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 open STDOUT,"| $^X ../perlasm/x86_64-xlate.pl $output";
  45
  46 if ($output =~ /512/) {
  47         $func="sha512_block";
  48         $TABLE="K512";
  49         $SZ=8;
  50         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%rax","%rbx","%rcx","%rdx",
  51                                         "%r8", "%r9", "%r10","%r11");
  52         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12","%r13","%r14","%r15");
  53         @Sigma0=(28,34,39);
  54         @Sigma1=(14,18,41);
  55         @sigma0=(1,  8, 7);
  56         @sigma1=(19,61, 6);
  57         $rounds=80;
  58 } else {
  59         $func="sha256_block";
  60         $TABLE="K256";
  61         $SZ=4;
  62         @ROT=($A,$B,$C,$D,$E,$F,$G,$H)=("%eax","%ebx","%ecx","%edx",
  63                                         "%r8d","%r9d","%r10d","%r11d");
  64         ($T1,$a0,$a1,$a2)=("%r12d","%r13d","%r14d","%r15d");
  65         @Sigma0=( 2,13,22);
  66         @Sigma1=( 6,11,25);
  67         @sigma0=( 7,18, 3);
  68         @sigma1=(17,19,10);
  69         $rounds=64;
  70 }
  71
  72 $ctx="%rdi";    # 1st arg
  73 $round="%rdi";  # zaps $ctx
  74 $inp="%rsi";    # 2nd arg
  75 $Tbl="%rbp";
  76
  77 $_ctx="16*$SZ+0*8(%rsp)";
  78 $_inp="16*$SZ+1*8(%rsp)";
  79 $_end="16*$SZ+2*8(%rsp)";
  80 $_ord="16*$SZ+3*8(%rsp)";
  81 $_rsp="16*$SZ+4*8(%rsp)";
  82 $framesz="16*$SZ+5*8";
  83
  84
  85 sub ROUND_00_15()
  86 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
  87
  88 $code.=<<___;
  89         mov     $e,$a0
  90         mov     $e,$a1
  91         mov     $f,$a2
  92
  93         ror     \$$Sigma1[0],$a0
  94         ror     \$$Sigma1[1],$a1
  95         xor     $g,$a2                  # f^g
  96
  97         xor     $a1,$a0
  98         ror     \$`$Sigma1[2]-$Sigma1[1]`,$a1
  99         and     $e,$a2                  # (f^g)&e
 100         mov     $T1,`$SZ*($i&0xf)`(%rsp)
 101
 102         xor     $a1,$a0                 # Sigma1(e)
 103         xor     $g,$a2                  # Ch(e,f,g)=((f^g)&e)^g
 104         add     $h,$T1                  # T1+=h
 105
 106         mov     $a,$h
 107         add     $a0,$T1                 # T1+=Sigma1(e)
 108
 109         add     $a2,$T1                 # T1+=Ch(e,f,g)
 110         mov     $a,$a0
 111         mov     $a,$a1
 112
 113         ror     \$$Sigma0[0],$h
 114         ror     \$$Sigma0[1],$a0
 115         mov     $a,$a2
 116         add     ($Tbl,$round,$SZ),$T1   # T1+=K[round]
 117
 118         xor     $a0,$h
 119         ror     \$`$Sigma0[2]-$Sigma0[1]`,$a0
 120         or      $c,$a1                  # a|c
 121
 122         xor     $a0,$h                  # h=Sigma0(a)
 123         and     $c,$a2                  # a&c
 124         add     $T1,$d                  # d+=T1
 125
 126         and     $b,$a1                  # (a|c)&b
 127         add     $T1,$h                  # h+=T1
 128
 129         or      $a2,$a1                 # Maj(a,b,c)=((a|c)&b)|(a&c)
 130         lea     1($round),$round        # round++
 131
 132         add     $a1,$h                  # h+=Maj(a,b,c)
 133 ___
 134 }
 135
 136 sub ROUND_16_XX()
 137 { my ($i,$a,$b,$c,$d,$e,$f,$g,$h) = @_;
 138
 139 $code.=<<___;
 140         mov     `$SZ*(($i+1)&0xf)`(%rsp),$a0
 141         mov     `$SZ*(($i+14)&0xf)`(%rsp),$T1
 142
 143         mov     $a0,$a2
 144
 145         shr     \$$sigma0[2],$a0
 146         ror     \$$sigma0[0],$a2
 147
 148         xor     $a2,$a0
 149         ror     \$`$sigma0[1]-$sigma0[0]`,$a2
 150
 151         xor     $a2,$a0                 # sigma0(X[(i+1)&0xf])
 152         mov     $T1,$a1
