symm/gcm.c, symm/gcm-*.S, utils/gcm-ref: Replace one-bit shift with algebra.
[catacomb] / symm / gcm-arm-crypto.S
index 8861e60..d5a58f8 100644 (file)
        //          = SUM_{0<=i,j<n} u_i v_j t^{2n-2-(i+j)}
        //
        // which is almost the bit-reversal of u v, only it's shifted right
-       // by one place.  Oh, well: we'll have to shift it back later.
+       // by one place.  Putting this another way, what we have is actually
+       // the bit reversal of the product u v t.  We could get the correct
+       // answer (modulo p(t)) if we'd sneakily divided one of the operands
+       // by t before we started.  Conveniently, v is actually the secret
+       // value k set up by the GCM `mktable' function, so we can arrange to
+       // actually store k/t (mod p(t)) and then the product will come out
+       // correct (modulo p(t)) and we won't have anything more to worry
+       // about here.
        //
        // That was important to think about, but there's not a great deal to
        // do about it yet other than to convert what we've got from the
        // q8 =                         // (x_3; x_2)
        // q9 =                         // (x_1; x_0)
 
-       // Two-and-a-half problems remain.  The first is that this product is
-       // shifted left by one place, which is annoying.  Let's take care of
-       // that now.  Once this is done, we'll be properly in GCM's backwards
-       // bit-ordering.
+       // One-and-a-half problems remain.
        //
-       // The half a problem is that the result wants to have its 64-bit
-       // halves switched.  Here turns out to be the best place to arrange
-       // for that.
+       // The full-size problem is that the result needs to be reduced
+       // modulo p(t) = t^128 + t^7 + t^2 + t + 1.  Let R = t^128 = t^7 +
+       // t^2 + t + 1 in our field.  So far, we've calculated z_0 and z_1
+       // such that z_0 + z_1 R = u v using the identity R = t^128: now we
+       // must collapse the two halves of y together using the other
+       // identity R = t^7 + t^2 + t + 1.
        //
-       //                   q9                             q8
-       //      ,-------------.-------------.  ,-------------.-------------.
-       //      | 0  x_0-x_62 | x_63-x_126  |  | x_127-x_190 | x_191-x_254 |
-       //      `-------------^-------------'  `-------------^-------------'
-       //            d19           d18              d17           d16
-       //
-       // We start by shifting each 32-bit lane right (from GCM's point of
-       // view -- physically, left) by one place, which gives us this:
-       //
-       //                 low (q9)                      high (q8)
-       //      ,-------------.-------------.  ,-------------.-------------.
-       //      | x_0-x_62  0 |x_64-x_126 0 |  |x_128-x_190 0|x_192-x_254 0|
-       //      `-------------^-------------'  `-------------^-------------'
-       //            d19           d18              d17           d16
-       //
-       // but we've lost a bunch of bits.  We separately shift each lane
-       // left by 31 places to give us the bits we lost.
-       //
-       //                 low (q3)                      high (q2)
-       //      ,-------------.-------------.  ,-------------.-------------.
-       //      |    0...0    | 0...0  x_63 |  | 0...0 x_127 | 0...0 x_191 |
-       //      `-------------^-------------'  `-------------^-------------'
-       //                           d6              d5            d4
-       //
-       // Since we can address each of these pieces individually, putting
-       // them together is relatively straightforward.
-
-
-       vshr.u64 d6, d18, #63           // shifted left; just the carries
-       vshl.u64 q9, q9, #1             // shifted right, but dropped carries
-       vshr.u64 q2, q8, #63
-       vshl.u64 q8, q8, #1
-       vorr    d0, d19, d6             // y_0
-       vorr    d1, d18, d5             // y_1
-       vorr    d2, d17, d4             // y_2
-       vmov    d3, d16                 // y_3
-
-       // And the other one is that the result needs to be reduced modulo
-       // p(t) = t^128 + t^7 + t^2 + t + 1.  Let R = t^128 = t^7 + t^2 + t +
-       // 1 in our field.  So far, we've calculated z_0 and z_1 such that
-       // z_0 + z_1 R = u v using the identity R = t^128: now we must
-       // collapse the two halves of y together using the other identity R =
-       // t^7 + t^2 + t + 1.
-       //
-       // We do this by working on y_2 and y_3 separately, so consider y_i
-       // for i = 2 or 3.  Certainly, y_i t^{64i} = y_i R t^{64(i-2) =
-       // (t^7 + t^2 + t + 1) y_i t^{64(i-2)}, but we can't use that
+       // We do this by working on x_2 and x_3 separately, so consider x_i
+       // for i = 2 or 3.  Certainly, x_i t^{64i} = x_i R t^{64(i-2) =
+       // (t^7 + t^2 + t + 1) x_i t^{64(i-2)}, but we can't use that
        // directly without breaking up the 64-bit word structure.  Instead,
-       // we start by considering just y_i t^7 t^{64(i-2)}, which again
-       // looks tricky.  Now, split y_i = a_i + t^57 b_i, with deg a_i < 57;
+       // we start by considering just x_i t^7 t^{64(i-2)}, which again
+       // looks tricky.  Now, split x_i = a_i + t^57 b_i, with deg a_i < 57;
        // then
        //
-       //      y_i t^7 t^{64(i-2)} = a_i t^7 t^{64(i-2)} + b_i t^{64(i-1)}
+       //      x_i t^7 t^{64(i-2)} = a_i t^7 t^{64(i-2)} + b_i t^{64(i-1)}
        //
-       // We can similarly decompose y_i t^2 and y_i t into a pair of 64-bit
+       // We can similarly decompose x_i t^2 and x_i t into a pair of 64-bit
        // contributions to the t^{64(i-2)} and t^{64(i-1)} words, but the
        // splits are different.  This is lovely, with one small snag: when
-       // we do this to y_3, we end up with a contribution back into the
+       // we do this to x_3, we end up with a contribution back into the
        // t^128 coefficient word.  But notice that only the low seven bits
        // of this word are affected, so there's no knock-on contribution
        // into the t^64 word.  Therefore, if we handle the high bits of each
        // word together, and then the low bits, everything will be fine.
 
