crypto/sha/asm/sha512-x86_64.pl

   1 #!/usr/bin/env perl
   2 #
   3 # ====================================================================
   4 # Written by Andy Polyakov <appro@openssl.org> for the OpenSSL
   5 # project. Rights for redistribution and usage in source and binary
   6 # forms are granted according to the OpenSSL license.
   7 # ====================================================================
   8 #
   9 # sha256/512_block procedure for x86_64.
  10 #
  11 # 40% improvement over compiler-generated code on Opteron. On EM64T
  12 # sha256 was observed to run >80% faster and sha512 - >40%. No magical
  13 # tricks, just straight implementation... I really wonder why gcc
  14 # [being armed with inline assembler] fails to generate as fast code.
  15 # The only thing which is cool about this module is that it's very
  16 # same instruction sequence used for both SHA-256 and SHA-512. In
  17 # former case the instructions operate on 32-bit operands, while in
  18 # latter - on 64-bit ones. All I had to do is to get one flavor right,
  19 # the other one passed the test right away:-)
  20 #
  21 # sha256_block runs in ~1005 cycles on Opteron, which gives you
  22 # asymptotic performance of 64*1000/1005=63.7MBps times CPU clock
  23 # frequency in GHz. sha512_block runs in ~1275 cycles, which results
  24 # in 128*1000/1275=100MBps per GHz. Is there room for improvement?
  25 # Well, if you compare it to IA-64 implementation, which maintains
  26 # X[16] in register bank[!], tends to 4 instructions per CPU clock
  27 # cycle and runs in 1003 cycles, 1275 is very good result for 3-way
  28 # issue Opteron pipeline and X[16] maintained in memory. So that *if*
  29 # there is a way to improve it, *then* the only way would be to try to
  30 # offload X[16] updates to SSE unit, but that would require "deeper"
  31 # loop unroll, which in turn would naturally cause size blow-up, not
  32 # to mention increased complexity! And once again, only *if* it's
  33 # actually possible to noticeably improve overall ILP, instruction
  34 # level parallelism, on a given CPU implementation in this case.
  35 #
  36 # Special note on Intel EM64T. While Opteron CPU exhibits perfect
  37 # perfromance ratio of 1.5 between 64- and 32-bit flavors [see above],
  38 # [currently available] EM64T CPUs apparently are far from it. On the
  39 # contrary, 64-bit version, sha512_block, is ~30% *slower* than 32-bit
  40 # sha256_block:-( This is presumably because 64-bit shifts/rotates
  41 # apparently are not atomic instructions, but implemented in microcode.
  42 #
  43 # May 2012.
  44 #
  45 # Optimization including one of Pavel Semjanov's ideas, alternative
  46 # Maj, resulted in >=5% improvement on most CPUs, 20% on P4.
  47
  48 $flavour = shift;
  49 $output  = shift;
  50 if ($flavour =~ /\./) { $output = $flavour; undef $flavour; }
  51
  52 $win64=0; $win64=1 if ($flavour =~ /[nm]asm|mingw64/ || $output =~ /\.asm$/);
  53
  54 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  55 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  56 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  57 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  58
  59 open STDOUT,"| $^X $xlate $flavour $output";
  60
  61 if ($output =~ /512/) {
  62         $func="sha512_block_data_order";
  63         $TABLE="K512";
  64         $SZ=8;
  65         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%rax","%rbx","%rcx","%rdx",
  66                                         "%r8", "%r9", "%r10","%r11");
  67         ($T1,$a0,$a1,$a2,$a3)=("%r12","%r13","%r14","%r15","%rdi");
  68         @Sigma0=(28,34,39);
  69         @Sigma1=(14,18,41);
  70         @sigma0=(1,  8, 7);
  71         @sigma1=(19,61, 6);
  72         $rounds=80;
  73 } else {
  74         $func="sha256_block_data_order";
  75         $TABLE="K256";
  76         $SZ=4;
  77         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%eax","%ebx","%ecx","%edx",
  78                                         "%r8d","%r9d","%r10d","%r11d");
  79         ($T1,$a0,$a1,$a2,$a3)=("%r12d","%r13d","%r14d","%r15d","%edi");
  80         @Sigma0=( 2,13,22);
  81         @Sigma1=( 6,11,25);
  82         @sigma0=( 7,18, 3);
  83         @sigma1=(17,19,10);
  84         $rounds=64;
  85 }
  86
  87 $ctx="%rdi";    # 1st arg, zapped by $a3
  88 $inp="%rsi";    # 2nd arg
  89 $Tbl="%rbp";
  90
  91 $_ctx="16*$SZ+0*8(%rsp)";
  92 $_inp="16*$SZ+1*8(%rsp)";
  93 $_end="16*$SZ+2*8(%rsp)";
  94 $_rsp="16*$SZ+3*8(%rsp)";
  95 $framesz="16*$SZ+4*8";
  96
  97
  98 sub ROUND_00_15()
  99 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 100
 101 $code.=<<___;
 102         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a0
 103         mov     $f,$a2
 104
 105         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a1
 106         xor     $e,$a0
 107         xor     $g,$a2                  # f^g
 108
 109         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
 110         xor     $a,$a1
 111         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
 112
 113         ror     \$`$Sigma1[1]-$Sigma1[0]`,$a0
 114         add     $h,$T1                  # T1+=h
 115         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
 116
 117         ror     \$`$Sigma0[1]-$Sigma0[0]`,$a1
 118         xor     $e,$a0
 119         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
 120
 121         mov     $a,$a2
 122         add     ($Tbl),$T1              # T1+=K[round]
 123         xor     $a,$a1
 124
 125         ror     \$$Sigma1[0],$a0        # Sigma1(e)
 126         xor     $b,$a2                  # a^b, b^c in next round
 127         mov     $b,$h
 128
 129         ror     \$$Sigma0[0],$a1        # Sigma0(a)
 130         and     $a2,$a3
 131         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
 132
 133         xor     $a3,$h                  # h=Maj(a,b,c)=Ch(a^b,c,b)
 134         add     $T1,$d                  # d+=T1
 135         add     $T1,$h                  # h+=T1
 136 ___
 137 $code.=<<___ if ($i>=15);
 138         mov     `$SZ*(($i+2)&0xf)`(%rsp),$a0
 139 ___
 140 $code.=<<___;
 141         lea     $SZ($Tbl),$Tbl          # round++
 142         add     $a1,$h                  # h+=Sigma0(a)
 143
 144 ___
 145         ($a2,$a3) = ($a3,$a2);
 146 }
 147
