[WIP] xchacha20 SVP64 implementation using pypowersim wrapper
authorKonstantinos Margaritis <konstantinos.margaritis@vectorcamp.gr>
Sun, 12 Mar 2023 10:44:43 +0000 (10:44 +0000)
committerKonstantinos Margaritis <konstantinos.margaritis@vectorcamp.gr>
Sun, 12 Mar 2023 10:44:43 +0000 (10:44 +0000)
crypto/chacha20/Makefile
crypto/chacha20/src/xchacha20.c
crypto/chacha20/src/xchacha20_svp64.s [new file with mode: 0644]
crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.c [new file with mode: 0644]
crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.h [new file with mode: 0644]

index e356fa63309baf4d52f48b14d006899f5c1b009e..6978e8f15fc3a5f1b8ad45cd37333b8603a14263 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 # A simple Makefile, to build run: make all
-TARGET = test
+TARGET = test-chacha20
 
 CROSS ?= powerpc64le-linux-gnu-
 AS = $(CROSS)as
@@ -7,25 +7,26 @@ CC = $(CROSS)gcc
 LD = $(CROSS)ld
 
 #compiler flags here
-CFLAGS = -O3 -Wall -Wextra -static -mno-vsx -mno-altivec -DDUMP
+CFLAGS = -O -Wall -Wextra -mno-vsx -mno-altivec -DDUMP -I../../media/pypowersim_wrapper -I/usr/include/python3.7m
+
+# assembler flags here
+ASFLAGS= -mlibresoc -mregnames
 
 #linker flags here
-LDFLAGS = -Wall -static
+LDFLAGS = -Wall -pthread -lpython3.7m
 
 SRCDIR = src
 
-SOURCES        := $(SRCDIR)/xchacha20.c $(SRCDIR)/test.c
-INCLUDES       := $(wildcard $(SRCDIR)/*.h))
-OBJECTS        := $(SOURCES:$(SRCDIR)/%.c=$(SRCDIR)/%.o)
+CFILES := $(SRCDIR)/xchacha20.c $(SRCDIR)/test.c $(SRCDIR)/xchacha20_wrapper.c
+ASFILES := $(SRCDIR)/xchacha20_svp64.s
+INCLUDES := $(wildcard $(SRCDIR)/*.h))
+OBJECTS        := $(CFILES:$(SRCDIR)/%.c=$(SRCDIR)/%.o) $(ASFILES:$(SRCDIR)/%.s=$(SRCDIR)/%.o)
 
 .PHONY: all clean remove
 all: ${TARGET}
 
 $(TARGET): $(OBJECTS)
-       $(CC) -o $@ $(LDFLAGS) $(OBJECTS)
-
-$(OBJECTS): $(SRCDIR)/%.o : $(SRCDIR)/%.c
-       $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
+       $(CC) -o $@ $(OBJECTS) $(LDFLAGS)
 
 clean:
        $ rm -f $(OBJECTS)
index 27fb8f964dfef745d342a389866aa81ecb931b6d..cc8c0420e97b3f4a61a36fc810b756abcacfb82d 100644 (file)
@@ -10,6 +10,7 @@
 #include <stdlib.h>
 #include <stdint.h>
 #include "xchacha20.h"
+#include "xchacha20_wrapper.h"
 
 #include <stdio.h>
 
@@ -66,7 +67,7 @@ void xchacha_hchacha20(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k){
        x1 = 0x3320646e;
        x2 = 0x79622d32;
        x3 = 0x6b206574;
-
+    (void)k;
        x4  = U8TO32_LITTLE(k +  0);
        x5  = U8TO32_LITTLE(k +  4);
        x6  = U8TO32_LITTLE(k +  8);
@@ -80,7 +81,7 @@ void xchacha_hchacha20(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k){
        x14 = U8TO32_LITTLE(in +  8);
        x15 = U8TO32_LITTLE(in + 12);
 
-       for (i = 0; i < 10; i++){
+       //for (i = 0; i < 10; i++){
                QUARTERROUND(x0, x4,  x8, x12);
                QUARTERROUND(x1, x5,  x9, x13);
                QUARTERROUND(x2, x6, x10, x14);
@@ -89,7 +90,7 @@ void xchacha_hchacha20(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k){
                QUARTERROUND(x1, x6, x11, x12);
                QUARTERROUND(x2, x7,  x8, x13);
                QUARTERROUND(x3, x4,  x9, x14);
-       }
+       //}
 
