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[catacomb] / symm / rijndael-arm-crypto.S
1 /// -*- mode: asm; asm-comment-char: ?/ -*-
2 ///
3 /// ARM crypto-extension-based implementation of Rijndael
4 ///
5 /// (c) 2016 Straylight/Edgeware
6 ///
7
8 ///----- Licensing notice ---------------------------------------------------
9 ///
10 /// This file is part of Catacomb.
11 ///
12 /// Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
13 /// it under the terms of the GNU Library General Public License as
14 /// published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
15 /// License, or (at your option) any later version.
16 ///
17 /// Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
18 /// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
19 /// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
20 /// GNU Library General Public License for more details.
21 ///
22 /// You should have received a copy of the GNU Library General Public
23 /// License along with Catacomb; if not, write to the Free
24 /// Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
25 /// MA 02111-1307, USA.
26
27 ///--------------------------------------------------------------------------
28 /// External definitions.
29
30 #include "config.h"
31 #include "asm-common.h"
32
33         .globl  F(abort)
34         .globl  F(rijndael_rcon)
35
36 ///--------------------------------------------------------------------------
37 /// Main code.
38
39         .arch   armv8-a
40         .fpu    crypto-neon-fp-armv8
41
42 /// The ARM crypto extension implements a little-endian version of AES
43 /// (though the manual doesn't actually spell this out and you have to
44 /// experiment), but Catacomb's internal interface presents as big-endian so
45 /// as to work better with things like GCM.  We therefore maintain the round
46 /// keys in little-endian form, and have to end-swap blocks in and out.
47 ///
48 /// For added amusement, the crypto extension doesn't implement the larger-
49 /// block versions of Rijndael, so we have to end-swap the keys if we're
50 /// preparing for one of those.
51
52         // Useful constants.
53         .equ    maxrounds, 16           // maximum number of rounds
54         .equ    maxblksz, 32            // maximum block size, in bytes
55         .equ    kbufsz, maxblksz*(maxrounds + 1) // size of a key-schedule buffer
56
57         // Context structure.
58         .equ    nr, 0                   // number of rounds
59         .equ    w, nr + 4               // encryption key words
60         .equ    wi, w + kbufsz          // decryption key words
61
62 ///--------------------------------------------------------------------------
63 /// Key setup.
64
65 FUNC(rijndael_setup_arm_crypto)
66
67         // Arguments:
68         //      r0 = pointer to context
69         //      r1 = block size in words
70         //      r2 = pointer to key material
71         //      r3 = key size in words
72
73         stmfd   sp!, {r4-r9, r14}
74
75         // The initial round key material is taken directly from the input
76         // key, so copy it over.  Unfortunately, the key material is not
77         // guaranteed to be aligned in any especially useful way, so we must
78         // sort this out.
79         add     r9, r0, #w
80         mov     r14, r3
81         ands    r6, r2, #3
82         beq     1f
83         mov     r6, r6, lsl #3
84         rsb     r7, r6, #32
85         bic     r2, r2, #3
86         ldr     r4, [r2], #4
87
88 0:      ldr     r5, [r2], #4
89         mov     r4, r4, lsr r6
90         orr     r4, r5, lsl r7
91         str     r4, [r9], #4
92         subs    r14, r14, #1
93         movhi   r4, r5
94         bhi     0b
95         b       9f
96
97 1:      ldr     r4, [r2], #4
98         str     r4, [r9], #4
99         subs    r14, r14, #1
100         bhi     1b
101
102         // Find out other useful things and prepare for the main loop.
103 9:      ldr     r7, [r0, #nr]           // number of rounds
104         mla     r2, r1, r7, r1          // total key size in words
105         leaextq r5, rijndael_rcon       // round constants
106         sub     r8, r2, r3              // minus what we've copied already
107         veor    q1, q1                  // all-zero register for the key
108         add     r8, r9, r8, lsl #2      // limit of the key buffer
109         mov     r12, #0                 // position in current cycle
110
111         // Main key expansion loop.  Dispatch according to the position in
112         // the cycle.
