[CRYPTO] Ensure cit_iv is aligned correctly
[linux-2.6.git] / drivers / crypto / padlock-aes.c
1 /* 
2  * Cryptographic API.
3  *
4  * Support for VIA PadLock hardware crypto engine.
5  *
6  * Copyright (c) 2004  Michal Ludvig <michal@logix.cz>
7  *
8  * Key expansion routine taken from crypto/aes.c
9  *
10  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
11  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
12  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
13  * (at your option) any later version.
14  *
15  * ---------------------------------------------------------------------------
16  * Copyright (c) 2002, Dr Brian Gladman <brg@gladman.me.uk>, Worcester, UK.
17  * All rights reserved.
18  *
19  * LICENSE TERMS
20  *
21  * The free distribution and use of this software in both source and binary
22  * form is allowed (with or without changes) provided that:
23  *
24  *   1. distributions of this source code include the above copyright
25  *      notice, this list of conditions and the following disclaimer;
26  *
27  *   2. distributions in binary form include the above copyright
28  *      notice, this list of conditions and the following disclaimer
29  *      in the documentation and/or other associated materials;
30  *
31  *   3. the copyright holder's name is not used to endorse products
32  *      built using this software without specific written permission.
33  *
34  * ALTERNATIVELY, provided that this notice is retained in full, this product
35  * may be distributed under the terms of the GNU General Public License (GPL),
36  * in which case the provisions of the GPL apply INSTEAD OF those given above.
37  *
38  * DISCLAIMER
39  *
40  * This software is provided 'as is' with no explicit or implied warranties
41  * in respect of its properties, including, but not limited to, correctness
42  * and/or fitness for purpose.
43  * ---------------------------------------------------------------------------
44  */
45
46 #include <linux/module.h>
47 #include <linux/init.h>
48 #include <linux/types.h>
49 #include <linux/errno.h>
50 #include <linux/crypto.h>
51 #include <linux/interrupt.h>
52 #include <linux/kernel.h>
53 #include <asm/byteorder.h>
54 #include "padlock.h"
55
56 #define AES_MIN_KEY_SIZE        16      /* in uint8_t units */
57 #define AES_MAX_KEY_SIZE        32      /* ditto */
58 #define AES_BLOCK_SIZE          16      /* ditto */
59 #define AES_EXTENDED_KEY_SIZE   64      /* in uint32_t units */
60 #define AES_EXTENDED_KEY_SIZE_B (AES_EXTENDED_KEY_SIZE * sizeof(uint32_t))
61
62 struct aes_ctx {
63         uint32_t e_data[AES_EXTENDED_KEY_SIZE];
64         uint32_t d_data[AES_EXTENDED_KEY_SIZE];
65         struct {
66                 struct cword encrypt;
67                 struct cword decrypt;
68         } cword;
69         uint32_t *E;
70         uint32_t *D;
71         int key_length;
72 };
73
74 /* ====== Key management routines ====== */
75
76 static inline uint32_t
77 generic_rotr32 (const uint32_t x, const unsigned bits)
78 {
79         const unsigned n = bits % 32;
80         return (x >> n) | (x << (32 - n));
81 }
82
83 static inline uint32_t
84 generic_rotl32 (const uint32_t x, const unsigned bits)
85 {
86         const unsigned n = bits % 32;
87         return (x << n) | (x >> (32 - n));
88 }
89
90 #define rotl generic_rotl32
91 #define rotr generic_rotr32
92
93 /*
94  * #define byte(x, nr) ((unsigned char)((x) >> (nr*8))) 
95  */
96 static inline uint8_t
97 byte(const uint32_t x, const unsigned n)
98 {
99         return x >> (n << 3);
100 }
101
102 #define uint32_t_in(x) le32_to_cpu(*(const uint32_t *)(x))
103 #define uint32_t_out(to, from) (*(uint32_t *)(to) = cpu_to_le32(from))
104
105 #define E_KEY ctx->E
106 #define D_KEY ctx->D
107
108 static uint8_t pow_tab[256];
109 static uint8_t log_tab[256];
110 static uint8_t sbx_tab[256];
111 static uint8_t isb_tab[256];
112 static uint32_t rco_tab[10];
113 static uint32_t ft_tab[4][256];