 153
 154         shr     \$$sigma1[2],$T1
 155         ror     \$$sigma1[0],$a1
 156
 157         xor     $a1,$T1
 158         ror     \$`$sigma1[1]-$sigma1[0]`,$a1
 159
 160         xor     $a1,$T1                 # sigma1(X[(i+14)&0xf])
 161
 162         add     $a0,$T1
 163
 164         add     `$SZ*(($i+9)&0xf)`(%rsp),$T1
 165
 166         add     `$SZ*($i&0xf)`(%rsp),$T1
 167 ___
 168         &ROUND_00_15(@_);
 169 }
 170
 171 $code=<<___;
 172 .text
 173
 174 .globl  $func
 175 .type   $func,\@function,4
 176 .align  16
 177 $func:
 178         push    %rbx
 179         push    %rbp
 180         push    %r12
 181         push    %r13
 182         push    %r14
 183         push    %r15
 184         mov     %rsp,%rbp               # copy %rsp
 185         shl     \$4,%rdx                # num*16
 186         sub     \$$framesz,%rsp
 187         lea     ($inp,%rdx,$SZ),%rdx    # inp+num*16*$SZ
 188         and     \$-64,%rsp              # align stack frame
 189         mov     $ctx,$_ctx              # save ctx, 1st arg
 190         mov     $inp,$_inp              # save inp, 2nd arh
 191         mov     %rdx,$_end              # save end pointer, "3rd" arg
 192         mov     %ecx,$_ord              # save host, 4th arg
 193         mov     %rbp,$_rsp              # save copy of %rsp
 194
 195         .picmeup $Tbl
 196         lea     $TABLE-.($Tbl),$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 if ($SZ==4) {
 213 $code.=<<___;
 214         cmpl    \$0,$_ord
 215         je      .Ldata_order
 216 .align  16
 217 .Lhost_order:
 218 ___
 219
 220         for($i=0;$i<16;$i++) {
 221                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 222                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 223                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 224         }
 225 $code.=<<___;
 226         jmp     .Lrounds_16_xx
 227 .align  16
 228 .Ldata_order:
 229 ___
 230 } # 256
 231         for($i=0;$i<16;$i++) {
 232                 $code.="        mov     $SZ*$i($inp),$T1\n";
 233                 $code.="        bswap   $T1\n";
 234                 &ROUND_00_15($i,@ROT);
 235                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 236         }
 237 $code.=<<___;
 238         jmp     .Lrounds_16_xx
 239 .align  16
 240 .Lrounds_16_xx:
 241 ___
 242         for(;$i<32;$i++) {
 243                 &ROUND_16_XX($i,@ROT);
 244                 unshift(@ROT,pop(@ROT));
 245         }
 246
 247 $code.=<<___;
 248         cmp     \$$rounds,$round
 249         jb      .Lrounds_16_xx
 250
 251         mov     $_ctx,$ctx
 252         lea     16*$SZ($inp),$inp
 253
 254         add     $SZ*0($ctx),$A
 255         add     $SZ*1($ctx),$B
 256         add     $SZ*2($ctx),$C
 257         add     $SZ*3($ctx),$D
 258         add     $SZ*4($ctx),$E
 259         add     $SZ*5($ctx),$F
 260         add     $SZ*6($ctx),$G
 261         add     $SZ*7($ctx),$H
 262
 263         cmp     $_end,$inp
 264
 265         mov     $A,$SZ*0($ctx)
 266         mov     $B,$SZ*1($ctx)
 267         mov     $C,$SZ*2($ctx)
 268         mov     $D,$SZ*3($ctx)
 269         mov     $E,$SZ*4($ctx)
 270         mov     $F,$SZ*5($ctx)
 271         mov     $G,$SZ*6($ctx)
 272         mov     $H,$SZ*7($ctx)
 273         jb      .Lloop
 274
 275         mov     $_rsp,%rsp
 276         pop     %r15
 277         pop     %r14
 278         pop     %r13
 279         pop     %r12
 280         pop     %rbp
 281         pop     %rbx
 282
 283         ret
 284 .size   $func,.-$func
 285 ___
 286
 287 if ($SZ==4) {
 288 $code.=<<___;
 289 .align  64