        // First, shift the high bits down.
-       vshl.u64 q2, q1, #63            // the b_i for t
-       vshl.u64 q3, q1, #62            // the b_i for t^2
-       vshl.u64 q8, q1, #57            // the b_i for t^7
+       vshl.u64 q2, q8, #63            // the b_i for t
+       vshl.u64 q3, q8, #62            // the b_i for t^2
+       vshl.u64 q0, q8, #57            // the b_i for t^7
        veor    q2, q2, q3              // add them all together
-       veor    q2, q2, q8
-       veor    d2, d2, d5              // contribution into low half
-       veor    d1, d1, d4              // and high half
+       veor    q2, q2, q0
+       veor    d18, d18, d5            // contribution into low half
+       veor    d17, d17, d4            // and high half
 
        // And then shift the low bits up.
-       vshr.u64 q2, q1, #1
-       vshr.u64 q3, q1, #2
-       vshr.u64 q8, q1, #7
-       veor    q0, q0, q1              // mix in the unit contribution
+       vshr.u64 q2, q8, #1
+       vshr.u64 q3, q8, #2
+       vshr.u64 q1, q8, #7
+       veor    q8, q8, q9              // mix in the unit contribution
        veor    q2, q2, q3              // t and t^2 contribs
-       veor    q0, q0, q8              // low, unit, and t^7 contribs
-       veor    q0, q0, q2              // mix them together and we're done
+       veor    q1, q1, q8              // low, unit, and t^7 contribs
+       veor    d1, d2, d4              // mix them together and swap halves
+       veor    d0, d3, d5
 .endm
 
 .macro mul64
        // The multiplication is thankfully easy.
        vmull.p64 q0, d0, d1            // u v
 
-       // Shift the product up by one place, and swap the two halves.  After
-       // this, we're in GCM bizarro-world.
-       vshr.u64 d2, d0, #63            // shifted left; just the carries
-       vshl.u64 d3, d1, #1             // low half right
-       vshl.u64 d1, d0, #1             // high half shifted right
-       vorr    d0, d3, d2              // mix in the carries
-
        // Now we must reduce.  This is essentially the same as the 128-bit
        // case above, but mostly simpler because everything is smaller.  The
        // polynomial this time is p(t) = t^64 + t^4 + t^3 + t + 1.
 
        // First, shift the high bits down.
-       vshl.u64 d2, d1, #63            // b_i for t
-       vshl.u64 d3, d1, #61            // b_i for t^3
-       vshl.u64 d4, d1, #60            // b_i for t^4
+       vshl.u64 d2, d0, #63            // b_i for t
+       vshl.u64 d3, d0, #61            // b_i for t^3
+       vshl.u64 d4, d0, #60            // b_i for t^4
        veor    d2, d2, d3              // add them all together
        veor    d2, d2, d4
-       veor    d1, d1, d2              // contribution back into high half
+       veor    d0, d0, d2              // contribution back into high half
 
        // And then shift the low bits up.
-       vshr.u64 d2, d1, #1
-       vshr.u64 d3, d1, #3
-       vshr.u64 d4, d1, #4
+       vshr.u64 d2, d0, #1
+       vshr.u64 d3, d0, #3
+       vshr.u64 d4, d0, #4
        veor    d0, d0, d1              // mix in the unit contribution
        veor    d2, d2, d3              // t and t^3 contribs
        veor    d0, d0, d4              // low, unit, and t^4
        // word.  Clobbers q1--q3, q8, q9.
 
