Add support for AMD64 processors and Microsoft Windows.
[catacomb] / symm / chacha-x86ish-sse2.S
diff --git a/symm/chacha-x86ish-sse2.S b/symm/chacha-x86ish-sse2.S
new file mode 100644 (file)
index 0000000..f36bf90
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,260 @@
+/// -*- mode: asm; asm-comment-char: ?/ -*-
+///
+/// Fancy SIMD implementation of ChaCha
+///
+/// (c) 2015 Straylight/Edgeware
+///
+
+///----- Licensing notice ---------------------------------------------------
+///
+/// This file is part of Catacomb.
+///
+/// Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
+/// it under the terms of the GNU Library General Public License as
+/// published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
+/// License, or (at your option) any later version.
+///
+/// Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
+/// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+/// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+/// GNU Library General Public License for more details.
+///
+/// You should have received a copy of the GNU Library General Public
+/// License along with Catacomb; if not, write to the Free
+/// Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
+/// MA 02111-1307, USA.
+
+///--------------------------------------------------------------------------
+/// External definitions.
+
+#include "config.h"
+#include "asm-common.h"
+
+///--------------------------------------------------------------------------
+/// Local utilities.
+
+// Magic constants for shuffling.
+#define ROTL 0x93
+#define ROT2 0x4e
+#define ROTR 0x39
+
+///--------------------------------------------------------------------------
+/// Main code.
+
+       .arch pentium4
+       .section .text
+
+FUNC(chacha_core_x86ish_sse2)
+
+       // Initial setup.
+
+#if CPUFAM_X86
+       // Arguments come in on the stack, and will need to be collected.  We
+       // we can get away with just the scratch registers for integer work,
+       // but we'll run out of XMM registers and will need some properly
+       // aligned space which we'll steal from the stack.  I don't trust the
+       // stack pointer's alignment, so I'll have to mask the stack pointer,
+       // which in turn means I'll need to keep track of the old value.
+       // Hence I'm making a full i386-style stack frame here.
+       //
+       // The Windows and SysV ABIs are sufficiently similar that we don't
+       // need to worry about the differences here.
+
+#  define NR ecx
+#  define IN eax
+#  define OUT edx
+#  define SAVE0 xmm5
+#  define SAVE1 xmm6
+#  define SAVE2 xmm7
+#  define SAVE3 [esp]
+
+       push    ebp
+       mov     ebp, esp
+       sub     esp, 16
+       mov     IN, [ebp + 12]
+       mov     OUT, [ebp + 16]
+       and     esp, ~15
+       mov     NR, [ebp + 8]
+#endif
+
+#if CPUFAM_AMD64 && ABI_SYSV
+       // This is nice.  We have plenty of XMM registers, and the arguments
+       // are in useful places.  There's no need to spill anything and we
+       // can just get on with the code.
+
+#  define NR edi
+#  define IN rsi
+#  define OUT rdx
+#  define SAVE0 xmm5
+#  define SAVE1 xmm6
+#  define SAVE2 xmm7
+#  define SAVE3 xmm8
+#endif
+
+#if CPUFAM_AMD64 && ABI_WIN
+       // Arguments come in registers, but they're different between Windows
+       // and everyone else (and everyone else is saner).
+       //
+       // The Windows ABI insists that we preserve some of the XMM
+       // registers, but we want more than we can use as scratch space.  We
+       // only need to save a copy of the input for the feedforward at the
+       // end, so we might as well use memory rather than spill extra
+       // registers.  (We need an extra 8 bytes to align the stack.)
+
+#  define NR ecx
+#  define IN rdx
+#  define OUT r8
+#  define SAVE0 xmm5
+#  define SAVE1 [rsp +  0]
+#  define SAVE2 [rsp + 16]
+#  define SAVE3 [rsp + 32]
+
+       sub     rsp, 48 + 8
+#endif
+
+       // First job is to slurp the matrix into XMM registers.  Be careful:
+       // the input matrix isn't likely to be properly aligned.
+       //
+       //      [ 0  1  2  3] (a, xmm0)
+       //      [ 4  5  6  7] (b, xmm1)
+       //      [ 8  9 10 11] (c, xmm2)
+       //      [12 13 14 15] (d, xmm3)
+       movdqu  xmm0, [IN +  0]
+       movdqu  xmm1, [IN + 16]
+       movdqu  xmm2, [IN + 32]
+       movdqu  xmm3, [IN + 48]
+
+       // Take a copy for later.  This one is aligned properly, by
+       // construction.