 148 sub ROUND_16_XX()
 149 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 150
 151 $code.=<<___;
 152         #mov    `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
 153         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$a1
 154
 155         mov     $a0,$T1
 156         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$a0
 157         mov     $a1,$a2
 158         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a1
 159
 160         xor     $T1,$a0
 161         shr     \$$sigma0[2],$T1
 162         ror     \$$sigma0[0],$a0
 163         xor     $a2,$a1
 164         shr     \$$sigma1[2],$a2
 165
 166         xor     $a0,$T1                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
 167         ror     \$$sigma1[0],$a1
 168         add     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
 169         xor     $a2,$a1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
 170
 171         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
 172         mov     $e,$a0
 173         add     $a1,$T1
 174         mov     $a,$a1
 175 ___
 176         &ROUND_00_15(@_);
 177 }
 178
 179 $code=<<___;
 180 .text
 181
 182 .globl  $func
 183 .type   $func,\@function,4
 184 .align  16
 185 $func:
 186         push    %rbx
 187         push    %rbp
 188         push    %r12
 189         push    %r13
 190         push    %r14
 191         push    %r15
 192         mov     %rsp,%r11               # copy %rsp
 193         shl     \$4,%rdx                # num*16
 194         sub     \$$framesz,%rsp
 195         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
 196         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
 197         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
 198         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
 199         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
 200         mov     %r11,$_rsp              # save copy of %rsp
 201 .Lprologue:
 202
 203         mov     $SZ*0($ctx),$A
 204         mov     $SZ*1($ctx),$B
 205         mov     $SZ*2($ctx),$C
 206         mov     $SZ*3($ctx),$D
 207         mov     $SZ*4($ctx),$E
 208         mov     $SZ*5($ctx),$F
 209         mov     $SZ*6($ctx),$G
 210         mov     $SZ*7($ctx),$H
 211         jmp     .Lloop
 212
 213 .align  16
 214 .Lloop:
 215         mov     $B,$a3
 216         lea     $TABLE(%rip),$Tbl
 217         xor     $C,$a3                  # magic
 218 ___
 219         for($i=0;$i<16;$i++) {
 220                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 221                 $code.="        mov     @ROT[4],$a0\n";
 222                 $code.="        mov     @ROT[0],$a1\n";
 223                 $code.="        bswap   $T1\n";
 224                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 225                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 226         }
 227 $code.=<<___;
 228         jmp     .Lrounds_16_xx
 229 .align  16
 230 .Lrounds_16_xx:
 231 ___
 232         for(;$i<32;$i++) {
 233                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
 234                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 235         }
 236
 237 $code.=<<___;
 238         testl   \$-1,($Tbl)
 239         jnz     .Lrounds_16_xx
 240
 241         mov     $_ctx,$ctx
 242         lea     16*$SZ($inp),$inp
 243
 244         add     $SZ*0($ctx),$A
 245         add     $SZ*1($ctx),$B
 246         add     $SZ*2($ctx),$C
 247         add     $SZ*3($ctx),$D
 248         add     $SZ*4($ctx),$E
 249         add     $SZ*5($ctx),$F
 250         add     $SZ*6($ctx),$G
 251         add     $SZ*7($ctx),$H
 252
 253         cmp     $_end,$inp
 254
 255         mov     $A,$SZ*0($ctx)
 256         mov     $B,$SZ*1($ctx)
 257         mov     $C,$SZ*2($ctx)
 258         mov     $D,$SZ*3($ctx)
 259         mov     $E,$SZ*4($ctx)
 260         mov     $F,$SZ*5($ctx)
 261         mov     $G,$SZ*6($ctx)
 262         mov     $H,$SZ*7($ctx)
 263         jb      .Lloop
 264
 265         mov     $_rsp,%rsi
 266         mov     (%rsi),%r15
 267         mov     8(%rsi),%r14
 268         mov     16(%rsi),%r13
 269         mov     24(%rsi),%r12
 270         mov     32(%rsi),%rbp
 271         mov     40(%rsi),%rbx
 272         lea     48(%rsi),%rsp
 273 .Lepilogue:
 274         ret
 275 .size   $func,.-$func
 276 ___
 277
 278 if ($SZ==4) {
 279 $code.=<<___;
 280 .align  64
 281 .type   $TABLE,\@object
 282 $TABLE:
 283         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
 284         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
 285         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
 286         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
 287         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
 288         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
 289         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
 290         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
 291         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
 292         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
 293         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
 294         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
 295         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
 296         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
 297         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
 298         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
 299         .long   0
 300         .asciz  "SHA256 block transform for x86_64, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
 301 ___
 302 } else {
 303 $code.=<<___;
 304 .align  64
 305 .type   $TABLE,\@object
 306 $TABLE:
 307         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
 308         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
 309         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
 310         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
 311         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
 312         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
 313         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
 314         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
 315         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