        U32TO8_LITTLE(out +  0, x0);
        U32TO8_LITTLE(out +  4, x1);
@@ -117,7 +118,7 @@ void xchacha_keysetup(XChaCha_ctx *ctx, const uint8_t *k, uint8_t *iv){
         * We then use this sub-key and the last 8 bytes of the iv
         * as normal.
         */
-       xchacha_hchacha20(k2, iv, k);
+       xchacha_hchacha20_svp64(k2, iv, k);
 
 
        ctx->input[0] = 0x61707865;
diff --git a/crypto/chacha20/src/xchacha20_svp64.s b/crypto/chacha20/src/xchacha20_svp64.s
new file mode 100644 (file)
index 0000000..095362c
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,125 @@
+.set out_ptr, 3
+.set in_ptr, 4
+.set k_ptr, 5
+.set ctr, 7
+.set SHAPE0, 8
+.set SHAPE1, 12 
+.set SHAPE2, 16
+.set SHIFTS, 20
+.set x, 24
+
+.macro  lwi rD, const
+.if (\const >= -0x8000) && (\const <= 0x7fff)
+    li      \rD, \const
+.else
+    lis     \rD, \const@ha
+    ori     \rD, \rD, \const@l
+.endif
+.endm
+
+.macro  ldi rD, const
+.if (\const >= -0x80000000) && (\const <= 0x7fffffff)
+    lwi      \rD, \const
+.else
+    # load high word into the high word of rD
+    lis     \rD,\const@highest       # load msg bits 48-63 into rD bits 16-31
+    ori     \rD,\rD,\const@higher    # load msg bits 32-47 into rD bits  0-15
+
+    rldicr  \rD,\rD,32,31           # rotate r4's low word into rD's high word
+
+    # load low word into the low word of rD
+    oris    \rD,\rD,\const@h         # load msg bits 16-31 into rD bits 16-31
+    ori     \rD,\rD,\const@l         # load msg bits  0-15 into rD bits  0-15
+.endif
+.endm
+
+       .machine libresoc
+       .file   "xchacha20_svp64.s"
+       .abiversion 2
+       .section        ".text"
+       .align 2
+       .globl  xchacha_hchacha20_svp64_real
+       .type   xchacha_hchacha20_svp64_real, @function
+xchacha_hchacha20_svp64_real:
+.LFB0:
+       .cfi_startproc
+    # load x[0] = 0x61707865, x[1] = 0x3320646e
+    ldi                 x+0, 0x3320646e61707865
+    # load x[2] = 0x79622d32, x[3] = 0x6b206574
+    ldi                 x+1, 0x6b20657479622d32
+    # load SHAPE0 indices
+    ldi                 SHAPE0+0, 0x901090108000800
+    ldi                 SHAPE0+1, 0xb030b030a020a02
+    ldi                 SHAPE0+2, 0xb010b010a000a00
+    ldi                 SHAPE0+3, 0x903090308020802
+    # load SHAPE1 indices
+    ldi                 SHAPE1+0, 0xd050d050c040c04
+    ldi                 SHAPE1+1, 0xf070f070e060e06
+    ldi                 SHAPE1+2, 0xc060c060f050f05
+    ldi                 SHAPE1+3, 0xe040e040d070d07
+    # load SHAPE2 indices
+    ldi                 SHAPE2+0, 0x50d050d040c040c
+    ldi                 SHAPE2+1, 0x70f070f060e060e
+    ldi                 SHAPE2+2, 0x60c060c050f050f
+    ldi                 SHAPE2+3, 0x40e040e070d070d
+    #shift values
+    ldi                 SHIFTS+0, 0x0000000c00000010
+    ldi                 SHIFTS+1, 0x0000000700000008
+
+    # Load 8 values from k_ptr
+       setvl               0,0,4,0,1,1                     # Set VL to 8 elements
+    sv.ld               *x+2, 0(k_ptr)
+
+    # Load 4 values from in_ptr
+       setvl               0,0,2,0,1,1                     # Set VL to 4 elements
+    sv.ld               *x+6, 0(in_ptr)
+
+    # after this step, registers 16-32 hold the values that will be in the main loop
+    # establish CTR for outer round count
+    #li                  ctr, 10
+       #mtctr              ctr                                 # Set up counter
+
+    # outer loop begins here (standard CTR loop)
+    # set up VL=32 vertical-first, and SVSHAPEs 0-2
+    # vertical-first, set MAXVL (and r22)
+    setvl               22, 0, 16, 1, 0, 1