114 static uint32_t it_tab[4][256];
115
116 static uint32_t fl_tab[4][256];
117 static uint32_t il_tab[4][256];
118
119 static inline uint8_t
120 f_mult (uint8_t a, uint8_t b)
121 {
122         uint8_t aa = log_tab[a], cc = aa + log_tab[b];
123
124         return pow_tab[cc + (cc < aa ? 1 : 0)];
125 }
126
127 #define ff_mult(a,b)    (a && b ? f_mult(a, b) : 0)
128
129 #define f_rn(bo, bi, n, k)                                      \
130     bo[n] =  ft_tab[0][byte(bi[n],0)] ^                         \
131              ft_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^               \
132              ft_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^               \
133              ft_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
134
135 #define i_rn(bo, bi, n, k)                                      \
136     bo[n] =  it_tab[0][byte(bi[n],0)] ^                         \
137              it_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^               \
138              it_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^               \
139              it_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
140
141 #define ls_box(x)                               \
142     ( fl_tab[0][byte(x, 0)] ^                   \
143       fl_tab[1][byte(x, 1)] ^                   \
144       fl_tab[2][byte(x, 2)] ^                   \
145       fl_tab[3][byte(x, 3)] )
146
147 #define f_rl(bo, bi, n, k)                                      \
148     bo[n] =  fl_tab[0][byte(bi[n],0)] ^                         \
149              fl_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^               \
150              fl_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^               \
151              fl_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
152
153 #define i_rl(bo, bi, n, k)                                      \
154     bo[n] =  il_tab[0][byte(bi[n],0)] ^                         \
155              il_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^               \
156              il_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^               \
157              il_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
158
159 static void
160 gen_tabs (void)
161 {
162         uint32_t i, t;
163         uint8_t p, q;
164
165         /* log and power tables for GF(2**8) finite field with
166            0x011b as modular polynomial - the simplest prmitive
167            root is 0x03, used here to generate the tables */
168
169         for (i = 0, p = 1; i < 256; ++i) {
170                 pow_tab[i] = (uint8_t) p;
171                 log_tab[p] = (uint8_t) i;
172
173                 p ^= (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
174         }
175
176         log_tab[1] = 0;
177
178         for (i = 0, p = 1; i < 10; ++i) {
179                 rco_tab[i] = p;
180
181                 p = (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
182         }
183
184         for (i = 0; i < 256; ++i) {
185                 p = (i ? pow_tab[255 - log_tab[i]] : 0);
186                 q = ((p >> 7) | (p << 1)) ^ ((p >> 6) | (p << 2));
187                 p ^= 0x63 ^ q ^ ((q >> 6) | (q << 2));
188                 sbx_tab[i] = p;
189                 isb_tab[p] = (uint8_t) i;
190         }
191
192         for (i = 0; i < 256; ++i) {
193                 p = sbx_tab[i];
194
195                 t = p;
196                 fl_tab[0][i] = t;
197                 fl_tab[1][i] = rotl (t, 8);
198                 fl_tab[2][i] = rotl (t, 16);
199                 fl_tab[3][i] = rotl (t, 24);
200
201                 t = ((uint32_t) ff_mult (2, p)) |
202                     ((uint32_t) p << 8) |
203                     ((uint32_t) p << 16) | ((uint32_t) ff_mult (3, p) << 24);
204
205                 ft_tab[0][i] = t;
206                 ft_tab[1][i] = rotl (t, 8);
207                 ft_tab[2][i] = rotl (t, 16);
208                 ft_tab[3][i] = rotl (t, 24);
