freeswan/libdes/asm/readme

   1 First up, let me say I don't like writing in assembler.  It is not portable,
   2 dependant on the particular CPU architecture release and is generally a pig
   3 to debug and get right.  Having said that, the x86 architecture is probably
   4 the most important for speed due to number of boxes and since
   5 it appears to be the worst architecture to to get
   6 good C compilers for.  So due to this, I have lowered myself to do
   7 assembler for the inner DES routines in libdes :-).
   8
   9 The file to implement in assembler is des_enc.c.  Replace the following
  10 4 functions
  11 des_encrypt(DES_LONG data[2],des_key_schedule ks, int encrypt);
  12 des_encrypt2(DES_LONG data[2],des_key_schedule ks, int encrypt);
  13 des_encrypt3(DES_LONG data[2],des_key_schedule ks1,ks2,ks3);
  14 des_decrypt3(DES_LONG data[2],des_key_schedule ks1,ks2,ks3);
  15
  16 They encrypt/decrypt the 64 bits held in 'data' using
  17 the 'ks' key schedules.   The only difference between the 4 functions is that
  18 des_encrypt2() does not perform IP() or FP() on the data (this is an
  19 optimization for when doing triple DES and des_encrypt3() and des_decrypt3()
  20 perform triple des.  The triple DES routines are in here because it does
  21 make a big difference to have them located near the des_encrypt2 function
  22 at link time..
  23
  24 Now as we all know, there are lots of different operating systems running on
  25 x86 boxes, and unfortunately they normally try to make sure their assembler
  26 formating is not the same as the other peoples.
  27 The 4 main formats I know of are
  28 Microsoft       Windows 95/Windows NT
  29 Elf             Includes Linux and FreeBSD(?).
  30 a.out           The older Linux.
  31 Solaris         Same as Elf but different comments :-(.
  32
  33 Now I was not overly keen to write 4 different copies of the same code,
  34 so I wrote a few perl routines to output the correct assembler, given
  35 a target assembler type.  This code is ugly and is just a hack.
  36 The libraries are x86unix.pl and x86ms.pl.
  37 des586.pl, des686.pl and des-som[23].pl are the programs to actually
  38 generate the assembler.
  39
  40 So to generate elf assembler
  41 perl des-som3.pl elf >dx86-elf.s
  42 For Windows 95/NT
  43 perl des-som2.pl win32 >win32.asm
  44
  45 [ update 4 Jan 1996 ]
  46 I have added another way to do things.
  47 perl des-som3.pl cpp >dx86-cpp.s
  48 generates a file that will be included by dx86unix.cpp when it is compiled.
  49 To build for elf, a.out, solaris, bsdi etc,
  50 cc -E -DELF asm/dx86unix.cpp | as -o asm/dx86-elf.o
  51 cc -E -DSOL asm/dx86unix.cpp | as -o asm/dx86-sol.o
  52 cc -E -DOUT asm/dx86unix.cpp | as -o asm/dx86-out.o
  53 cc -E -DBSDI asm/dx86unix.cpp | as -o asm/dx86bsdi.o
  54 This was done to cut down the number of files in the distribution.
  55
  56 Now the ugly part.  I acquired my copy of Intels
  57 "Optimization's For Intel's 32-Bit Processors" and found a few interesting
  58 things.  First, the aim of the exersize is to 'extract' one byte at a time
  59 from a word and do an array lookup.  This involves getting the byte from
  60 the 4 locations in the word and moving it to a new word and doing the lookup.
  61 The most obvious way to do this is
  62 xor     eax,    eax                             # clear word
  63 movb    al,     cl                              # get low byte
  64 xor     edi     DWORD PTR 0x100+des_SP[eax]     # xor in word
  65 movb    al,     ch                              # get next byte
  66 xor     edi     DWORD PTR 0x300+des_SP[eax]     # xor in word
  67 shr     ecx     16
  68 which seems ok.  For the pentium, this system appears to be the best.
  69 One has to do instruction interleaving to keep both functional units
  70 operating, but it is basically very efficient.
  71
  72 Now the crunch.  When a full register is used after a partial write, eg.
  73 mov     al,     cl
  74 xor     edi,    DWORD PTR 0x100+des_SP[eax]
  75 386     - 1 cycle stall
  76 486     - 1 cycle stall
  77 586     - 0 cycle stall
  78 686     - at least 7 cycle stall (page 22 of the above mentioned document).
  79
  80 So the technique that produces the best results on a pentium, according to
  81 the documentation, will produce hideous results on a pentium pro.
  82
  83 To get around this, des686.pl will generate code that is not as fast on
  84 a pentium, should be very good on a pentium pro.
  85 mov     eax,    ecx                             # copy word
  86 shr     ecx,    8                               # line up next byte
  87 and     eax,    0fch                            # mask byte
  88 xor     edi     DWORD PTR 0x100+des_SP[eax]     # xor in array lookup
  89 mov     eax,    ecx                             # get word
  90 shr     ecx     8                               # line up next byte
  91 and     eax,    0fch                            # mask byte
  92 xor     edi     DWORD PTR 0x300+des_SP[eax]     # xor in array lookup
  93
  94 Due to the execution units in the pentium, this actually works quite well.
  95 For a pentium pro it should be very good.  This is the type of output
  96 Visual C++ generates.
  97
  98 There is a third option.  instead of using
  99 mov     al,     ch
 100 which is bad on the pentium pro, one may be able to use
 101 movzx   eax,    ch
 102 which may not incur the partial write penalty.  On the pentium,
 103 this instruction takes 4 cycles so is not worth using but on the
 104 pentium pro it appears it may be worth while.  I need access to one to
 105 experiment :-).
 106
 107 eric (20 Oct 1996)
 108
 109 22 Nov 1996 - I have asked people to run the 2 different version on pentium
 110 pros and it appears that the intel documentation is wrong.  The
 111 mov al,bh is still faster on a pentium pro, so just use the des586.pl
 112 install des686.pl
 113
 114 3 Dec 1996 - I added des_encrypt3/des_decrypt3 because I have moved these
 115 functions into des_enc.c because it does make a massive performance
 116 difference on some boxes to have the functions code located close to
 117 the des_encrypt2() function.
 118
 119 9 Jan 1997 - des-som2.pl is now the correct perl script to use for
 120 pentiums.  It contains an inner loop from
 121 Svend Olaf Mikkelsen <svolaf@inet.uni-c.dk> which does raw ecb DES calls at
 122 273,000 per second.  He had a previous version at 250,000 and the best
 123 I was able to get was 203,000.  The content has not changed, this is all
 124 due to instruction sequencing (and actual instructions choice) which is able
 125 to keep both functional units of the pentium going.
 126 We may have lost the ugly register usage restrictions when x86 went 32 bit
 127 but for the pentium it has been replaced by evil instruction ordering tricks.
 128
 129 13 Jan 1997 - des-som3.pl, more optimizations from Svend Olaf.
 130 raw DES at 281,000 per second on a pentium 100.
 131