 290 .type   $TABLE,\@object
 291 $TABLE:
 292         .long   0x428a2f98,0x71374491,0xb5c0fbcf,0xe9b5dba5
 293         .long   0x3956c25b,0x59f111f1,0x923f82a4,0xab1c5ed5
 294         .long   0xd807aa98,0x12835b01,0x243185be,0x550c7dc3
 295         .long   0x72be5d74,0x80deb1fe,0x9bdc06a7,0xc19bf174
 296         .long   0xe49b69c1,0xefbe4786,0x0fc19dc6,0x240ca1cc
 297         .long   0x2de92c6f,0x4a7484aa,0x5cb0a9dc,0x76f988da
 298         .long   0x983e5152,0xa831c66d,0xb00327c8,0xbf597fc7
 299         .long   0xc6e00bf3,0xd5a79147,0x06ca6351,0x14292967
 300         .long   0x27b70a85,0x2e1b2138,0x4d2c6dfc,0x53380d13
 301         .long   0x650a7354,0x766a0abb,0x81c2c92e,0x92722c85
 302         .long   0xa2bfe8a1,0xa81a664b,0xc24b8b70,0xc76c51a3
 303         .long   0xd192e819,0xd6990624,0xf40e3585,0x106aa070
 304         .long   0x19a4c116,0x1e376c08,0x2748774c,0x34b0bcb5
 305         .long   0x391c0cb3,0x4ed8aa4a,0x5b9cca4f,0x682e6ff3
 306         .long   0x748f82ee,0x78a5636f,0x84c87814,0x8cc70208
 307         .long   0x90befffa,0xa4506ceb,0xbef9a3f7,0xc67178f2
 308 ___
 309 } else {
 310 $code.=<<___;
 311 .align  64
 312 .type   $TABLE,\@object
 313 $TABLE:
 314         .quad   0x428a2f98d728ae22,0x7137449123ef65cd
 315         .quad   0xb5c0fbcfec4d3b2f,0xe9b5dba58189dbbc
 316         .quad   0x3956c25bf348b538,0x59f111f1b605d019
 317         .quad   0x923f82a4af194f9b,0xab1c5ed5da6d8118
 318         .quad   0xd807aa98a3030242,0x12835b0145706fbe
 319         .quad   0x243185be4ee4b28c,0x550c7dc3d5ffb4e2
 320         .quad   0x72be5d74f27b896f,0x80deb1fe3b1696b1
 321         .quad   0x9bdc06a725c71235,0xc19bf174cf692694
 322         .quad   0xe49b69c19ef14ad2,0xefbe4786384f25e3
 323         .quad   0x0fc19dc68b8cd5b5,0x240ca1cc77ac9c65
 324         .quad   0x2de92c6f592b0275,0x4a7484aa6ea6e483
 325         .quad   0x5cb0a9dcbd41fbd4,0x76f988da831153b5
 326         .quad   0x983e5152ee66dfab,0xa831c66d2db43210
 327         .quad   0xb00327c898fb213f,0xbf597fc7beef0ee4
 328         .quad   0xc6e00bf33da88fc2,0xd5a79147930aa725
 329         .quad   0x06ca6351e003826f,0x142929670a0e6e70
 330         .quad   0x27b70a8546d22ffc,0x2e1b21385c26c926
 331         .quad   0x4d2c6dfc5ac42aed,0x53380d139d95b3df
 332         .quad   0x650a73548baf63de,0x766a0abb3c77b2a8
 333         .quad   0x81c2c92e47edaee6,0x92722c851482353b
 334         .quad   0xa2bfe8a14cf10364,0xa81a664bbc423001
 335         .quad   0xc24b8b70d0f89791,0xc76c51a30654be30
 336         .quad   0xd192e819d6ef5218,0xd69906245565a910
 337         .quad   0xf40e35855771202a,0x106aa07032bbd1b8
 338         .quad   0x19a4c116b8d2d0c8,0x1e376c085141ab53
 339         .quad   0x2748774cdf8eeb99,0x34b0bcb5e19b48a8
 340         .quad   0x391c0cb3c5c95a63,0x4ed8aa4ae3418acb
 341         .quad   0x5b9cca4f7763e373,0x682e6ff3d6b2b8a3
 342         .quad   0x748f82ee5defb2fc,0x78a5636f43172f60
 343         .quad   0x84c87814a1f0ab72,0x8cc702081a6439ec
 344         .quad   0x90befffa23631e28,0xa4506cebde82bde9
 345         .quad   0xbef9a3f7b2c67915,0xc67178f2e372532b
 346         .quad   0xca273eceea26619c,0xd186b8c721c0c207
 347         .quad   0xeada7dd6cde0eb1e,0xf57d4f7fee6ed178
 348         .quad   0x06f067aa72176fba,0x0a637dc5a2c898a6
 349         .quad   0x113f9804bef90dae,0x1b710b35131c471b
 350         .quad   0x28db77f523047d84,0x32caab7b40c72493
 351         .quad   0x3c9ebe0a15c9bebc,0x431d67c49c100d4c
 352         .quad   0x4cc5d4becb3e42b6,0x597f299cfc657e2a
 353         .quad   0x5fcb6fab3ad6faec,0x6c44198c4a475817
 354 ___
 355 }
 356
 357 $code =~ s/\`([^\`]*)\`/eval $1/gem;
 358 print $code;
 359 close STDOUT;