209
210                 p = isb_tab[i];
211
212                 t = p;
213                 il_tab[0][i] = t;
214                 il_tab[1][i] = rotl (t, 8);
215                 il_tab[2][i] = rotl (t, 16);
216                 il_tab[3][i] = rotl (t, 24);
217
218                 t = ((uint32_t) ff_mult (14, p)) |
219                     ((uint32_t) ff_mult (9, p) << 8) |
220                     ((uint32_t) ff_mult (13, p) << 16) |
221                     ((uint32_t) ff_mult (11, p) << 24);
222
223                 it_tab[0][i] = t;
224                 it_tab[1][i] = rotl (t, 8);
225                 it_tab[2][i] = rotl (t, 16);
226                 it_tab[3][i] = rotl (t, 24);
227         }
228 }
229
230 #define star_x(x) (((x) & 0x7f7f7f7f) << 1) ^ ((((x) & 0x80808080) >> 7) * 0x1b)
231
232 #define imix_col(y,x)       \
233     u   = star_x(x);        \
234     v   = star_x(u);        \
235     w   = star_x(v);        \
236     t   = w ^ (x);          \
237    (y)  = u ^ v ^ w;        \
238    (y) ^= rotr(u ^ t,  8) ^ \
239           rotr(v ^ t, 16) ^ \
240           rotr(t,24)
241
242 /* initialise the key schedule from the user supplied key */
243
244 #define loop4(i)                                    \
245 {   t = rotr(t,  8); t = ls_box(t) ^ rco_tab[i];    \
246     t ^= E_KEY[4 * i];     E_KEY[4 * i + 4] = t;    \
247     t ^= E_KEY[4 * i + 1]; E_KEY[4 * i + 5] = t;    \
248     t ^= E_KEY[4 * i + 2]; E_KEY[4 * i + 6] = t;    \
249     t ^= E_KEY[4 * i + 3]; E_KEY[4 * i + 7] = t;    \
250 }
251
252 #define loop6(i)                                    \
253 {   t = rotr(t,  8); t = ls_box(t) ^ rco_tab[i];    \
254     t ^= E_KEY[6 * i];     E_KEY[6 * i + 6] = t;    \
255     t ^= E_KEY[6 * i + 1]; E_KEY[6 * i + 7] = t;    \
256     t ^= E_KEY[6 * i + 2]; E_KEY[6 * i + 8] = t;    \
257     t ^= E_KEY[6 * i + 3]; E_KEY[6 * i + 9] = t;    \
258     t ^= E_KEY[6 * i + 4]; E_KEY[6 * i + 10] = t;   \
259     t ^= E_KEY[6 * i + 5]; E_KEY[6 * i + 11] = t;   \
260 }
261
262 #define loop8(i)                                    \
263 {   t = rotr(t,  8); ; t = ls_box(t) ^ rco_tab[i];  \
264     t ^= E_KEY[8 * i];     E_KEY[8 * i + 8] = t;    \
265     t ^= E_KEY[8 * i + 1]; E_KEY[8 * i + 9] = t;    \
266     t ^= E_KEY[8 * i + 2]; E_KEY[8 * i + 10] = t;   \
267     t ^= E_KEY[8 * i + 3]; E_KEY[8 * i + 11] = t;   \
268     t  = E_KEY[8 * i + 4] ^ ls_box(t);    \
269     E_KEY[8 * i + 12] = t;                \
270     t ^= E_KEY[8 * i + 5]; E_KEY[8 * i + 13] = t;   \
271     t ^= E_KEY[8 * i + 6]; E_KEY[8 * i + 14] = t;   \
272     t ^= E_KEY[8 * i + 7]; E_KEY[8 * i + 15] = t;   \
273 }
274
275 /* Tells whether the ACE is capable to generate
276    the extended key for a given key_len. */
277 static inline int
278 aes_hw_extkey_available(uint8_t key_len)
279 {
280         /* TODO: We should check the actual CPU model/stepping
281                  as it's possible that the capability will be
282                  added in the next CPU revisions. */
283         if (key_len == 16)
284                 return 1;
285         return 0;
286 }
287
288 static inline struct aes_ctx *aes_ctx(void *ctx)
289 {
290         return (struct aes_ctx *)ALIGN((unsigned long)ctx, PADLOCK_ALIGNMENT);
291 }
292
293 static int
294 aes_set_key(void *ctx_arg, const uint8_t *in_key, unsigned int key_len, uint32_t *flags)
295 {
296         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(ctx_arg);
297         uint32_t i, t, u, v, w;
298         uint32_t P[AES_EXTENDED_KEY_SIZE];
299         uint32_t rounds;
300
301         if (key_len != 16 && key_len != 24 && key_len != 32) {
302                 *flags |= CRYPTO_TFM_RES_BAD_KEY_LEN;
303                 return -EINVAL;
304         }
305
306         ctx->key_length = key_len;
307
308         /*
309          * If the hardware is capable of generating the extended key
310          * itself we must supply the plain key for both encryption
311          * and decryption.
