crypto/sha/asm/sha512-x86_64.pl

   1 #!/usr/bin/env perl
   2 #
   3 # ====================================================================
   4 # Written by Andy Polyakov <appro@fy.chalmers.se> 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 $flavour = shift;
  44 $output  = shift;
  45 if ($flavour =~ /\./) { $output = $flavour; undef $flavour; }
  46
  47 $win64=0; $win64=1 if ($flavour =~ /[nm]asm|mingw64/ || $output =~ /\.asm$/);
  48
  49 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  50 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  51 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  52 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  53
  54 open STDOUT,"| $^X $xlate $flavour $output";
  55
  56 if ($output =~ /512/) {
  57         $func="sha512_block_data_order";
  58         $TABLE="K512";
  59         $SZ=8;
  60         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%rax","%rbx","%rcx","%rdx",
  61                                         "%r8", "%r9", "%r10","%r11");
  62         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12","%r13","%r14","%r15");
  63         @Sigma0=(28,34,39);
  64         @Sigma1=(14,18,41);
  65         @sigma0=(1,  8, 7);
  66         @sigma1=(19,61, 6);
  67         $rounds=80;
  68 } else {
  69         $func="sha256_block_data_order";
  70         $TABLE="K256";
  71         $SZ=4;
  72         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%eax","%ebx","%ecx","%edx",
  73                                         "%r8d","%r9d","%r10d","%r11d");
  74         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12d","%r13d","%r14d","%r15d");
  75         @Sigma0=( 2,13,22);
  76         @Sigma1=( 6,11,25);
  77         @sigma0=( 7,18, 3);
  78         @sigma1=(17,19,10);
  79         $rounds=64;
  80 }
  81
  82 $ctx="%rdi";    # 1st arg
  83 $round="%rdi";  # zaps $ctx
  84 $inp="%rsi";    # 2nd arg
  85 $Tbl="%rbp";
  86
  87 $_ctx="16*$SZ+0*8(%rsp)";
  88 $_inp="16*$SZ+1*8(%rsp)";
  89 $_end="16*$SZ+2*8(%rsp)";
  90 $_rsp="16*$SZ+3*8(%rsp)";
  91 $framesz="16*$SZ+4*8";
  92
  93
  94 sub ROUND_00_15()
  95 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
  96
  97 $code.=<<___;
  98         mov     $e,$a0
  99         mov     $e,$a1
 100         mov     $f,$a2
 101
 102         ror     \$$Sigma1[0],$a0
 103         ror     \$$Sigma1[1],$a1
 104         xor     $g,$a2                  # f^g
 105
 106         xor     $a1,$a0
 107         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a1
 108         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
 109         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
 110
 111         xor     $a1,$a0                 # Sigma1(e)
 112         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
 113         add     $h,$T1                  # T1+=h
 114
 115         mov     $a,$h
 116         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
 117
 118         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
 119         mov     $a,$a0
 120         mov     $a,$a1
 121
 122         ror     \$$Sigma0[0],$h
 123         ror     \$$Sigma0[1],$a0
 124         mov     $a,$a2
 125         add     ($Tbl,$round,$SZ),$T1   # T1+=K[round]
 126
 127         xor     $a0,$h
 128         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a0
 129         or      $c,$a1                  # a|c
 130
 131         xor     $a0,$h                  # h=Sigma0(a)
 132         and     $c,$a2                  # a&c
 133         add     $T1,$d                  # d+=T1
 134
 135         and     $b,$a1                  # (a|c)&b
 136         add     $T1,$h                  # h+=T1
 137
 138         or      $a2,$a1                 # Maj(a,b,c)=((a|c)&b)|(a&c)
 139         lea     1($round),$round        # round++
 140
 141         add     $a1,$h                  # h+=Maj(a,b,c)
 142 ___
 143 }
 144
 145 sub ROUND_16_XX()
 146 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 147
 148 $code.=<<___;
 149         mov     `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
 150         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$T1
 151
 152         mov     $a0,$a2
 153
 154         shr     \$$sigma0[2],$a0
 155         ror     \$$sigma0[0],$a2
 156
 157         xor     $a2,$a0
 158         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$a2
 159
 160         xor     $a2,$a0                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
 161         mov     $T1,$a1
 162
 163         shr     \$$sigma1[2],$T1
 164         ror     \$$sigma1[0],$a1
 165
 166         xor     $a1,$T1
 167         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a1
 168
 169         xor     $a1,$T1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
 170
 171         add     $a0,$T1
 172
 173         add     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
 174
 175         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
 176 ___
 177         &ROUND_00_15(@_);
 178 }
 179
 180 $code=<<___;
 181 .section .note.GNU-stack,"",\@progbits
 182
 183 .text
 184
 185 .globl  $func
 186 .type   $func,\@function,4
 187 .align  16
 188 $func:
 189         push    %rbx
 190         push    %rbp
 191         push    %r12
 192         push    %r13
 193         push    %r14
 194         push    %r15
 195         mov     %rsp,%r11               # copy %rsp
 196         shl     \$4,%rdx                # num*16
 197         sub     \$$framesz,%rsp
 198         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
 199         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
 200         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
 201         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
 202         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
 203         mov     %r11,$_rsp              # save copy of %rsp
 204 .Lprologue:
 205
 206         lea     $TABLE(%rip),$Tbl
 207
 208         mov     $SZ*0($ctx),$A
 209         mov     $SZ*1($ctx),$B
 210         mov     $SZ*2($ctx),$C
 211         mov     $SZ*3($ctx),$D
 212         mov     $SZ*4($ctx),$E
 213         mov     $SZ*5($ctx),$F
 214         mov     $SZ*6($ctx),$G
 215         mov     $SZ*7($ctx),$H
 216         jmp     .Lloop
 217
 218 .align  16
 219 .Lloop:
 220         xor     $round,$round
 221 ___
 222         for($i=0;$i<16;$i++) {
 223                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 224                 $code.="        bswap   $T1\n";
 225                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 226                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 227         }
 228 $code.=<<___;
 229         jmp     .Lrounds_16_xx
 230 .align  16
 231 .Lrounds_16_xx:
 232 ___
 233         for(;$i<32;$i++) {
 234                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
 235                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 236         }
 237
 238 $code.=<<___;
 239         cmp     \$$rounds,$round
 240         jb      .Lrounds_16_xx
 241
 242         mov     $_ctx,$ctx
 243         lea     16*$SZ($inp),$inp
 244
 245         add     $SZ*0($ctx),$A
 246         add     $SZ*1($ctx),$B
 247         add     $SZ*2($ctx),$C
 248         add     $SZ*3($ctx),$D
 249         add     $SZ*4($ctx),$E
 250         add     $SZ*5($ctx),$F
 251         add     $SZ*6($ctx),$G
 252         add     $SZ*7($ctx),$H
 253
 254         cmp     $_end,$inp
 255
 256         mov     $A,$SZ*0($ctx)
 257         mov     $B,$SZ*1($ctx)
 258         mov     $C,$SZ*2($ctx)
 259         mov     $D,$SZ*3($ctx)
 260         mov     $E,$SZ*4($ctx)
 261         mov     $F,$SZ*5($ctx)
 262         mov     $G,$SZ*6($ctx)
 263         mov     $H,$SZ*7($ctx)
 264         jb      .Lloop
 265
 266         mov     $_rsp,%rsi
 267         mov     (%rsi),%r15
 268         mov     8(%rsi),%r14
 269         mov     16(%rsi),%r13
 270         mov     24(%rsi),%r12
 271         mov     32(%rsi),%rbp
 272         mov     40(%rsi),%rbx
 273         lea     48(%rsi),%rsp
 274 .Lepilogue:
 275         ret
