]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/commitdiff
crypto: arm/chacha - import Eric Biggers's scalar accelerated ChaCha code
authorArd Biesheuvel <ardb@kernel.org>
Fri, 8 Nov 2019 12:22:13 +0000 (13:22 +0100)
committerHerbert Xu <herbert@gondor.apana.org.au>
Sun, 17 Nov 2019 01:02:39 +0000 (09:02 +0800)
Signed-off-by: Ard Biesheuvel <ardb@kernel.org>
Signed-off-by: Herbert Xu <herbert@gondor.apana.org.au>
arch/arm/crypto/chacha-scalar-core.S [new file with mode: 0644]

diff --git a/arch/arm/crypto/chacha-scalar-core.S b/arch/arm/crypto/chacha-scalar-core.S
new file mode 100644 (file)
index 0000000..2140319
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,461 @@
+/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
+/*
+ * Copyright (C) 2018 Google, Inc.
+ */
+
+#include <linux/linkage.h>
+#include <asm/assembler.h>
+
+/*
+ * Design notes:
+ *
+ * 16 registers would be needed to hold the state matrix, but only 14 are
+ * available because 'sp' and 'pc' cannot be used.  So we spill the elements
+ * (x8, x9) to the stack and swap them out with (x10, x11).  This adds one
+ * 'ldrd' and one 'strd' instruction per round.
+ *
+ * All rotates are performed using the implicit rotate operand accepted by the
+ * 'add' and 'eor' instructions.  This is faster than using explicit rotate
+ * instructions.  To make this work, we allow the values in the second and last
+ * rows of the ChaCha state matrix (rows 'b' and 'd') to temporarily have the
+ * wrong rotation amount.  The rotation amount is then fixed up just in time
+ * when the values are used.  'brot' is the number of bits the values in row 'b'
+ * need to be rotated right to arrive at the correct values, and 'drot'
+ * similarly for row 'd'.  (brot, drot) start out as (0, 0) but we make it such
+ * that they end up as (25, 24) after every round.
+ */
+
+       // ChaCha state registers
+       X0      .req    r0
+       X1      .req    r1
+       X2      .req    r2
+       X3      .req    r3
+       X4      .req    r4
+       X5      .req    r5
+       X6      .req    r6
+       X7      .req    r7
+       X8_X10  .req    r8      // shared by x8 and x10
+       X9_X11  .req    r9      // shared by x9 and x11
+       X12     .req    r10
+       X13     .req    r11
+       X14     .req    r12
+       X15     .req    r14
+
+.Lexpand_32byte_k:
+       // "expand 32-byte k"
+       .word   0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574
+
+#ifdef __thumb2__
+#  define adrl adr
+#endif
+
+.macro __rev           out, in,  t0, t1, t2
+.if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
+       rev             \out, \in
+.else
+       lsl             \t0, \in, #24
+       and             \t1, \in, #0xff00
+       and             \t2, \in, #0xff0000
+       orr             \out, \t0, \in, lsr #24
+       orr             \out, \out, \t1, lsl #8
+       orr             \out, \out, \t2, lsr #8
+.endif
+.endm
+
+.macro _le32_bswap     x,  t0, t1, t2
+#ifdef __ARMEB__
+       __rev           \x, \x,  \t0, \t1, \t2
+#endif
+.endm
+
+.macro _le32_bswap_4x  a, b, c, d,  t0, t1, t2
+       _le32_bswap     \a,  \t0, \t1, \t2
+       _le32_bswap     \b,  \t0, \t1, \t2
+       _le32_bswap     \c,  \t0, \t1, \t2
+       _le32_bswap     \d,  \t0, \t1, \t2
+.endm
+
+.macro __ldrd          a, b, src, offset
+#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
+       ldrd            \a, \b, [\src, #\offset]
+#else
+       ldr             \a, [\src, #\offset]
+       ldr             \b, [\src, #\offset + 4]
+#endif
+.endm
+
+.macro __strd          a, b, dst, offset
+#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
+       strd            \a, \b, [\dst, #\offset]
+#else
+       str             \a, [\dst, #\offset]
