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 $output=shift;
  44
  45 $0 =~ m/(.*[\/\\])[^\/\\]+$/; $dir=$1;
  46 ( $xlate="${dir}x86_64-xlate.pl" and -f $xlate ) or
  47 ( $xlate="${dir}../../perlasm/x86_64-xlate.pl" and -f $xlate) or
  48 die "can't locate x86_64-xlate.pl";
  49
  50 open STDOUT,"| $^X $xlate $output";
  51
  52 if ($output =~ /512/) {
  53         $func="sha512_block_data_order";
  54         $TABLE="K512";
  55         $SZ=8;
  56         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%rax","%rbx","%rcx","%rdx",
  57                                         "%r8", "%r9", "%r10","%r11");
  58         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12","%r13","%r14","%r15");
  59         @Sigma0=(28,34,39);
  60         @Sigma1=(14,18,41);
  61         @sigma0=(1,  8, 7);
  62         @sigma1=(19,61, 6);
  63         $rounds=80;
  64 } else {
  65         $func="sha256_block_data_order";
  66         $TABLE="K256";
  67         $SZ=4;
  68         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%eax","%ebx","%ecx","%edx",
  69                                         "%r8d","%r9d","%r10d","%r11d");
  70         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12d","%r13d","%r14d","%r15d");
  71         @Sigma0=( 2,13,22);
  72         @Sigma1=( 6,11,25);
  73         @sigma0=( 7,18, 3);
  74         @sigma1=(17,19,10);
  75         $rounds=64;
  76 }
  77
  78 $ctx="%rdi";    # 1st arg
  79 $round="%rdi";  # zaps $ctx
  80 $inp="%rsi";    # 2nd arg
  81 $Tbl="%rbp";
  82
  83 $_ctx="16*$SZ+0*8(%rsp)";
  84 $_inp="16*$SZ+1*8(%rsp)";
  85 $_end="16*$SZ+2*8(%rsp)";
  86 $_rsp="16*$SZ+3*8(%rsp)";
  87 $framesz="16*$SZ+4*8";
  88
  89
  90 sub ROUND_00_15()
  91 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
  92
  93 $code.=<<___;
  94         mov     $e,$a0
  95         mov     $e,$a1
  96         mov     $f,$a2
  97
  98         ror     \$$Sigma1[0],$a0
  99         ror     \$$Sigma1[1],$a1
 100         xor     $g,$a2                  # f^g
 101
 102         xor     $a1,$a0
 103         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a1
 104         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
 105         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
 106
 107         xor     $a1,$a0                 # Sigma1(e)
 108         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
 109         add     $h,$T1                  # T1+=h
 110
 111         mov     $a,$h
 112         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
 113
 114         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
 115         mov     $a,$a0
 116         mov     $a,$a1
 117
 118         ror     \$$Sigma0[0],$h
 119         ror     \$$Sigma0[1],$a0
 120         mov     $a,$a2
 121         add     ($Tbl,$round,$SZ),$T1   # T1+=K[round]
 122
 123         xor     $a0,$h
 124         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a0
 125         or      $c,$a1                  # a|c
 126
 127         xor     $a0,$h                  # h=Sigma0(a)
 128         and     $c,$a2                  # a&c
 129         add     $T1,$d                  # d+=T1
 130
 131         and     $b,$a1                  # (a|c)&b
 132         add     $T1,$h                  # h+=T1
 133
 134         or      $a2,$a1                 # Maj(a,b,c)=((a|c)&b)|(a&c)
 135         lea     1($round),$round        # round++
 136
 137         add     $a1,$h                  # h+=Maj(a,b,c)
 138 ___
 139 }
 140
 141 sub ROUND_16_XX()
 142 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 143
 144 $code.=<<___;
 145         mov     `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
 146         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$T1
 147
 148         mov     $a0,$a2
 149
 150         shr     \$$sigma0[2],$a0
 151         ror     \$$sigma0[0],$a2
 152
 153         xor     $a2,$a0
 154         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$a2
 155
 156         xor     $a2,$a0                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
 157         mov     $T1,$a1
 158
 159         shr     \$$sigma1[2],$T1
 160         ror     \$$sigma1[0],$a1
 161
 162         xor     $a1,$T1
 163         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a1
 164
 165         xor     $a1,$T1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
 166
 167         add     $a0,$T1
 168
 169         add     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
 170
 171         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
 172 ___
 173         &ROUND_00_15(@_);
 174 }
 175
 176 $code=<<___;
 177 .text
 178
 179 .globl  $func
 180 .type   $func,\@function,4
 181 .align  16
 182 $func:
 183         push    %rbx
 184         push    %rbp
 185         push    %r12
 186         push    %r13
 187         push    %r14
 188         push    %r15
 189         mov     %rsp,%rbp               # copy %rsp
 190         shl     \$4,%rdx                # num*16
 191         sub     \$$framesz,%rsp
 192         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
 193         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
 194         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
 195         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
 196         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
 197         mov     %rbp,$_rsp              # save copy of %rsp
 198
 199         .picmeup $Tbl
 200         lea     $TABLE-.($Tbl),$Tbl
 201
 202         mov     $SZ*0($ctx),$A
 203         mov     $SZ*1($ctx),$B
 204         mov     $SZ*2($ctx),$C
 205         mov     $SZ*3($ctx),$D
 206         mov     $SZ*4($ctx),$E
 207         mov     $SZ*5($ctx),$F
 208         mov     $SZ*6($ctx),$G
 209         mov     $SZ*7($ctx),$H
 210         jmp     .Lloop
 211
