crypto/openssl/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;