+    # SHAPE0, used by sv.add starts at GPR #8, need to offset those indices for x=24
+    svindex             4, 0, 1, 3, 0, 1, 0     # SVSHAPE0, a
+    # SHAPE1, used by sv.xor starts at GPR #12
+    svindex             6, 1, 1, 3, 0, 1, 0     # SVSHAPE1, b
+    # SHAPE2, used by sv.rldcl starts at GPR #16
+    svindex             8, 2, 1, 3, 0, 1, 0     # SVSHAPE2, c
+    # SHAPE3, used also by sv.rldcl to hold the shift values starts at GPR #20
+    # The inner loop will do 16 iterations, but there are only 4 shift values, so we mod 4
+    svshape2            0, 0, 3, 4, 0, 1        # SVSHAPE3, shift amount, mod 4
+    
+.outer:
+    # outer loop begins here (standard CTR loop)
+    setvl               22, 22, 16, 1, 1, 0     # vertical-first, set VL from r22
+    # inner loop begins here. add-xor-rotl32 with remap, step, branch
+.inner:
+    svremap             31, 1, 0, 0, 0, 0, 0    # RA=1, RB=0, RT=0 (0b01011)
+    sv.add/w=32         *x+24, *x+24, *x+24
+    svremap             31, 2, 0, 2, 2, 0, 0    # RA=2, RB=0, RS=2 (0b00111)
+    sv.xor/w=32         *x+24, *x+24, *x+24
+    svremap             31, 0, 3, 2, 2, 0, 0    # RA=2, RB=3, RS=2 (0b01110)
+    sv.rldcl/w=32       *x+24, *x+24, *SHIFTS, 0
+    svstep.             16, 1, 0                # step to next in-regs element
+    bc                  6, 3, .inner            # svstep. Rc=1 loop-end-condition?
+    # inner-loop done: outer loop standard CTR-decrement to setvl again
+       #bdnz               .outer                  # Loop until CTR is zero
+
+    # store x0-x3 directly to *out_ptr
+       setvl               0,0,2,0,1,1                     # Set VL to 4 elements
+    sv.std              *x, 0(out_ptr)
+    # store x12-x15 to *out_ptr + 16
+    sv.std              *x+6, 16(out_ptr)
+       blr
+       .long 0
+       .byte 0,0,0,0,0,3,0,0
+       .cfi_endproc
+
+.LFE0:
+       .size   xchacha_hchacha20_svp64_real,.-xchacha_hchacha20_svp64_real
+       .ident  "GCC: (Debian 8.3.0-6) 8.3.0"
+       .section        .note.GNU-stack,"",@progbits
diff --git a/crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.c b/crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..4fd7a4d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,105 @@
+#include <Python.h>
+#include <stdint.h>
+#include <stdio.h>
+
+#include "pypowersim_wrapper_common.h"
+#include "xchacha20_wrapper.h"
+#include "xchacha20.h"
+
+void xchacha_hchacha20_svp64(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k) {
+
+    uint8_t out2[32];
+    xchacha_hchacha20(out2, in, k);
+
+    // These cannot be the same pointer as the original function, as it is really a separate CPU/RAM
+    // we have to memcpy from input to this pointer, the address was chosen arbitrarily
+    uint64_t inptr_svp64  = 0x100000;
+    uint64_t outptr_svp64 = 0x200000;
+    uint64_t keyptr_svp64 = 0x300000;
+
+    // Create the pypowersim_state
+    pypowersim_state_t *state = pypowersim_prepare();
+
+    // Change the relevant elements, mandatory: body
+    state->binary = PyBytes_FromStringAndSize((const char *)&xchacha_hchacha20_svp64_real, 1000);
+    // Set GPR #3 to the output pointer
+    PyObject *out_address = PyLong_FromUnsignedLongLong(outptr_svp64);
+    PyList_SetItem(state->initial_regs, 3, out_address);
+
+    // Set GPR #4 to the input pointer
+    PyObject *in_address = PyLong_FromUnsignedLongLong(inptr_svp64);
+    PyList_SetItem(state->initial_regs, 4, in_address);
+
+    // Load data into buffer from real memory
+    for (int i=0; i < 16; i += 8) {
+      PyObject *svp64_address = PyLong_FromUnsignedLongLong(inptr_svp64 + i);