 276 .size   $func,.-$func
 277 ___
 278
 279 if ($SZ==4) {
 280 $code.=<<___;
 281 .align  64
 282 .type   $TABLE,\@object
 283 $TABLE:
 284         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
 285         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
 286         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
 287         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
 288         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
 289         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
 290         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
 291         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
 292         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
 293         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
 294         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
 295         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
 296         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
 297         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
 298         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
 299         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
 300 ___
 301 } else {
 302 $code.=<<___;
 303 .align  64
 304 .type   $TABLE,\@object
 305 $TABLE:
 306         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
 307         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
 308         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
 309         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
 310         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
 311         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
 312         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
 313         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
 314         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
 315         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
 316         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
 317         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
 318         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
 319         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
 320         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
 321         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
 322         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
 323         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
 324         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
 325         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
 326         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
 327         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
 328         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
 329         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
 330         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
 331         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
 332         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
 333         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
 334         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
 335         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
 336         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
 337         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
 338         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
 339         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
 340         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
 341         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
 342         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
 343         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
 344         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
 345         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
 346 ___
 347 }
 348
 349 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
 350 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
 351 if ($win64) {
 352 $rec="%rcx";
 353 $frame="%rdx";
 354 $context="%r8";
 355 $disp="%r9";
 356
 357 $code.=<<___;
 358 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
 359 .type   se_handler,\@abi-omnipotent
 360 .align  16
 361 se_handler:
 362         push    %rsi
 363         push    %rdi
 364         push    %rbx
 365         push    %rbp
 366         push    %r12
 367         push    %r13
 368         push    %r14
 369         push    %r15
 370         pushfq
 371         sub     \$64,%rsp
 372
 373         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
 374         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
 375
 376         lea     .Lprologue(%rip),%r10
 377         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<.Lprologue
 378         jb      .Lin_prologue
 379
 380         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
 381
 382         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
 383         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=.Lepilogue
 384         jae     .Lin_prologue
 385
 386         mov     16*$SZ+3*8(%rax),%rax   # pull $_rsp
 387         lea     48(%rax),%rax
 388
 389         mov     -8(%rax),%rbx
 390         mov     -16(%rax),%rbp
 391         mov     -24(%rax),%r12
 392         mov     -32(%rax),%r13
 393         mov     -40(%rax),%r14
 394         mov     -48(%rax),%r15
 395         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
 396         mov     %rbp,160($context)      # restore context->Rbp
 397         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
 398         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
 399         mov     %r14,232($context)      # restore context->R14
 400         mov     %r15,240($context)      # restore context->R15
 401
 402 .Lin_prologue:
 403         mov     8(%rax),%rdi
 404         mov     16(%rax),%rsi
 405         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
 406         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
 407         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
 408
 409         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
 410         mov     $context,%rsi           # context
 411         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
 412         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
 413
 414         mov     $disp,%rsi
 415         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
 416         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
 417         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
 418         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
 419         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
 420         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
 421         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
 422         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
 423         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
 424         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
 425         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
 426         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
 427
 428         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
 429         add     \$64,%rsp
 430         popfq
 431         pop     %r15
 432         pop     %r14
 433         pop     %r13
 434         pop     %r12
 435         pop     %rbp
 436         pop     %rbx
 437         pop     %rdi
 438         pop     %rsi
 439         ret
 440 .size   se_handler,.-se_handler
 441
 442 .section        .pdata
 443 .align  4
 444         .rva    .LSEH_begin_$func
 445         .rva    .LSEH_end_$func
 446         .rva    .LSEH_info_$func
 447
 448 .section        .xdata
 449 .align  8
 450 .LSEH_info_$func:
 451         .byte   9,0,0,0
 452         .rva    se_handler
 453 ___
 454 }
 455
 456 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
 457 print $code;
 458 close STDOUT;