113 0:      ldr     r6, [r9, -r3, lsl #2]   // word from previous cycle
114         cmp     r12, #0                 // first word of the cycle?
115         beq     1f
116         cmp     r12, #4                 // fourth word of the cycle?
117         bne     2f
118         cmp     r3, #7                  // seven or eight words of key?
119         bcc     2f
120
121         // Fourth word of the cycle, seven or eight words of key.  We must do
122         // the byte substitution.
123         vdup.32 q0, r4
124         aese.8  q0, q1                  // effectively, just SubBytes
125         vmov.32 r4, d0[0]
126         b       2f
127
128         // First word of the cycle.  Byte substitution, rotation, and round
129         // constant.
130 1:      ldrb    r14, [r5], #1           // next round constant
131         ldr     r6, [r9, -r3, lsl #2]
132         vdup.32 q0, r4
133         aese.8  q0, q1                  // effectively, just SubBytes
134         vmov.32 r4, d0[0]
135         eor     r4, r14, r4, ror #8
136
137         // Common ending: mix in the word from the previous cycle and store.
138 2:      eor     r4, r4, r6
139         str     r4, [r9], #4
140
141         // Prepare for the next iteration.  If we're done, then stop; if
142         // we've finished a cycle then reset the counter.
143         add     r12, r12, #1
144         cmp     r9, r8
145         bcs     9f
146         cmp     r12, r3
147         movcs   r12, #0
148         b       0b
149
150         // Next job is to construct the decryption keys.  The keys for the
151         // first and last rounds don't need to be mangled, but the remaining
152         // ones do -- and they all need to be reordered too.
153         //
154         // The plan of action, then, is to copy the final encryption round's
155         // keys into place first, then to do each of the intermediate rounds
156         // in reverse order, and finally do the first round.
157         //
158         // Do all the heavy lifting with NEON registers.  The order we're
159         // doing this in means that it's OK if we read or write too much, and
160         // there's easily enough buffer space for the over-enthusiastic reads
161         // and writes because the context has space for 32-byte blocks, which
162         // is our maximum and an exact fit for two Q-class registers.
163 9:      add     r5, r0, #wi
164         add     r4, r0, #w
165         add     r4, r4, r2, lsl #2
166         sub     r4, r4, r1, lsl #2              // last round's keys
167
168         // Copy the last encryption round's keys.
169         teq     r1, #4
170         vldmiaeq r4, {d0, d1}
171         vldmiane r4, {d0-d3}
172         vstmiaeq r5, {d0, d1}
173         vstmiane r5, {d0-d3}
174
175         // Update the loop variables and stop if we've finished.
176 0:      sub     r4, r4, r1, lsl #2
177         add     r5, r5, r1, lsl #2
178         subs    r7, r7, #1
179         beq     9f
180
181         // Do another middle round's keys...
182         teq     r1, #4
183         vldmiaeq r4, {d0, d1}
184         vldmiane r4, {d0-d3}
185         aesimc.8 q0, q0
186         vstmiaeq r5, {d0, d1}
187         beq     0b
188         aesimc.8 q1, q1
189         vstmia  r5, {d0-d3}
190         b       0b
191
192         // Finally do the first encryption round.
193 9:      teq     r1, #4
194         vldmiaeq r4, {d0, d1}
195         vldmiane r4, {d0-d3}
196         vstmiaeq r5, {d0, d1}
197         vstmiane r5, {d0-d3}
198
199         // If the block size is not exactly four words then we must end-swap
200         // everything.  We can use fancy NEON toys for this.
201         beq     9f
202
203         // End-swap the encryption keys.
204         add     r1, r0, #w
205         bl      endswap_block
206
207         // And the decryption keys
208         add     r1, r0, #wi
209         bl      endswap_block
210
211         // All done.