+      uint64_t *inptr64 = (uint64_t *) in;
+/*      printf("in[%d] \t: %p -> %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x\n", i, inptr64, in[i+0], in[i+1], in[i+2], in[i+3],
+                                                                             in[i+4], in[i+5], in[i+6], in[i+7]);
+
+      printf("val \t: %016lx -> %016lx\n", *inptr64, inptr_svp64 + i);*/
+      PyObject *word = PyLong_FromUnsignedLongLong(*inptr64);
+      PyDict_SetItem(state->initial_mem, svp64_address, word);
+      in += 8;
+    }
+
+    // Set GPR #5 to the key pointer
+    PyObject *key_address = PyLong_FromUnsignedLongLong(keyptr_svp64);
+    PyList_SetItem(state->initial_regs, 5, key_address);
+
+    // Load data into buffer from real memory
+    for (int i=0; i < 32; i += 8) {
+      PyObject *svp64_address = PyLong_FromUnsignedLongLong(keyptr_svp64 + i);
+      uint64_t *keyptr64 = (uint64_t *) k;
+/*      printf("k[%d] \t: %p -> %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x\n", i, keyptr64, k[i+0], k[i+1], k[i+2], k[i+3],
+                                                                             k[i+4], k[i+5], k[i+6], k[i+7]);
+
+      printf("val \t: %016lx -> %016lx\n", *keyptr64, keyptr_svp64 + i);*/
+      PyObject *word = PyLong_FromUnsignedLongLong(*keyptr64);
+      PyDict_SetItem(state->initial_mem, svp64_address, word);
+      k += 8;
+    }
+
+    // Prepare the arguments object for the call
+    pypowersim_prepareargs(state);
+
+    // Call the function and get the resulting object
+    state->result_obj = PyObject_CallObject(state->simulator, state->args);
+    if (!state->result_obj) {
+        PyErr_Print();
+        printf("Error invoking 'run_a_simulation'\n");
+        pypowersim_finalize(state);
+       exit(1);
+    }
+
+    PyObject *memobj = PyObject_GetAttrString(state->result_obj, "mem");
+    if (!memobj) {
+        PyErr_Print();
+        Py_DECREF(state->result_obj);
+        printf("Error getting mem object\n");
+    }
+
+    PyObject *mem = PyObject_GetAttrString(memobj, "mem");
+    if (!mem) {
+        PyErr_Print();
+        Py_DECREF(state->result_obj);
+        printf("Error getting mem dict\n");
+    }
+    uint64_t *outptr64 = (uint64_t *) out;
+    for (int i=0; i < 32; i += 8) {
+      PyObject *svp64_address = PyLong_FromUnsignedLongLong((outptr_svp64 + i)/8);
+      PyObject *pyval = PyDict_GetItem(mem, svp64_address);
+      uint64_t val = PyLong_AsUnsignedLongLong(pyval);
+      *outptr64 = val;
+      printf("out: %p -> %016lx\t val: %016lx -> %lx\n", outptr64, *outptr64, val, outptr_svp64 + i);
+      outptr64++;
+    }
+
+    for (int i=0; i < 32; i+= 8) {
+      printf("out[%d]  : %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x\n", i, out[i+0], out[i+1], out[i+2], out[i+3],
+                                                                        out[i+4], out[i+5], out[i+6], out[i+7]);
+      printf("out2[%d] : %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x %02x\n", i, out2[i+0], out2[i+1], out2[i+2], out2[i+3],
+                                                                        out2[i+4], out2[i+5], out2[i+6], out2[i+7]);
+
+    }
+}
diff --git a/crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.h b/crypto/chacha20/src/xchacha20_wrapper.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..717aaaf
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,4 @@
+#include <stdint.h>
+
+void xchacha_hchacha20_svp64_real(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k);
+void xchacha_hchacha20_svp64(uint8_t *out, const uint8_t *in, const uint8_t *k);