痞子衡嵌入式：对比MbedTLS算法库纯软件实现与i.MXRT上DCP,CAAM硬件加速器实现性能差异

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是MbedTLS算法库纯软件实现与i.MXRT上DCP,CAAM硬件加速器实现性能差异。

　　近期有 i.MXRT 客户在集成 OTA SBL 项目去实现产品的 2nd bootloader 时遇到了 MbedTLS 库算法性能问题，客户想知道 MbedTLS 纯软件实现和使用 i.MXRT 芯片里的硬件加速器实现，在性能上差距有多大。借着客户这个问题，我们今天就在 i.MXRT 上实测看一下两个方式的性能差异。

　　客户使用的是 i.MXRT1170，这个型号上的硬件加速器是 CAAM，相比前一代架构 i.MXRT10xx 系列上的 DCP 有升级，我们今天把 DCP 和 CAAM 同时测一下。

一、mbedtls算法库简介

　　MbedTLS（前身 PolarSSL）是一个开源的 SSL/TLS 算法库，最早由 ARM 公司开源和维护，现在已经移交 TrustedFirmware 社区维护。MbedTLS 开源仓库地址为：

  • 项目地址：https://github.com/ARMmbed/mbedtls

　　MbedTLS 代码由 C 语言写成，其以最小的编码占用空间实现了 SSL/TLS 功能及各种加密算法，易于理解、使用、集成和扩展，方便开发人员轻松地在嵌入式产品中使用 SSL/TLS 功能。

　　MbedTLS 软件包主要提供了如下支持:

1. 完整的 SSL v3、TLS v1.0、TLS v1.1 和 TLS v1.2 协议实现
2. X.509 证书处理
3. 基于 TCP 的 TLS 传输加密
4. 基于 UDP 的 DTLS（Datagram TLS）传输加密
5. 其它加解密库实现

二、i.MXRT上的硬件加速器简介

2.1 i.MXRT10xx系列上的DCP

　　DCP 是 Data Co-Processor 的简称，从名字上看是个通用数据协处理器。在 i.MXRT1060 Security Reference Manual 中有一张系统整体安全架构简图，这个简图中标出了 DCP 模块的主要功能：CRC-32算法、AES算法、Hash算法、类DMA数据搬移。关于进一步用法，见痞子衡两篇旧文 《i.MXRT10xx DCP使用时密钥注意事项》、《i.MXRT10xx DCP使用时Cache注意事项》 。

2.2 i.MXRT11xx系列上的CAAM

　　CAAM 是 Cryptographic Acceleration and Assurance Module 的简称，是个超全功能的安全算法加速器。在 i.MXRT1170 Security Reference Manual 中有一张系统整体安全架构简图，这个简图中标出了 CAAM 模块的主要功能，其在 DCP 已有功能上做了进一步扩展，丰富了算法支持。

三、对比常见算法的软硬件实现性能差异

3.1 官方SDK例程简介

　　想要在 MCU 上跑 MbedTLS 算法，正常是需要先移植 MbedTLS 源码的。但是恩智浦 i.MXRT 官方 SDK 包里已经做好了移植，源码就放在 SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVKmiddlewarembedtls 下面，所以我们省去了移植步骤。注：在 SDK 2.11 版本里移植的是 MbedTLS 2.27.0。

　　此外官方 SDK 里还提供给了如下两个关于 MbedTLS 的基础例程，其中 mbedtls_selftest 是遍历全部算法，检测算法执行正确性；mbedtls_benchmark 则是提供全部算法的实际运行性能数据（编解码速率 KB/s）。

SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVKoardsevkmimxrt1xxxmbedtls_examplesmbedtls_selftest
SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVKoardsevkmimxrt1xxxmbedtls_examplesmbedtls_benchmark

3.2 在i.MXRT1060上实测

　　我们现在在 MIMXRT1060-EVK 板子上实测算法性能，就用 mbedtls_benchmark 例程，选择 debug build，即让代码跑在 TCM 里，这样可以达到最好性能，不让存储器性能成瓶颈从而影响算法性能数据。此外 i.MXRT1060 内核频率也是配到了最高 600MHz。

　　mbedtls_benchmark 例程默认是启用硬件加速器 DCP 来实现算法的，因为我们要对比 MbedTLS 纯软件实现和 DCP 硬件实现性能差异，所以在测试纯软件方式时需要在工程源文件 MIMXRT1062_features.h 里将下面这个宏临时设为 0，这时候工程可能会编译不通过（代码链在 128KB ITCM 里），因为纯软件方式代码相比硬件驱动方式代码要大得多，此时可以在 benchmark.c 或者 ksdk_mbedtls_config.h 注释掉一些算法执行来减少最终代码体（保留你感兴趣的算法）。

/* @brief DCP availability on the SoC. */
#define FSL_FEATURE_SOC_DCP_COUNT (0)