212 9:      ldmfd   sp!, {r4-r9, pc}
213
214 endswap_block:
215         // End-swap R2 words starting at R1.  R1 is clobbered; R2 is not.
216         // It's OK to work in 16-byte chunks.
217         mov     r4, r2
218 0:      vldmia  r1, {d0, d1}
219         vrev32.8 q0, q0
220         vstmia  r1!, {d0, d1}
221         subs    r4, r4, #4
222         bhi     0b
223         bx      r14
224
225 ENDFUNC
226
227 ///--------------------------------------------------------------------------
228 /// Encrypting and decrypting blocks.
229
230 .macro  encdec  op, aes, mc, koff
231   FUNC(rijndael_\op\()_arm_crypto)
232
233         // Arguments:
234         //      r0 = pointer to context
235         //      r1 = pointer to input block
236         //      r2 = pointer to output block
237
238         // Set things up ready.
239         ldr     r3, [r0, #nr]
240         add     r0, r0, #\koff
241         vldmia  r1, {d0, d1}
242         vrev32.8 q0, q0
243
244         // Check the number of rounds and dispatch.
245         sub     r3, r3, #10
246         cmp     r3, #5
247         addlo   pc, pc, r3, lsl #2
248         callext F(abort)
249
250         b       10f
251         b       11f
252         b       12f
253         b       13f
254         b       14f
255
256         // Eleven rounds.
257 11:     vldmia  r0!, {d16, d17}
258         \aes\().8 q0, q8
259         \mc\().8 q0, q0
260         b       10f
261
262         // Twelve rounds.
263 12:     vldmia  r0!, {d16-d19}
264         \aes\().8 q0, q8
265         \mc\().8 q0, q0
266         \aes\().8 q0, q9
267         \mc\().8 q0, q0
268         b       10f
269
270         // Thirteen rounds.
271 13:     vldmia  r0!, {d16-d21}
272         \aes\().8 q0, q8
273         \mc\().8 q0, q0
274         \aes\().8 q0, q9
275         \mc\().8 q0, q0
276         \aes\().8 q0, q10
277         \mc\().8 q0, q0
278         b       10f
279
280         // Fourteen rounds.  (Drops through to the ten round case because
281         // this is the next most common.)
282 14:     vldmia  r0!, {d16-d23}
283         \aes\().8 q0, q8
284         \mc\().8 q0, q0
285         \aes\().8 q0, q9
286         \mc\().8 q0, q0
287         \aes\().8 q0, q10
288         \mc\().8 q0, q0
289         \aes\().8 q0, q11
290         \mc\().8 q0, q0
291         // Drop through...
292
293         // Ten rounds.
294 10:     vldmia  r0!, {d16-d25}
295         \aes\().8 q0, q8
296         \mc\().8 q0, q0
297         \aes\().8 q0, q9
298         \mc\().8 q0, q0
299         \aes\().8 q0, q10
300         \mc\().8 q0, q0
301         \aes\().8 q0, q11
302         \mc\().8 q0, q0
303         \aes\().8 q0, q12
304         \mc\().8 q0, q0
305
306         vldmia  r0!, {d16-d27}
307         \aes\().8 q0, q8
308         \mc\().8 q0, q0
309         \aes\().8 q0, q9
310         \mc\().8 q0, q0
311         \aes\().8 q0, q10
312         \mc\().8 q0, q0
313         \aes\().8 q0, q11
314         \mc\().8 q0, q0
315
316         // Final round has no MixColumns, but is followed by final whitening.
317         \aes\().8 q0, q12
318         veor    q0, q0, q13
319
320         // All done.
321         vrev32.8 q0, q0
322         vstmia  r2, {d0, d1}
323         bx      r14
324
325   ENDFUNC
326 .endm
327
328         encdec  eblk, aese, aesmc, w
329         encdec  dblk, aesd, aesimc, wi
330
331 ///----- That's all, folks --------------------------------------------------