+       str             \b, [\dst, #\offset + 4]
+#endif
+.endm
+
+.macro _halfround      a1, b1, c1, d1,  a2, b2, c2, d2
+
+       // a += b; d ^= a; d = rol(d, 16);
+       add             \a1, \a1, \b1, ror #brot
+       add             \a2, \a2, \b2, ror #brot
+       eor             \d1, \a1, \d1, ror #drot
+       eor             \d2, \a2, \d2, ror #drot
+       // drot == 32 - 16 == 16
+
+       // c += d; b ^= c; b = rol(b, 12);
+       add             \c1, \c1, \d1, ror #16
+       add             \c2, \c2, \d2, ror #16
+       eor             \b1, \c1, \b1, ror #brot
+       eor             \b2, \c2, \b2, ror #brot
+       // brot == 32 - 12 == 20
+
+       // a += b; d ^= a; d = rol(d, 8);
+       add             \a1, \a1, \b1, ror #20
+       add             \a2, \a2, \b2, ror #20
+       eor             \d1, \a1, \d1, ror #16
+       eor             \d2, \a2, \d2, ror #16
+       // drot == 32 - 8 == 24
+
+       // c += d; b ^= c; b = rol(b, 7);
+       add             \c1, \c1, \d1, ror #24
+       add             \c2, \c2, \d2, ror #24
+       eor             \b1, \c1, \b1, ror #20
+       eor             \b2, \c2, \b2, ror #20
+       // brot == 32 - 7 == 25
+.endm
+
+.macro _doubleround
+
+       // column round
+
+       // quarterrounds: (x0, x4, x8, x12) and (x1, x5, x9, x13)
+       _halfround      X0, X4, X8_X10, X12,  X1, X5, X9_X11, X13
+
+       // save (x8, x9); restore (x10, x11)
+       __strd          X8_X10, X9_X11, sp, 0
+       __ldrd          X8_X10, X9_X11, sp, 8
+
+       // quarterrounds: (x2, x6, x10, x14) and (x3, x7, x11, x15)
+       _halfround      X2, X6, X8_X10, X14,  X3, X7, X9_X11, X15
+
+       .set brot, 25
+       .set drot, 24
+
+       // diagonal round
+
+       // quarterrounds: (x0, x5, x10, x15) and (x1, x6, x11, x12)
+       _halfround      X0, X5, X8_X10, X15,  X1, X6, X9_X11, X12
+
+       // save (x10, x11); restore (x8, x9)
+       __strd          X8_X10, X9_X11, sp, 8
+       __ldrd          X8_X10, X9_X11, sp, 0
+
+       // quarterrounds: (x2, x7, x8, x13) and (x3, x4, x9, x14)
+       _halfround      X2, X7, X8_X10, X13,  X3, X4, X9_X11, X14
+.endm
+
+.macro _chacha_permute nrounds
+       .set brot, 0
+       .set drot, 0
+       .rept \nrounds / 2
+        _doubleround
+       .endr
+.endm
+
+.macro _chacha         nrounds
+
+.Lnext_block\@:
+       // Stack: unused0-unused1 x10-x11 x0-x15 OUT IN LEN
+       // Registers contain x0-x9,x12-x15.
+
+       // Do the core ChaCha permutation to update x0-x15.
+       _chacha_permute \nrounds
+
+       add             sp, #8
+       // Stack: x10-x11 orig_x0-orig_x15 OUT IN LEN
+       // Registers contain x0-x9,x12-x15.
+       // x4-x7 are rotated by 'brot'; x12-x15 are rotated by 'drot'.
+
+       // Free up some registers (r8-r12,r14) by pushing (x8-x9,x12-x15).
+       push            {X8_X10, X9_X11, X12, X13, X14, X15}
+
+       // Load (OUT, IN, LEN).
+       ldr             r14, [sp, #96]
+       ldr             r12, [sp, #100]
+       ldr             r11, [sp, #104]
+
+       orr             r10, r14, r12
+
+       // Use slow path if fewer than 64 bytes remain.
+       cmp             r11, #64
+       blt             .Lxor_slowpath\@
+
+       // Use slow path if IN and/or OUT isn't 4-byte aligned.  Needed even on
+       // ARMv6+, since ldmia and stmia (used below) still require alignment.
+       tst             r10, #3
+       bne             .Lxor_slowpath\@
+
+       // Fast path: XOR 64 bytes of aligned data.
+
+       // Stack: x8-x9 x12-x15 x10-x11 orig_x0-orig_x15 OUT IN LEN
+       // Registers: r0-r7 are x0-x7; r8-r11 are free; r12 is IN; r14 is OUT.
+       // x4-x7 are rotated by 'brot'; x12-x15 are rotated by 'drot'.
