Add support for fancy AArch64 assembler code.
[catacomb] / symm / salsa20-arm64.S
diff --git a/symm/salsa20-arm64.S b/symm/salsa20-arm64.S
new file mode 100644 (file)
index 0000000..821548e
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,236 @@
+/// -*- mode: asm; asm-comment-char: ?/ -*-
+///
+/// Fancy SIMD implementation of Salsa20 for AArch64
+///
+/// (c) 2018 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"
+
+///--------------------------------------------------------------------------
+/// Main.code.
+
+       .arch   armv8-a
+       .text
+
+FUNC(salsa20_core_arm64)
+
+       // Arguments are in registers.
+       // w0 is the number of rounds to perform
+       // x1 points to the input matrix
+       // x2 points to the output matrix
+
+       // First job is to slurp the matrix into the SIMD registers.  The
+       // words have already been permuted conveniently to make them line up
+       // better for SIMD processing.
+       //
+       // The textbook arrangement of the matrix is this.
+       //
+       //      [C K K K]
+       //      [K C N N]
+       //      [T T C K]
+       //      [K K K C]
+       //
+       // But we've rotated the columns up so that the main diagonal with
+       // the constants on it end up in the first row, giving something more
+       // like
+       //
+       //      [C C C C]
+       //      [K T K K]
+       //      [T K K N]
+       //      [K K N K]
+       //
+       // so the transformation looks like this:
+       //
+       //      [ 0  1  2  3]           [ 0  5 10 15] (a, v4)
+       //      [ 4  5  6  7]    -->    [ 4  9 14  3] (b, v5)
+       //      [ 8  9 10 11]           [ 8 13  2  7] (c, v6)
+       //      [12 13 14 15]           [12  1  6 11] (d, v7)
+       //
+       // We need a copy for later.  Rather than waste time copying them by
+       // hand, we'll use the three-address nature of the instruction set.
+       // But this means that the main loop is offset by a bit.
+       ld1     {v0.4s-v3.4s}, [x1]
+
+       // Apply a column quarterround to each of the columns simultaneously,
+       // moving the results to their working registers.  Alas, there
+       // doesn't seem to be a packed word rotate, so we have to synthesize
+       // it.
+
+       // b ^= (a + d) <<<  7
+       add     v16.4s, v0.4s, v3.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #7
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #25
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v5.16b, v1.16b, v16.16b
+
+       // c ^= (b + a) <<<  9
+       add     v16.4s, v5.4s, v0.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #9
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #23
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v6.16b, v2.16b, v16.16b
+
+       // d ^= (c + b) <<< 13
+       add     v16.4s, v6.4s, v5.4s
+        ext    v5.16b, v5.16b, v5.16b, #12
+       shl     v17.4s, v16.4s, #13
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #19
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v7.16b, v3.16b, v16.16b
+
+       // a ^= (d + c) <<< 18
+       add     v16.4s, v7.4s, v6.4s
+        ext    v6.16b, v6.16b, v6.16b, #8
+        ext    v7.16b, v7.16b, v7.16b, #4
+       shl     v17.4s, v16.4s, #18
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #14
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v4.16b, v0.16b, v16.16b
+
+0:
+       // The transpose conveniently only involves reordering elements of
+       // individual rows, which can be done quite easily, and reordering
+       // the rows themselves, which is a trivial renaming.  It doesn't
+       // involve any movement of elements between rows.
+       //
+       //      [ 0  5 10 15]           [ 0  5 10 15] (a, v4)
+       //      [ 4  9 14  3]    -->    [ 1  6 11 12] (b, v7)
+       //      [ 8 13  2  7]           [ 2  7  8 13] (c, v6)
+       //      [12  1  6 11]           [ 3  4  9 14] (d, v5)
+       //
+       // The reorderings have been pushed upwards to reduce delays.
+       sub     w0, w0, #2
+
+       // Apply the row quarterround to each of the columns (yes!)
+       // simultaneously.
