f611a2d898e2ff265f0cb41b8d51927e0de7b6e0
[openssl.git] / 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 $code.=<<___;
98         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a0
99         mov     $f,$a2
100         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
101
102         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a1
103         xor     $e,$a0
104         xor     $g,$a2                  # f^g
105
106         ror     \$`$Sigma1[1]-$Sigma1[0]`,$a0
107         add     $h,$T1                  # T1+=h
108         xor     $a,$a1
109
110         add     ($Tbl,$round,$SZ),$T1   # T1+=K[round]
111         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
112         mov     $b,$h
113
114         ror     \$`$Sigma0[1]-$Sigma0[0]`,$a1
115         xor     $e,$a0
116         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
117
118         xor     $c,$h                   # b^c
119         xor     $a,$a1
120         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
121         mov     $b,$a2
122
123         ror     \$$Sigma1[0],$a0        # Sigma1(e)
124         and     $a,$h                   # h=(b^c)&a
125         and     $c,$a2                  # b&c
126
127         ror     \$$Sigma0[0],$a1        # Sigma0(a)
128         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
129         add     $a2,$h                  # h+=b&c (completes +=Maj(a,b,c)
130
131         add     $T1,$d                  # d+=T1
132         add     $T1,$h                  # h+=T1
133         lea     1($round),$round        # round++
134         add     $a1,$h                  # h+=Sigma0(a)
135
136 ___
137 }
138
139 sub ROUND_16_XX()
140 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
141
142 $code.=<<___;
143         mov     `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
144         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$a1
145         mov     $a0,$T1
146         mov     $a1,$a2
147
148         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$T1
149         xor     $a0,$T1
150         shr     \$$sigma0[2],$a0
151
152         ror     \$$sigma0[0],$T1
153         xor     $T1,$a0                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
154         mov     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
155
156         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a2
157         xor     $a1,$a2
158         shr     \$$sigma1[2],$a1
159
160         ror     \$$sigma1[0],$a2
161         add     $a0,$T1
162         xor     $a2,$a1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
163
164         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
165         mov     $e,$a0
166         add     $a1,$T1
167         mov     $a,$a1
168 ___
169         &ROUND_00_15(@_);
170 }
171
172 $code=<<___;
173 .text
174
175 .globl  $func
176 .type   $func,\@function,4
177 .align  16
178 $func:
179         push    %rbx
180         push    %rbp
181         push    %r12
182         push    %r13
183         push    %r14
184         push    %r15
185         mov     %rsp,%r11               # copy %rsp
186         shl     \$4,%rdx                # num*16
187         sub     \$$framesz,%rsp
188         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
189         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
190         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
191         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
192         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
193         mov     %r11,$_rsp              # save copy of %rsp
194 .Lprologue:
195
196         lea     $TABLE(%rip),$Tbl
197
198         mov     $SZ*0($ctx),$A
199         mov     $SZ*1($ctx),$B
200         mov     $SZ*2($ctx),$C
201         mov     $SZ*3($ctx),$D
202         mov     $SZ*4($ctx),$E
203         mov     $SZ*5($ctx),$F
204         mov     $SZ*6($ctx),$G
205         mov     $SZ*7($ctx),$H
206         jmp     .Lloop
207
208 .align  16
209 .Lloop:
210         xor     $round,$round
211 ___
212         for($i=0;$i<16;$i++) {
213                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
214                 $code.="        mov     @ROT[4],$a0\n";
215                 $code.="        mov     @ROT[0],$a1\n";
216                 $code.="        bswap   $T1\n";
217                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
218                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
219         }
220 $code.=<<___;
221         jmp     .Lrounds_16_xx
222 .align  16
223 .Lrounds_16_xx:
224 ___
225         for(;$i<32;$i++) {
226                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
227                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
228         }
229
230 $code.=<<___;
231         cmp     \$$rounds,$round
232         jb      .Lrounds_16_xx
233
234         mov     $_ctx,$ctx
235         lea     16*$SZ($inp),$inp
236
237         add     $SZ*0($ctx),$A
238         add     $SZ*1($ctx),$B
239         add     $SZ*2($ctx),$C
240         add     $SZ*3($ctx),$D
241         add     $SZ*4($ctx),$E
242         add     $SZ*5($ctx),$F
243         add     $SZ*6($ctx),$G
244         add     $SZ*7($ctx),$H
245
246         cmp     $_end,$inp
247
248         mov     $A,$SZ*0($ctx)
249         mov     $B,$SZ*1($ctx)
250         mov     $C,$SZ*2($ctx)
251         mov     $D,$SZ*3($ctx)
252         mov     $E,$SZ*4($ctx)
253         mov     $F,$SZ*5($ctx)
254         mov     $G,$SZ*6($ctx)
255         mov     $H,$SZ*7($ctx)
256         jb      .Lloop
257
258         mov     $_rsp,%rsi
259         mov     (%rsi),%r15
260         mov     8(%rsi),%r14
261         mov     16(%rsi),%r13
262         mov     24(%rsi),%r12
263         mov     32(%rsi),%rbp
264         mov     40(%rsi),%rbx
265         lea     48(%rsi),%rsp
266 .Lepilogue:
267         ret
268 .size   $func,.-$func
269 ___
270
271 if ($SZ==4) {
272 $code.=<<___;
273 .align  64
274 .type   $TABLE,\@object
275 $TABLE:
276         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
277         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
278         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
279         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
280         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
281         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
282         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
283         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
284         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
285         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
286         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
287         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
288         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