　　算法性能数据跟 IDE 以及编译优化选项也有关系，我们这里选择了 IAR，优化选项分别测试了 None 以及 High Speed，No Size constraints 两种，因为算法特别多，我们就摘比较常用的 SHA 和 AES，其对比结果如下：

测试算法项

测试结果(IAR v9.10)

Opt-None

SW-mbedtls

Opt-HighSpeed

SW-mbedtls

Opt-None

HW-DCP

Opt-HighSpeed

HW-DCP

SHA-1

15967.90 KB/s

36.02 cycles/byte

19260.52 KB/s

30.13 cycles/byte

55207.68 KB/s

10.09 cycles/byte

66164.77 KB/s

8.54 cycles/byte

SHA-256

6141.10 KB/s

94.83 cycles/byte

15473.87 KB/s

37.57 cycles/byte

60976.40 KB/s

9.09 cycles/byte

74910.71 KB/s

7.51 cycles/byte

SHA-512

4723.55 KB/s

123.51 cycles/byte

7428.60 KB/s

78.55 cycles/byte

4720.28 KB/s

123.61 cycles/byte

7430.49 KB/s

78.56 cycles/byte

AES-CBC-128

6731.48 KB/s

86.55 cycles/byte

10957.42 KB/s

53.18 cycles/byte

58411.12 KB/s

9.52 cycles/byte

61560.47 KB/s

9.17 cycles/byte

3.3 在i.MXRT1170上实测

　　与上一节同样的方法，在 MIMXRT1170-EVK 板子上也测一下，同样 mbedtls_benchmark 例程 debug build，注意 i.MXRT1170 是双核芯片，我们在 Cortex-M7 下做测试，将内核频率配到最高 996MHz。

　　测试 i.MXRT1170 上纯软件方式时仅需要在工程选项预编译宏里将 CRYPTO_USE_DRIVER_CAAM 去掉即可，当然也可以在 MIMXRT1176_cm7_features.h 里将下面这个宏临时设为 0，这时候没有代码空间顾虑，i.MXRT1170 上默认 ITCM 是 256KB。最终测试结果如下：

/* @brief CAAM availability on the SoC. */
#define FSL_FEATURE_SOC_CAAM_COUNT (0)

测试算法项

测试结果(IAR v9.10)

Opt-None

SW-mbedtls

Opt-HighSpeed

SW-mbedtls

Opt-None

HW-CAAM

Opt-HighSpeed

HW-CAAM

SHA-1

13156.48 KB/s

72.45 cycles/byte

14298.92 KB/s

66.73 cycles/byte

20981.07 KB/s

44.78 cycles/byte

27023.34 KB/s

34.61 cycles/byte

SHA-256

7206.51 KB/s

133.46 cycles/byte

12208.04 KB/s

78.36 cycles/byte

20970.20 KB/s

44.84 cycles/byte

27007.46 KB/s

34.62 cycles/byte

SHA-512

5897.39 KB/s

163.43 cycles/byte

8238.67 KB/s

116.73 cycles/byte

5894.95 KB/s

163.57 cycles/byte

8227.76 KB/s

116.91 cycles/byte

AES-CBC-128

5419.23 KB/s

178.02 cycles/byte

6352.19 KB/s

151.85 cycles/byte

39786.80 KB/s

22.96 cycles/byte

41433.36 KB/s

22.04 cycles/byte

AES-CBC-192

5059.84 KB/s

190.79 cycles/byte

6064.90 KB/s

159.10 cycles/byte

36596.29 KB/s

25.08 cycles/byte

38127.75 KB/s

24.15 cycles/byte

AES-CBC-256

4745.47 KB/s

203.54 cycles/byte

5803.56 KB/s

166.32 cycles/byte

34012.50 KB/s

27.11 cycles/byte

35229.83 KB/s

26.17 cycles/byte

3.4 性能测试总结

  • 结论1：使用硬件加速器CAAM模块/DCP模块，相比 MbedTLS 纯软件实现，对于大部分算法性能都会有提升，但具体提升比例因算法本身复杂度而异。

  • 结论2：硬件加速器方式提升比例较大的是 3DES/DES（近10倍）、AES/ECDSA/ECDHE（近7倍）、RSA（3-5倍）、SHA-1/256（近2倍）。

  • 结论3：硬件加速器方式对于部分算法，测试数据长度越大（默认1KB buffer，比如调到10KB），性能提升更明显。

  • 结论4：编译器优化等级设置对 MbedTLS 纯软件和硬件加速器方式都有一定影响。

  • 结论5：CAAM模块比DCP模块在算法支持度上要高很多，但编解码速度性能上并没有显著提升。

　　至此，MbedTLS算法库纯软件实现与i.MXRT上DCP,CAAM硬件加速器实现性能差异痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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