内联汇编的妙用_全国大学生集成电路创新创业大赛_RISC-V论坛讨论

【分享】内联汇编的妙用

一、问题描述

AES加密模式中，有一种CTR模式，其流程如下图：

加密时，除了明文和密钥外，还需要一个初始向量COUNTER1，将其加密的结果和明文异或，即可得到密文；下一块明文加密时，COUNTER1加1得到COUNTER2。详情可以查看博文AES的五种加密模式。

以下是我用拓展指令集在AES加速的CTR模式代码，测试的了三块数据，初始向量vi=“0102030405060708”(128bit)，但编译之后，加密的结果只有第一块正确，其余两块不正确，vivado查看波形，发现三次的COUNTER没有改变，但最后COUNTER的结果确实加了3，到底是为什么？

int NICE_aesEncrypt_ctr(const uint8_t *key, uint32_t keyLen, const uint8_t *vi, 
    const uint8_t *pt, uint8_t *ct, uint32_t len) 
{
    //拷贝初始向量
    uint8_t *counter =(char*)malloc(sizeof(char)*16);
    memcpy(counter, vi, keyLen);

    uint8_t *pos = ct;
    for(int i=0; i<len; i+=BLOCKSIZE){
        NICE_loadkey((int)key);         //加载密钥
        NICE_loadstate((int)counter);   //加载counter
        NICE_encrypt();                 //加密
        NICE_xorvi((int)pt);            //明文异或
        NICE_storestate((int)pos);      //保存密文
        pos +=BLOCKSIZE;                //下一个密文位置
        pt  +=BLOCKSIZE;                //下一个明文位置
        counter[15]+= 1;                //计数器加1
    }
    return 0;
}

二、找bug

代码编译的时候，我采用的是-O2或-O3，在编译器看来，代码中NICE_loadstate((int)counter)①和counter[15]+= 1②的counter似乎没有数据冲突，因此编译器做循环展开优化的时候，会分开独立运行这两条指令，所以三块的输入向量没有依次累加，但最后counter连续加了3下。以三个数据块为例，原本的执行顺序是①②①②①②，编译优化后的顺序是①①①②②②，这样得到的结果显然不对。

三、Debug

1、不优化（结果正确）

那么如何让编译器“笨”一些呢，我首先采用的是不加优化，结果确实按顺序累加，结果正确。但总觉得不太爽，毕竟-O2优化非常常用，这里不用，其他地方也得用，不加优化不是长远之计。

2、利用数据相关性（失败）

既然编译器认为数据不相关，那么能不能加些东西，让它数据相关，于是借助循环变量i，做累加操作，但结果还是不对。

3、内联汇编（结果正确）

一觉醒来，突然想到内联汇编，决定一试：既然编译器不能如我所愿，那可以把想要的部分先自己编译。各种架构在线编译平台
稍微做一些调整，将+1的操作移到前面，不然要写好多汇编...

int NICE_aesEncrypt_ctr(const uint8_t *key, uint32_t keyLen, const uint8_t *vi, 
    const uint8_t *pt, uint8_t *ct, uint32_t len) 
{  //拷贝初始向量
    uint8_t *counter =(char*)malloc(sizeof(char)*16);
    memcpy(counter, vi, keyLen);
    uint8_t *pos = ct;

    int zero=0;
    counter[15]-=1;  //预先处理
    for(int i=0; i<len; i+=BLOCKSIZE){
        NICE_loadkey((int)key);
        __asm__ __volatile__(
                "  lb x10,15(%[src1]) \n\t"  //以下三条完成+1操作
                "  addi x10,x10,1     \n\t"
                "  sb x10,15(%[src1]) \n\t"
                "  .insn r 0x7b,2,0x12,x0,%[src1],x0 \n\t"  //加载counter
                  :"=r"(zero)
                  :[src1]"r"(counter)
        );
        NICE_encrypt();
        NICE_xorvi((int)pt);
        NICE_storestate((int)pos);
        pos +=BLOCKSIZE;
        pt  +=BLOCKSIZE;
    }
    return 0;
}