        // This is an inconvenient size.  There's nothing for it but to do
-       // four multiplications, as if for the 128-bit case.  It's possible
-       // that there's cruft in the top 32 bits of the input registers, so
-       // shift both of them up by four bytes before we start.  This will
-       // mean that the high 64 bits of the result (from GCM's viewpoint)
-       // will be zero.
+       // four multiplications, as if for the 128-bit case.
        // q0 =                         // (u_0 + u_1 t^32; u_2)
        // q1 =                         // (v_0 + v_1 t^32; v_2)
        vmull.p64 q8, d1, d2            // u_2 (v_0 + v_1 t^32) = e_0
        veor    d0, d0, d17             // q0 = bot([d t^128] + e t^64 + f)
        veor    d3, d3, d16             // q1 = top(d t^128 + e t^64 + f)
 
-       // Shift the product right by one place (from GCM's point of view),
-       // but, unusually, don't swap the halves, because we need to work on
-       // the 32-bit pieces later.  After this, we're in GCM bizarro-world.
-       // q0 =                         // (?, x_2; x_1, x_0)
-       // q1 =                         // (0, x_5; x_4, x_3)
-       vshr.u64 d4, d0, #63            // carry from d0 to d1
-       vshr.u64 d5, d2, #63            // carry from d2 to d3
-       vshr.u32 d6, d3, #31            // carry from d3 to d0
-       vshl.u64 q0, q0, #1             // shift low half
-       vshl.u64 q1, q1, #1             // shift high half
-       vorr    d1, d1, d4
-       vorr    d0, d0, d6
-       vorr    d3, d3, d5
-
        // Finally, the reduction.  This is essentially the same as the
        // 128-bit case, except that the polynomial is p(t) = t^96 + t^10 +
        // t^9 + t^6 + 1.  The degrees are larger but not enough to cause
        veor    d19, d19, d24  //  q9 = // (x_3; x_2)
        veor    d20, d20, d25  // q10 = // (x_1; x_0)
 
-       // Shift the product right by one place (from GCM's point of view).
-       vshr.u64 q11, q8, #63           // carry from d16/d17 to d17/d18
-       vshr.u64 q12, q9, #63           // carry from d18/d19 to d19/d20
-       vshr.u64 d26, d20, #63          // carry from d20 to d21
-       vshl.u64 q8, q8, #1             // shift everything down
-       vshl.u64 q9, q9, #1
-       vshl.u64 q10, q10, #1
-       vorr    d17, d17, d22           // and mix in the carries
-       vorr    d18, d18, d23
-       vorr    d19, d19, d24
-       vorr    d20, d20, d25
-       vorr    d21, d21, d26
-
        // Next, the reduction.  Our polynomial this time is p(x) = t^192 +
        // t^7 + t^2 + t + 1.  Yes, the magic numbers are the same as the
        // 128-bit case.  I don't know why.
        veor    q9, q9, q12
        veor    q10, q10, q13
 
-       // Shift the product right by one place (from GCM's point of view).
-       vshr.u64 q0, q8, #63            // carry from d16/d17 to d17/d18
-       vshr.u64 q1, q9, #63            // carry from d18/d19 to d19/d20
-       vshr.u64 q2, q10, #63           // carry from d20/d21 to d21/d22
-       vshr.u64 d6, d22, #63           // carry from d22 to d23
-       vshl.u64 q8, q8, #1             // shift everyting down
-       vshl.u64 q9, q9, #1
-       vshl.u64 q10, q10, #1
-       vshl.u64 q11, q11, #1
-       vorr    d17, d17, d0
-       vorr    d18, d18, d1
-       vorr    d19, d19, d2
-       vorr    d20, d20, d3
-       vorr    d21, d21, d4
-       vorr    d22, d22, d5
-       vorr    d23, d23, d6
-
        // Now we must reduce.  This is essentially the same as the 192-bit
        // case above, but more complicated because everything is bigger.
        // The polynomial this time is p(t) = t^256 + t^10 + t^5 + t^2 + 1.