 212 .align  16
 213 .Lloop:
 214         xor     $round,$round
 215 ___
 216         for($i=0;$i<16;$i++) {
 217                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 218                 $code.="        bswap   $T1\n";
 219                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 220                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 221         }
 222 $code.=<<___;
 223         jmp     .Lrounds_16_xx
 224 .align  16
 225 .Lrounds_16_xx:
 226 ___
 227         for(;$i<32;$i++) {
 228                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
 229                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 230         }
 231
 232 $code.=<<___;
 233         cmp     \$$rounds,$round
 234         jb      .Lrounds_16_xx
 235
 236         mov     $_ctx,$ctx
 237         lea     16*$SZ($inp),$inp
 238
 239         add     $SZ*0($ctx),$A
 240         add     $SZ*1($ctx),$B
 241         add     $SZ*2($ctx),$C
 242         add     $SZ*3($ctx),$D
 243         add     $SZ*4($ctx),$E
 244         add     $SZ*5($ctx),$F
 245         add     $SZ*6($ctx),$G
 246         add     $SZ*7($ctx),$H
 247
 248         cmp     $_end,$inp
 249
 250         mov     $A,$SZ*0($ctx)
 251         mov     $B,$SZ*1($ctx)
 252         mov     $C,$SZ*2($ctx)
 253         mov     $D,$SZ*3($ctx)
 254         mov     $E,$SZ*4($ctx)
 255         mov     $F,$SZ*5($ctx)
 256         mov     $G,$SZ*6($ctx)
 257         mov     $H,$SZ*7($ctx)
 258         jb      .Lloop
 259
 260         mov     $_rsp,%rsp
 261         pop     %r15
 262         pop     %r14
 263         pop     %r13
 264         pop     %r12
 265         pop     %rbp
 266         pop     %rbx
 267
 268         ret
 269 .size   $func,.-$func
 270 ___
 271
 272 if ($SZ==4) {
 273 $code.=<<___;
 274 .align  64
 275 .type   $TABLE,\@object
 276 $TABLE:
 277         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
 278         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
 279         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
 280         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
 281         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
 282         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
 283         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
 284         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
 285         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
 286         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
 287         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
 288         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
 289         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
 290         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
 291         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
 292         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
 293 ___
 294 } else {
 295 $code.=<<___;
 296 .align  64
 297 .type   $TABLE,\@object
 298 $TABLE:
 299         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
 300         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
 301         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
 302         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
 303         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
 304         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
 305         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
 306         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
 307         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
 308         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
 309         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
 310         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
 311         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
 312         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
 313         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
 314         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
 315         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
 316         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
 317         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
 318         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
 319         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
 320         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
 321         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
 322         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
 323         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
 324         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
 325         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
 326         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
 327         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
 328         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
 329         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
 330         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
 331         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
 332         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
 333         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
 334         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
 335         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
 336         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
 337         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
 338         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
 339 ___
 340 }
 341
 342 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
 343 print $code;
 344 close STDOUT;