+
+       // x0-x3
+       __ldrd          r8, r9, sp, 32
+       __ldrd          r10, r11, sp, 40
+       add             X0, X0, r8
+       add             X1, X1, r9
+       add             X2, X2, r10
+       add             X3, X3, r11
+       _le32_bswap_4x  X0, X1, X2, X3,  r8, r9, r10
+       ldmia           r12!, {r8-r11}
+       eor             X0, X0, r8
+       eor             X1, X1, r9
+       eor             X2, X2, r10
+       eor             X3, X3, r11
+       stmia           r14!, {X0-X3}
+
+       // x4-x7
+       __ldrd          r8, r9, sp, 48
+       __ldrd          r10, r11, sp, 56
+       add             X4, r8, X4, ror #brot
+       add             X5, r9, X5, ror #brot
+       ldmia           r12!, {X0-X3}
+       add             X6, r10, X6, ror #brot
+       add             X7, r11, X7, ror #brot
+       _le32_bswap_4x  X4, X5, X6, X7,  r8, r9, r10
+       eor             X4, X4, X0
+       eor             X5, X5, X1
+       eor             X6, X6, X2
+       eor             X7, X7, X3
+       stmia           r14!, {X4-X7}
+
+       // x8-x15
+       pop             {r0-r7}                 // (x8-x9,x12-x15,x10-x11)
+       __ldrd          r8, r9, sp, 32
+       __ldrd          r10, r11, sp, 40
+       add             r0, r0, r8              // x8
+       add             r1, r1, r9              // x9
+       add             r6, r6, r10             // x10
+       add             r7, r7, r11             // x11
+       _le32_bswap_4x  r0, r1, r6, r7,  r8, r9, r10
+       ldmia           r12!, {r8-r11}
+       eor             r0, r0, r8              // x8
+       eor             r1, r1, r9              // x9
+       eor             r6, r6, r10             // x10
+       eor             r7, r7, r11             // x11
+       stmia           r14!, {r0,r1,r6,r7}
+       ldmia           r12!, {r0,r1,r6,r7}
+       __ldrd          r8, r9, sp, 48
+       __ldrd          r10, r11, sp, 56
+       add             r2, r8, r2, ror #drot   // x12
+       add             r3, r9, r3, ror #drot   // x13
+       add             r4, r10, r4, ror #drot  // x14
+       add             r5, r11, r5, ror #drot  // x15
+       _le32_bswap_4x  r2, r3, r4, r5,  r9, r10, r11
+         ldr           r9, [sp, #72]           // load LEN
+       eor             r2, r2, r0              // x12
+       eor             r3, r3, r1              // x13
+       eor             r4, r4, r6              // x14
+       eor             r5, r5, r7              // x15
+         subs          r9, #64                 // decrement and check LEN
+       stmia           r14!, {r2-r5}
+
+       beq             .Ldone\@
+
+.Lprepare_for_next_block\@:
+
+       // Stack: x0-x15 OUT IN LEN
+
+       // Increment block counter (x12)
+       add             r8, #1
+
+       // Store updated (OUT, IN, LEN)
+       str             r14, [sp, #64]
+       str             r12, [sp, #68]
+       str             r9, [sp, #72]
+
+         mov           r14, sp
+
+       // Store updated block counter (x12)
+       str             r8, [sp, #48]
+
+         sub           sp, #16
+
+       // Reload state and do next block
+       ldmia           r14!, {r0-r11}          // load x0-x11
+       __strd          r10, r11, sp, 8         // store x10-x11 before state
+       ldmia           r14, {r10-r12,r14}      // load x12-x15
+       b               .Lnext_block\@
+
+.Lxor_slowpath\@:
+       // Slow path: < 64 bytes remaining, or unaligned input or output buffer.
+       // We handle it by storing the 64 bytes of keystream to the stack, then
+       // XOR-ing the needed portion with the data.
+
+       // Allocate keystream buffer
+       sub             sp, #64
+       mov             r14, sp
+
+       // Stack: ks0-ks15 x8-x9 x12-x15 x10-x11 orig_x0-orig_x15 OUT IN LEN
+       // Registers: r0-r7 are x0-x7; r8-r11 are free; r12 is IN; r14 is &ks0.
+       // x4-x7 are rotated by 'brot'; x12-x15 are rotated by 'drot'.
+
+       // Save keystream for x0-x3
+       __ldrd          r8, r9, sp, 96
+       __ldrd          r10, r11, sp, 104
+       add             X0, X0, r8
+       add             X1, X1, r9
+       add             X2, X2, r10
+       add             X3, X3, r11
+       _le32_bswap_4x  X0, X1, X2, X3,  r8, r9, r10
+       stmia           r14!, {X0-X3}
+
+       // Save keystream for x4-x7
+       __ldrd          r8, r9, sp, 112
+       __ldrd          r10, r11, sp, 120
+       add             X4, r8, X4, ror #brot
+       add             X5, r9, X5, ror #brot
+       add             X6, r10, X6, ror #brot
+       add             X7, r11, X7, ror #brot
+       _le32_bswap_4x  X4, X5, X6, X7,  r8, r9, r10
+         add           r8, sp, #64
+       stmia           r14!, {X4-X7}
+
+       // Save keystream for x8-x15
+       ldm             r8, {r0-r7}             // (x8-x9,x12-x15,x10-x11)
+       __ldrd          r8, r9, sp, 128
+       __ldrd          r10, r11, sp, 136
+       add             r0, r0, r8              // x8
+       add             r1, r1, r9              // x9
+       add             r6, r6, r10             // x10
+       add             r7, r7, r11             // x11
+       _le32_bswap_4x  r0, r1, r6, r7,  r8, r9, r10
+       stmia           r14!, {r0,r1,r6,r7}
+       __ldrd          r8, r9, sp, 144
+       __ldrd          r10, r11, sp, 152
+       add             r2, r8, r2, ror #drot   // x12
+       add             r3, r9, r3, ror #drot   // x13
+       add             r4, r10, r4, ror #drot  // x14
+       add             r5, r11, r5, ror #drot  // x15
+       _le32_bswap_4x  r2, r3, r4, r5,  r9, r10, r11
+       stmia           r14, {r2-r5}
+
+       // Stack: ks0-ks15 unused0-unused7 x0-x15 OUT IN LEN
+       // Registers: r8 is block counter, r12 is IN.