312          */
313         ctx->E = ctx->e_data;
314         ctx->D = ctx->e_data;
315
316         E_KEY[0] = uint32_t_in (in_key);
317         E_KEY[1] = uint32_t_in (in_key + 4);
318         E_KEY[2] = uint32_t_in (in_key + 8);
319         E_KEY[3] = uint32_t_in (in_key + 12);
320
321         /* Prepare control words. */
322         memset(&ctx->cword, 0, sizeof(ctx->cword));
323
324         ctx->cword.decrypt.encdec = 1;
325         ctx->cword.encrypt.rounds = 10 + (key_len - 16) / 4;
326         ctx->cword.decrypt.rounds = ctx->cword.encrypt.rounds;
327         ctx->cword.encrypt.ksize = (key_len - 16) / 8;
328         ctx->cword.decrypt.ksize = ctx->cword.encrypt.ksize;
329
330         /* Don't generate extended keys if the hardware can do it. */
331         if (aes_hw_extkey_available(key_len))
332                 return 0;
333
334         ctx->D = ctx->d_data;
335         ctx->cword.encrypt.keygen = 1;
336         ctx->cword.decrypt.keygen = 1;
337
338         switch (key_len) {
339         case 16:
340                 t = E_KEY[3];
341                 for (i = 0; i < 10; ++i)
342                         loop4 (i);
343                 break;
344
345         case 24:
346                 E_KEY[4] = uint32_t_in (in_key + 16);
347                 t = E_KEY[5] = uint32_t_in (in_key + 20);
348                 for (i = 0; i < 8; ++i)
349                         loop6 (i);
350                 break;
351
352         case 32:
353                 E_KEY[4] = uint32_t_in (in_key + 16);
354                 E_KEY[5] = uint32_t_in (in_key + 20);
355                 E_KEY[6] = uint32_t_in (in_key + 24);
356                 t = E_KEY[7] = uint32_t_in (in_key + 28);
357                 for (i = 0; i < 7; ++i)
358                         loop8 (i);
359                 break;
360         }
361
362         D_KEY[0] = E_KEY[0];
363         D_KEY[1] = E_KEY[1];
364         D_KEY[2] = E_KEY[2];
365         D_KEY[3] = E_KEY[3];
366
367         for (i = 4; i < key_len + 24; ++i) {
368                 imix_col (D_KEY[i], E_KEY[i]);
369         }
370
371         /* PadLock needs a different format of the decryption key. */
372         rounds = 10 + (key_len - 16) / 4;
373
374         for (i = 0; i < rounds; i++) {
375                 P[((i + 1) * 4) + 0] = D_KEY[((rounds - i - 1) * 4) + 0];
376                 P[((i + 1) * 4) + 1] = D_KEY[((rounds - i - 1) * 4) + 1];
377                 P[((i + 1) * 4) + 2] = D_KEY[((rounds - i - 1) * 4) + 2];
378                 P[((i + 1) * 4) + 3] = D_KEY[((rounds - i - 1) * 4) + 3];
379         }
380
381         P[0] = E_KEY[(rounds * 4) + 0];
382         P[1] = E_KEY[(rounds * 4) + 1];
383         P[2] = E_KEY[(rounds * 4) + 2];
384         P[3] = E_KEY[(rounds * 4) + 3];
385
386         memcpy(D_KEY, P, AES_EXTENDED_KEY_SIZE_B);
387
388         return 0;
389 }
390
391 /* ====== Encryption/decryption routines ====== */
392
393 /* These are the real call to PadLock. */
394 static inline void padlock_xcrypt_ecb(const u8 *input, u8 *output, void *key,
395                                       void *control_word, u32 count)
396 {
397         asm volatile ("pushfl; popfl");         /* enforce key reload. */
398         asm volatile (".byte 0xf3,0x0f,0xa7,0xc8"       /* rep xcryptecb */
399                       : "+S"(input), "+D"(output)
400                       : "d"(control_word), "b"(key), "c"(count));
401 }
402
403 static inline void padlock_xcrypt_cbc(const u8 *input, u8 *output, void *key,
404                                       u8 *iv, void *control_word, u32 count)
405 {
406         /* Enforce key reload. */
407         asm volatile ("pushfl; popfl");
408         /* rep xcryptcbc */
409         asm volatile (".byte 0xf3,0x0f,0xa7,0xd0"
410                       : "+S" (input), "+D" (output), "+a" (iv)
411                       : "d" (control_word), "b" (key), "c" (count));
412 }
