symm/: Add ARM NEON implementations of ChaCha and Salsa20.
[catacomb] / symm / chacha-arm-neon.S
diff --git a/symm/chacha-arm-neon.S b/symm/chacha-arm-neon.S
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5fb0073
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,183 @@
+/// -*- mode: asm; asm-comment-char: ?/ -*-
+///
+/// Fancy SIMD implementation of ChaCha for ARM
+///
+/// (c) 2016 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   armv7-a
+       .fpu    neon
+       .section .text
+
+FUNC(chacha_core_arm_neon)
+
+       // Arguments are in registers.
+       // r0 is the number of rounds to perform
+       // r1 points to the input matrix
+       // r2 points to the output matrix
+
+       // First job is to slurp the matrix into the SIMD registers.  vldm
+       // and vstm work on word-aligned data, so this is fine.
+       //
+       //      [ 0  1  2  3] (a, q8)
+       //      [ 4  5  6  7] (b, q9)
+       //      [ 8  9 10 11] (c, q10)
+       //      [12 13 14 15] (d, q11)
+       //
+       // 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.
+       vldmia  r1, {d24-d31}
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<= 16
+       vadd.u32 q8, q12, q13
+       veor    q11, q15, q8
+       vshl.u32 q0, q11, #16
+       vshr.u32 q11, q11, #16
+       vorr    q11, q11, q0
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<= 12
+       vadd.u32 q10, q14, q11
+       veor    q9, q13, q10
+       vshl.u32 q0, q9, #12
+       vshr.u32 q9, q9, #20
+       vorr    q9, q9, q0
+
+0:
+       // Apply (the rest of) a column quarterround to each of the columns
+       // simultaneously.  Alas, there doesn't seem to be a packed word
+       // rotate, so we have to synthesize it.
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<=  8
+       vadd.u32 q8, q8, q9
+       veor    q11, q11, q8
+       vshl.u32 q0, q11, #8
+       vshr.u32 q11, q11, #24
+       vorr    q11, q11, q0
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<=  7
+       vadd.u32 q10, q10, q11
+       vext.32 q11, q11, q11, #3
+       veor    q9, q9, q10
+       vext.32 q10, q10, q10, #2
+       vshl.u32 q0, q9, #7
+       vshr.u32 q9, q9, #25
+       vorr    q9, q9, q0
+
+       // 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, q8)
+       //      [ 4  5  6  7]    -->    [ 5  6  7  4] (b, q9)
+       //      [ 8  9 10 11]           [10 11  8  9] (c, q10)
+       //      [12 13 14 15]           [15 12 13 14] (d, q11)
+       //
+       // The reorderings have for the most part been pushed upwards to
+       // reduce delays.
+       vext.32 q9, q9, q9, #1
+
+       // Apply the diagonal quarterround to each of the columns
+       // simultaneously.
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<= 16
+       vadd.u32 q8, q8, q9
+       veor    q11, q11, q8
+       vshl.u32 q0, q11, #16
+       vshr.u32 q11, q11, #16
+       vorr    q11, q11, q0
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<= 12
+       vadd.u32 q10, q10, q11
+       veor    q9, q9, q10
+       vshl.u32 q0, q9, #12
+       vshr.u32 q9, q9, #20
+       vorr    q9, q9, q0
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<=  8
+       vadd.u32 q8, q8, q9
+       veor    q11, q11, q8
+       vshl.u32 q0, q11, #8
+       vshr.u32 q11, q11, #24
+       vorr    q11, q11, q0
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<=  7
+       vadd.u32 q10, q10, q11
+       vext.32 q11, q11, q11, #1
+       veor    q9, q9, q10
+       vext.32 q10, q10, q10, #2
+       vshl.u32 q0, q9, #7
+       vshr.u32 q9, q9, #25
+       vorr    q9, q9, q0
+
+       // 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 reorderings.
+       vext.32 q9, q9, q9, #3
+
+       // Decrement the loop counter and see if we should go round again.
+       subs    r0, r0, #2
+       bls     9f
+
+       // Do the first part of the next round because this loop is offset.
+
+       // a += b; d ^= a; d <<<= 16
+       vadd.u32 q8, q8, q9
+       veor    q11, q11, q8
+       vshl.u32 q0, q11, #16
+       vshr.u32 q11, q11, #16
+       vorr    q11, q11, q0
+
+       // c += d; b ^= c; b <<<= 12
+       vadd.u32 q10, q10, q11
+       veor    q9, q9, q10
+       vshl.u32 q0, q9, #12
+       vshr.u32 q9, q9, #20
+       vorr    q9, q9, q0
+
+       b       0b
+
+       // Almost there.  Firstly the feedfoward addition.
+9:     vadd.u32 q8, q8, q12
+       vadd.u32 q9, q9, q13
+       vadd.u32 q10, q10, q14
+       vadd.u32 q11, q11, q15
+
+       // And now we write out the result.
+       vstmia  r2, {d16-d23}
+
+       // And with that, we're done.
+       bx      r14
+
+ENDFUNC
+
+///----- That's all, folks --------------------------------------------------