+       movdqa  SAVE0, xmm0
+       movdqa  SAVE1, xmm1
+       movdqa  SAVE2, xmm2
+       movdqa  SAVE3, xmm3
+
+loop:
+       // Apply a column quarterround to each of the columns simultaneously.
+       // Alas, there doesn't seem to be a packed doubleword rotate, so we
+       // have to synthesize it.
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<= 16
+       paddd   xmm0, xmm1
+       pxor    xmm3, xmm0
+       movdqa  xmm4, xmm3
+       pslld   xmm3, 16
+       psrld   xmm4, 16
+       por     xmm3, xmm4
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<= 12
+       paddd   xmm2, xmm3
+       pxor    xmm1, xmm2
+       movdqa  xmm4, xmm1
+       pslld   xmm1, 12
+       psrld   xmm4, 20
+       por     xmm1, xmm4
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<=  8
+       paddd   xmm0, xmm1
+       pxor    xmm3, xmm0
+       movdqa  xmm4, xmm3
+       pslld   xmm3, 8
+       psrld   xmm4, 24
+       por     xmm3, xmm4
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<=  7
+       paddd   xmm2, xmm3
+       pshufd  xmm3, xmm3, ROTL
+       pxor    xmm1, xmm2
+       pshufd  xmm2, xmm2, ROT2
+       movdqa  xmm4, xmm1
+       pslld   xmm1, 7
+       psrld   xmm4, 25
+       por     xmm1, xmm4
+
+       // The not-quite-transpose conveniently only involves reordering
+       // elements of individual rows, which can be done quite easily.  It
+       // doesn't involve any movement of elements between rows, or even
+       // renaming of the rows.
+       //
+       //      [ 0  1  2  3]           [ 0  1  2  3] (a, xmm0)
+       //      [ 4  5  6  7]    -->    [ 5  6  7  4] (b, xmm1)
+       //      [ 8  9 10 11]           [10 11  8  9] (c, xmm2)
+       //      [12 13 14 15]           [15 12 13 14] (d, xmm3)
+       //
+       // The shuffles have quite high latency, so they've mostly been
+       // pushed upwards.  The remaining one can't be moved, though.
+       pshufd  xmm1, xmm1, ROTR
+
+       // Apply the diagonal quarterround to each of the columns
+       // simultaneously.
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<= 16
+       paddd   xmm0, xmm1
+       pxor    xmm3, xmm0
+       movdqa  xmm4, xmm3
+       pslld   xmm3, 16
+       psrld   xmm4, 16
+       por     xmm3, xmm4
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<= 12
+       paddd   xmm2, xmm3
+       pxor    xmm1, xmm2
+       movdqa  xmm4, xmm1
+       pslld   xmm1, 12
+       psrld   xmm4, 20
+       por     xmm1, xmm4
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<=  8
+       paddd   xmm0, xmm1
+       pxor    xmm3, xmm0
+       movdqa  xmm4, xmm3
+       pslld   xmm3, 8
+       psrld   xmm4, 24
+       por     xmm3, xmm4
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<=  7
+       paddd   xmm2, xmm3
+       pshufd  xmm3, xmm3, ROTR
+       pxor    xmm1, xmm2
+       pshufd  xmm2, xmm2, ROT2
+       movdqa  xmm4, xmm1
+       pslld   xmm1, 7
+       psrld   xmm4, 25
+       por     xmm1, xmm4
+
+       // Finally, finish off undoing the transpose, and we're done for this
+       // doubleround.  Again, most of this was done above so we don't have
+       // to wait for the shuffles.
+       pshufd  xmm1, xmm1, ROTL
+
+       // Decrement the loop counter and see if we should go round again.
+       sub     NR, 2
+       ja      loop
+
+       // Almost there.  Firstly, the feedforward addition.
+       paddd   xmm0, SAVE0
+       paddd   xmm1, SAVE1
+       paddd   xmm2, SAVE2
+       paddd   xmm3, SAVE3
+
+       // And now we write out the result.  This one won't be aligned
+       // either.
+       movdqu  [OUT +  0], xmm0
+       movdqu  [OUT + 16], xmm1
+       movdqu  [OUT + 32], xmm2
+       movdqu  [OUT + 48], xmm3
+
+       // Tidy things up.
+#if CPUFAM_X86
+       mov     esp, ebp
+       pop     ebp
+#endif
+#if CPUFAM_AMD64 && ABI_WIN
+       add     rsp, 48 + 8
+#endif
+
+       // And with that, we're done.
+       ret
+
+ENDFUNC
+
+///----- That's all, folks --------------------------------------------------