413
414 static void
415 aes_encrypt(void *ctx_arg, uint8_t *out, const uint8_t *in)
416 {
417         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(ctx_arg);
418         padlock_xcrypt_ecb(in, out, ctx->E, &ctx->cword.encrypt, 1);
419 }
420
421 static void
422 aes_decrypt(void *ctx_arg, uint8_t *out, const uint8_t *in)
423 {
424         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(ctx_arg);
425         padlock_xcrypt_ecb(in, out, ctx->D, &ctx->cword.decrypt, 1);
426 }
427
428 static unsigned int aes_encrypt_ecb(const struct cipher_desc *desc, u8 *out,
429                                     const u8 *in, unsigned int nbytes)
430 {
431         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(crypto_tfm_ctx(desc->tfm));
432         padlock_xcrypt_ecb(in, out, ctx->E, &ctx->cword.encrypt,
433                            nbytes / AES_BLOCK_SIZE);
434         return nbytes & ~(AES_BLOCK_SIZE - 1);
435 }
436
437 static unsigned int aes_decrypt_ecb(const struct cipher_desc *desc, u8 *out,
438                                     const u8 *in, unsigned int nbytes)
439 {
440         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(crypto_tfm_ctx(desc->tfm));
441         padlock_xcrypt_ecb(in, out, ctx->D, &ctx->cword.decrypt,
442                            nbytes / AES_BLOCK_SIZE);
443         return nbytes & ~(AES_BLOCK_SIZE - 1);
444 }
445
446 static unsigned int aes_encrypt_cbc(const struct cipher_desc *desc, u8 *out,
447                                     const u8 *in, unsigned int nbytes)
448 {
449         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(crypto_tfm_ctx(desc->tfm));
450         padlock_xcrypt_cbc(in, out, ctx->E, desc->info, &ctx->cword.encrypt,
451                            nbytes / AES_BLOCK_SIZE);
452         return nbytes & ~(AES_BLOCK_SIZE - 1);
453 }
454
455 static unsigned int aes_decrypt_cbc(const struct cipher_desc *desc, u8 *out,
456                                     const u8 *in, unsigned int nbytes)
457 {
458         struct aes_ctx *ctx = aes_ctx(crypto_tfm_ctx(desc->tfm));
459         padlock_xcrypt_cbc(in, out, ctx->D, desc->info, &ctx->cword.decrypt,
460                            nbytes / AES_BLOCK_SIZE);
461         return nbytes & ~(AES_BLOCK_SIZE - 1);
462 }
463
464 static struct crypto_alg aes_alg = {
465         .cra_name               =       "aes",
466         .cra_flags              =       CRYPTO_ALG_TYPE_CIPHER,
467         .cra_blocksize          =       AES_BLOCK_SIZE,
468         .cra_ctxsize            =       sizeof(struct aes_ctx),
469         .cra_alignmask          =       PADLOCK_ALIGNMENT - 1,
470         .cra_module             =       THIS_MODULE,
471         .cra_list               =       LIST_HEAD_INIT(aes_alg.cra_list),
472         .cra_u                  =       {
473                 .cipher = {
474                         .cia_min_keysize        =       AES_MIN_KEY_SIZE,
475                         .cia_max_keysize        =       AES_MAX_KEY_SIZE,
476                         .cia_setkey             =       aes_set_key,
477                         .cia_encrypt            =       aes_encrypt,
478                         .cia_decrypt            =       aes_decrypt,
479                         .cia_encrypt_ecb        =       aes_encrypt_ecb,
480                         .cia_decrypt_ecb        =       aes_decrypt_ecb,
481                         .cia_encrypt_cbc        =       aes_encrypt_cbc,
482                         .cia_decrypt_cbc        =       aes_decrypt_cbc,
483                 }
484         }
485 };
486
487 int __init padlock_init_aes(void)
488 {
489         printk(KERN_NOTICE PFX "Using VIA PadLock ACE for AES algorithm.\n");
490
491         gen_tabs();
492         return crypto_register_alg(&aes_alg);
493 }
494
495 void __exit padlock_fini_aes(void)
496 {
497         crypto_unregister_alg(&aes_alg);
498 }