289         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
290         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
291         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
292 ___
293 } else {
294 $code.=<<___;
295 .align  64
296 .type   $TABLE,\@object
297 $TABLE:
298         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
299         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
300         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
301         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
302         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
303         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
304         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
305         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
306         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
307         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
308         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
309         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
310         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
311         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
312         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
313         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
314         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
315         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
316         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
317         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
318         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
319         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
320         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
321         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
322         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
323         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
324         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
325         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
326         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
327         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
328         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
329         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
330         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
331         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
332         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
333         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
334         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
335         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
336         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
337         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
338 ___
339 }
340
341 # EXCEPTION_DISPOSITION handler (EXCEPTION_RECORD *rec,ULONG64 frame,
342 #               CONTEXT *context,DISPATCHER_CONTEXT *disp)
343 if ($win64) {
344 $rec="%rcx";
345 $frame="%rdx";
346 $context="%r8";
347 $disp="%r9";
348
349 $code.=<<___;
350 .extern __imp_RtlVirtualUnwind
351 .type   se_handler,\@abi-omnipotent
352 .align  16
353 se_handler:
354         push    %rsi
355         push    %rdi
356         push    %rbx
357         push    %rbp
358         push    %r12
359         push    %r13
360         push    %r14
361         push    %r15
362         pushfq
363         sub     \$64,%rsp
364
365         mov     120($context),%rax      # pull context->Rax
366         mov     248($context),%rbx      # pull context->Rip
367
368         lea     .Lprologue(%rip),%r10
369         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip<.Lprologue
370         jb      .Lin_prologue
371
372         mov     152($context),%rax      # pull context->Rsp
373
374         lea     .Lepilogue(%rip),%r10
375         cmp     %r10,%rbx               # context->Rip>=.Lepilogue
376         jae     .Lin_prologue
377
378         mov     16*$SZ+3*8(%rax),%rax   # pull $_rsp
379         lea     48(%rax),%rax
380
381         mov     -8(%rax),%rbx
382         mov     -16(%rax),%rbp
383         mov     -24(%rax),%r12
384         mov     -32(%rax),%r13
385         mov     -40(%rax),%r14
386         mov     -48(%rax),%r15
387         mov     %rbx,144($context)      # restore context->Rbx
388         mov     %rbp,160($context)      # restore context->Rbp
389         mov     %r12,216($context)      # restore context->R12
390         mov     %r13,224($context)      # restore context->R13
391         mov     %r14,232($context)      # restore context->R14
392         mov     %r15,240($context)      # restore context->R15
393
394 .Lin_prologue:
395         mov     8(%rax),%rdi
396         mov     16(%rax),%rsi
397         mov     %rax,152($context)      # restore context->Rsp
398         mov     %rsi,168($context)      # restore context->Rsi
399         mov     %rdi,176($context)      # restore context->Rdi
400
401         mov     40($disp),%rdi          # disp->ContextRecord
402         mov     $context,%rsi           # context
403         mov     \$154,%ecx              # sizeof(CONTEXT)
404         .long   0xa548f3fc              # cld; rep movsq
405
406         mov     $disp,%rsi
407         xor     %rcx,%rcx               # arg1, UNW_FLAG_NHANDLER
408         mov     8(%rsi),%rdx            # arg2, disp->ImageBase
409         mov     0(%rsi),%r8             # arg3, disp->ControlPc
410         mov     16(%rsi),%r9            # arg4, disp->FunctionEntry
411         mov     40(%rsi),%r10           # disp->ContextRecord
412         lea     56(%rsi),%r11           # &disp->HandlerData
413         lea     24(%rsi),%r12           # &disp->EstablisherFrame
414         mov     %r10,32(%rsp)           # arg5
415         mov     %r11,40(%rsp)           # arg6
416         mov     %r12,48(%rsp)           # arg7
417         mov     %rcx,56(%rsp)           # arg8, (NULL)
418         call    *__imp_RtlVirtualUnwind(%rip)
419
420         mov     \$1,%eax                # ExceptionContinueSearch
421         add     \$64,%rsp
422         popfq
423         pop     %r15
424         pop     %r14
425         pop     %r13
426         pop     %r12
427         pop     %rbp
428         pop     %rbx
429         pop     %rdi
430         pop     %rsi
431         ret
432 .size   se_handler,.-se_handler
433
434 .section        .pdata
435 .align  4
436         .rva    .LSEH_begin_$func
437         .rva    .LSEH_end_$func
438         .rva    .LSEH_info_$func
439
440 .section        .xdata
441 .align  8
442 .LSEH_info_$func:
443         .byte   9,0,0,0
444         .rva    se_handler
445 ___
446 }
447
448 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
449 print $code;
450 close STDOUT;