+
+       // b ^= (a + d) <<<  7
+       add     v16.4s, v4.4s, v5.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #7
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #25
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v7.16b, v7.16b, v16.16b
+
+       // c ^= (b + a) <<<  9
+       add     v16.4s, v7.4s, v4.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #9
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #23
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v6.16b, v6.16b, v16.16b
+
+       // d ^= (c + b) <<< 13
+       add     v16.4s, v6.4s, v7.4s
+        ext    v7.16b, v7.16b, v7.16b, #12
+       shl     v17.4s, v16.4s, #13
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #19
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v5.16b, v5.16b, v16.16b
+
+       // a ^= (d + c) <<< 18
+       add     v16.4s, v5.4s, v6.4s
+        ext    v6.16b, v6.16b, v6.16b, #8
+        ext    v5.16b, v5.16b, v5.16b, #4
+       shl     v17.4s, v16.4s, #18
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #14
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v4.16b, v4.16b, v16.16b
+
+       // We had to undo the transpose ready for the next loop.  Again, push
+       // back the reorderings to reduce latency.  Decrement the loop
+       // counter and see if we should go round again.
+       cbz     w0, 9f
+
+       // Do the first half of the next round because this loop is offset.
+
+       // b ^= (a + d) <<<  7
+       add     v16.4s, v4.4s, v7.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #7
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #25
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v5.16b, v5.16b, v16.16b
+
+       // c ^= (b + a) <<<  9
+       add     v16.4s, v5.4s, v4.4s
+       shl     v17.4s, v16.4s, #9
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #23
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v6.16b, v6.16b, v16.16b
+
+       // d ^= (c + b) <<< 13
+       add     v16.4s, v6.4s, v5.4s
+        ext    v5.16b, v5.16b, v5.16b, #12
+       shl     v17.4s, v16.4s, #13
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #19
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v7.16b, v7.16b, v16.16b
+
+       // a ^= (d + c) <<< 18
+       add     v16.4s, v7.4s, v6.4s
+        ext    v6.16b, v6.16b, v6.16b, #8
+        ext    v7.16b, v7.16b, v7.16b, #4
+       shl     v17.4s, v16.4s, #18
+       ushr    v16.4s, v16.4s, #14
+       orr     v16.16b, v16.16b, v17.16b
+       eor     v4.16b, v4.16b, v16.16b
+
+       b       0b
+
+       // Almost there.  Firstly the feedfoward addition.  Also, establish
+       // constants which will be useful later.
+9:     add     v0.4s, v0.4s, v4.4s             //  0,  5, 10, 15
+        movi   v16.2d, #0xffffffff             // = (-1, 0, -1, 0)
+        movi   d17, #-1                        // = (-1, -1, 0, 0)
+       add     v1.4s, v1.4s, v5.4s             //  4,  9, 14,  3
+       add     v2.4s, v2.4s, v6.4s             //  8, 13,  2,  7
+       add     v3.4s, v3.4s, v7.4s             // 12,  1,  6, 11
+
+       // Next we must undo the permutation which was already applied to the
+       // input.  The core trick is from Dan Bernstein's `armneon3'
+       // implementation, but with a lot of liposuction.
+        mov    v4.16b, v0.16b
+
+       // Sort out the columns by pairs.
+       bif     v0.16b, v3.16b, v16.16b         //  0,  1, 10, 11
+       bif     v3.16b, v2.16b, v16.16b         // 12, 13,  6,  7
+       bif     v2.16b, v1.16b, v16.16b         //  8,  9,  2,  3
+       bif     v1.16b, v4.16b, v16.16b         //  4,  5, 14, 15
+        mov    v4.16b, v0.16b
+        mov    v5.16b, v3.16b
+
+       // Now fix up the remaining discrepancies.
+       bif     v0.16b, v2.16b, v17.16b         //  0,  1,  2,  3
+       bif     v3.16b, v1.16b, v17.16b         // 12, 13, 14, 15
+       bif     v2.16b, v4.16b, v17.16b         //  8,  9, 10, 11
+       bif     v1.16b, v5.16b, v17.16b         //  4,  5,  6,  7
+
+       // And with that, we're done.
+       st1     {v0.4s-v3.4s}, [x2]
+       ret
+
+ENDFUNC
+
+///----- That's all, folks --------------------------------------------------