 316         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
 317         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
 318         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
 319         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
 320         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
 321         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
 322         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
 323         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
 324         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
 325         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
 326         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
 327         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
 328         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
 329         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
 330         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
 331         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
 332         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
 333         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
 334         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
 335         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
 336         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
 337         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
 338         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
 339         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
 340         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
 341         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
 342         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
 343         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
 344         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
 345         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
 346         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
 347         .long   0
 348         .asciz  "SHA512 block transfort for x86_64, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
 349 ___
 350 }
 351
 352 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
 353 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
 354 if ($win64) {
 355 $rec="%rcx";
 356 $frame="%rdx";
 357 $context="%r8";
 358 $disp="%r9";
 359
 360 $code.=<<___;
 361 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
 362 .type   se_handler,\@abi-omnipotent
 363 .align  16
 364 se_handler:
 365         push    %rsi
 366         push    %rdi
 367         push    %rbx
 368         push    %rbp
 369         push    %r12
 370         push    %r13
 371         push    %r14
 372         push    %r15
 373         pushfq
 374         sub     \$64,%rsp
 375
 376         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
 377         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
 378
 379         lea     .Lprologue(%rip),%r10
 380         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<.Lprologue
 381         jb      .Lin_prologue
 382
 383         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 384
 385         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
 386         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=.Lepilogue
 387         jae     .Lin_prologue
 388
 389         mov     16*$SZ+3*8(%rax),%rax   # pull $_rsp
 390         lea     48(%rax),%rax
 391
 392         mov     -8(%rax),%rbx
 393         mov     -16(%rax),%rbp
 394         mov     -24(%rax),%r12
 395         mov     -32(%rax),%r13
 396         mov     -40(%rax),%r14
 397         mov     -48(%rax),%r15
 398         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
 399         mov     %rbp,160($context)      # restore context->Rbp
 400         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
 401         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
 402         mov     %r14,232($context)      # restore context->R14
 403         mov     %r15,240($context)      # restore context->R15
 404
 405 .Lin_prologue:
 406         mov     8(%rax),%rdi
 407         mov     16(%rax),%rsi
 408         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
 409         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 410         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 411
 412         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
 413         mov     $context,%rsi           # context
 414         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
 415         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
 416
 417         mov     $disp,%rsi
 418         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
 419         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
 420         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
 421         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
 422         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
 423         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
 424         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
 425         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
 426         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
 427         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
 428         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
 429         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
 430
 431         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
 432         add     \$64,%rsp
 433         popfq
 434         pop     %r15
 435         pop     %r14
 436         pop     %r13
 437         pop     %r12
 438         pop     %rbp
 439         pop     %rbx
 440         pop     %rdi
 441         pop     %rsi
 442         ret
 443 .size   se_handler,.-se_handler
 444
 445 .section        .pdata
 446 .align  4
 447         .rva    .LSEH_begin_$func
 448         .rva    .LSEH_end_$func
 449         .rva    .LSEH_info_$func
 450
 451 .section        .xdata
 452 .align  8
 453 .LSEH_info_$func:
 454         .byte   9,0,0,0
 455         .rva    se_handler
 456 ___
 457 }
 458
 459 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
 460 print $code;
 461 close STDOUT;