1,$len
 246         jnz     .Lcloop1
 247         jmp     .Lexit
 248
 249 .align  16
 250 .Lexit:
 251         sub     \$1,$XX[0]#b
 252         movl    $XX[0]#d,-8($dat)
 253         movl    $YY#d,-4($dat)
 254
 255         mov     (%rsp),%r13
 256         mov     8(%rsp),%r12
 257         mov     16(%rsp),%rbx
 258         add     \$24,%rsp
 259 .Lepilogue:
 260         ret
 261 .size   RC4,.-RC4
 262 ___
 263
 264 $idx="%r8";
 265 $ido="%r9";
 266
 267 $code.=<<___;
 268 .extern OPENSSL_ia32cap_P
 269 .globl  RC4_set_key
 270 .type   RC4_set_key,\@function,3
 271 .align  16
 272 RC4_set_key:
 273         lea     8($dat),$dat
 274         lea     ($inp,$len),$inp
 275         neg     $len
 276         mov     $len,%rcx
 277         xor     %eax,%eax
 278         xor     $ido,$ido
 279         xor     %r10,%r10
 280         xor     %r11,%r11
 281
 282         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),$idx#d
 283         bt      \$20,$idx#d
 284         jnc     .Lw1stloop
 285         bt      \$30,$idx#d
 286         setc    $ido#b
 287         mov     $ido#d,260($dat)
 288         jmp     .Lc1stloop
 289
 290 .align  16
 291 .Lw1stloop:
 292         mov     %eax,($dat,%rax,4)
 293         add     \$1,%al
 294         jnc     .Lw1stloop
 295
 296         xor     $ido,$ido
 297         xor     $idx,$idx
 298 .align  16
 299 .Lw2ndloop:
 300         mov     ($dat,$ido,4),%r10d
 301         add     ($inp,$len,1),$idx#b
 302         add     %r10b,$idx#b
 303         add     \$1,$len
 304         mov     ($dat,$idx,4),%r11d
 305         cmovz   %rcx,$len
 306         mov     %r10d,($dat,$idx,4)
 307         mov     %r11d,($dat,$ido,4)
 308         add     \$1,$ido#b
 309         jnc     .Lw2ndloop
 310         jmp     .Lexit_key
 311
 312 .align  16
 313 .Lc1stloop:
 314         mov     %al,($dat,%rax)
 315         add     \$1,%al
 316         jnc     .Lc1stloop
 317
 318         xor     $ido,$ido
 319         xor     $idx,$idx
 320 .align  16
 321 .Lc2ndloop:
 322         mov     ($dat,$ido),%r10b
 323         add     ($inp,$len),$idx#b
 324         add     %r10b,$idx#b
 325         add     \$1,$len
 326         mov     ($dat,$idx),%r11b
 327         jnz     .Lcnowrap
 328         mov     %rcx,$len
 329 .Lcnowrap:
 330         mov     %r10b,($dat,$idx)
 331         mov     %r11b,($dat,$ido)
 332         add     \$1,$ido#b
 333         jnc     .Lc2ndloop
 334         movl    \$-1,256($dat)
 335
 336 .align  16
 337 .Lexit_key:
 338         xor     %eax,%eax
 339         mov     %eax,-8($dat)
 340         mov     %eax,-4($dat)
 341         ret
 342 .size   RC4_set_key,.-RC4_set_key
 343
 344 .globl  RC4_options
 345 .type   RC4_options,\@abi-omnipotent
 346 .align  16
 347 RC4_options:
 348         lea     .Lopts(%rip),%rax
 349         mov     OPENSSL_ia32cap_P(%rip),%edx
 350         bt      \$20,%edx
 351         jnc     .Ldone
 352         add     \$12,%rax
 353         bt      \$30,%edx
 354         jnc     .Ldone
 355         add     \$13,%rax
 356 .Ldone:
 357         ret
 358 .align  64
 359 .Lopts:
 360 .asciz  "rc4(8x,int)"
 361 .asciz  "rc4(8x,char)"
 362 .asciz  "rc4(1x,char)"
 363 .asciz  "RC4 for x86_64, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
 364 .align  64
 365 .size   RC4_options,.-RC4_options
 366 ___
 367
 368 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
 369 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
 370 if ($win64) {
 371 $rec="%rcx";
 372 $frame="%rdx";
 373 $context="%r8";
 374 $disp="%r9";
 375
 376 $code.=<<___;
 377 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
 378 .type   stream_se_handler,\@abi-omnipotent
 379 .align  16
 380 stream_se_handler:
 381         push    %rsi
 382         push    %rdi
 383         push    %rbx
 384         push    %rbp
 385         push    %r12
 386         push    %r13
 387         push    %r14
 388         push    %r15
 389         pushfq
 390         sub     \$64,%rsp
 391
 392         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
 393         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
 394
 395         lea     .Lprologue(%rip),%r10
 396         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<prologue label
 397         jb      .Lin_prologue
 398
 399         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 400
 401         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
 402         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=epilogue label
 403         jae     .Lin_prologue
 404
 405         lea     24(%rax),%rax
 406
 407         mov     -8(%rax),%rbx
 408         mov     -16(%rax),%r12
 409         mov     -24(%rax),%r13
 410         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
 411         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
 412         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
 413
 414 .Lin_prologue:
 415         mov     8(%rax),%rdi
 416         mov     16(%rax),%rsi
 417         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
 418         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 419         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 420
 421         jmp     .Lcommon_seh_exit
 422 .size   stream_se_handler,.-stream_se_handler
 423
 424 .type   key_se_handler,\@abi-omnipotent
 425 .align  16
 426 key_se_handler:
 427         push    %rsi
 428         push    %rdi
 429         push    %rbx
 430         push    %rbp
 431         push    %r12
 432         push    %r13
 433         push    %r14
 434         push    %r15
 435         pushfq
 436         sub     \$64,%rsp
 437
 438         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 439         mov     8(%rax),%rdi
 440         mov     16(%rax),%rsi
 441         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 442         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 443
 444 .Lcommon_seh_exit:
 445
 446         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
 447         mov     $context,%rsi           # context
 448         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
 449         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
 450
 451         mov     $disp,%rsi
 452         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
 453         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
 454         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
 455         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
 456         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
 457         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
 458         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
 459         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
 460         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
 461         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
 462         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
 463         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
 464
 465         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
 466         add     \$64,%rsp
 467         popfq
 468         pop     %r15
 469         pop     %r14
 470         pop     %r13
 471         pop     %r12
 472         pop     %rbp
 473         pop     %rbx
 474         pop     %rdi
 475         pop     %rsi
 476         ret
 477 .size   key_se_handler,.-key_se_handler
 478
 479 .section        .pdata
 480 .align  4
 481         .rva    .LSEH_begin_RC4
 482         .rva    .LSEH_end_RC4
 483         .rva    .LSEH_info_RC4
 484
 485         .rva    .LSEH_begin_RC4_set_key
 486         .rva    .LSEH_end_RC4_set_key
 487         .rva    .LSEH_info_RC4_set_key
 488
 489 .section        .xdata
 490 .align  8
 491 .LSEH_info_RC4:
 492         .byte   9,0,0,0
 493         .rva    stream_se_handler
 494 .LSEH_info_RC4_set_key:
 495         .byte   9,0,0,0
 496         .rva    key_se_handler
 497 ___
 498 }
 499
 500 $code =~ s/#([bwd])/$1/gm;
 501
 502 print $code;
 503
 504 close STDOUT;