+
+       ldr             r9, [sp, #168]          // LEN
+       ldr             r14, [sp, #160]         // OUT
+       cmp             r9, #64
+         mov           r0, sp
+       movle           r1, r9
+       movgt           r1, #64
+       // r1 is number of bytes to XOR, in range [1, 64]
+
+.if __LINUX_ARM_ARCH__ < 6
+       orr             r2, r12, r14
+       tst             r2, #3                  // IN or OUT misaligned?
+       bne             .Lxor_next_byte\@
+.endif
+
+       // XOR a word at a time
+.rept 16
+       subs            r1, #4
+       blt             .Lxor_words_done\@
+       ldr             r2, [r12], #4
+       ldr             r3, [r0], #4
+       eor             r2, r2, r3
+       str             r2, [r14], #4
+.endr
+       b               .Lxor_slowpath_done\@
+.Lxor_words_done\@:
+       ands            r1, r1, #3
+       beq             .Lxor_slowpath_done\@
+
+       // XOR a byte at a time
+.Lxor_next_byte\@:
+       ldrb            r2, [r12], #1
+       ldrb            r3, [r0], #1
+       eor             r2, r2, r3
+       strb            r2, [r14], #1
+       subs            r1, #1
+       bne             .Lxor_next_byte\@
+
+.Lxor_slowpath_done\@:
+       subs            r9, #64
+       add             sp, #96
+       bgt             .Lprepare_for_next_block\@
+
+.Ldone\@:
+.endm  // _chacha
+
+/*
+ * void chacha20_arm(u8 *out, const u8 *in, size_t len, const u32 key[8],
+ *                  const u32 iv[4]);
+ */
+ENTRY(chacha20_arm)
+       cmp             r2, #0                  // len == 0?
+       reteq           lr
+
+       push            {r0-r2,r4-r11,lr}
+
+       // Push state x0-x15 onto stack.
+       // Also store an extra copy of x10-x11 just before the state.
+
+       ldr             r4, [sp, #48]           // iv
+       mov             r0, sp
+       sub             sp, #80
+
+       // iv: x12-x15
+       ldm             r4, {X12,X13,X14,X15}
+       stmdb           r0!, {X12,X13,X14,X15}
+
+       // key: x4-x11
+       __ldrd          X8_X10, X9_X11, r3, 24
+       __strd          X8_X10, X9_X11, sp, 8
+       stmdb           r0!, {X8_X10, X9_X11}
+       ldm             r3, {X4-X9_X11}
+       stmdb           r0!, {X4-X9_X11}
+
+       // constants: x0-x3
+       adrl            X3, .Lexpand_32byte_k
+       ldm             X3, {X0-X3}
+       __strd          X0, X1, sp, 16
+       __strd          X2, X3, sp, 24
+
+       _chacha         20
+
+       add             sp, #76
+       pop             {r4-r11, pc}
+ENDPROC(chacha20_arm)
+
+/*
+ * void hchacha20_arm(const u32 state[16], u32 out[8]);
+ */
+ENTRY(hchacha20_arm)
+       push            {r1,r4-r11,lr}
+
+       mov             r14, r0
+       ldmia           r14!, {r0-r11}          // load x0-x11
+       push            {r10-r11}               // store x10-x11 to stack
+       ldm             r14, {r10-r12,r14}      // load x12-x15
+       sub             sp, #8
+
+       _chacha_permute 20
+
+       // Skip over (unused0-unused1, x10-x11)
+       add             sp, #16
+
+       // Fix up rotations of x12-x15
+       ror             X12, X12, #drot
+       ror             X13, X13, #drot
+         pop           {r4}                    // load 'out'
+       ror             X14, X14, #drot
+       ror             X15, X15, #drot
+
+       // Store (x0-x3,x12-x15) to 'out'
+       stm             r4, {X0,X1,X2,X3,X12,X13,X14,X15}
+
+       pop             {r4-r11,pc}
+ENDPROC(hchacha20_arm)