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...

　　大家好&＃xff0c;我是痞子衡&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;在性能上差距有多大。借着客户这个问题&＃xff0c;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&＃xff0c;这个型号上的硬件加速器是 CAAM&＃xff0c;相比前一代架构 i.MXRT10xx 系列上的 DCP 有升级&＃xff0c;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&＃xff0c;最早由 ARM 公司开源和维护&＃xff0c;现在已经移交 TrustedFirmware 社区维护。MbedTLS 开源仓库地址为&＃xff1a;

• 项目地址&＃xff1a;https://github.com/ARMmbed/mbedtls

　　MbedTLS 代码由 C 语言写成&＃xff0c;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&＃xff0c;易于理解、使用、集成和扩展&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;这个简图中标出了 DCP 模块的主要功能&＃xff1a;CRC-32算法、AES算法、Hash算法、类DMA数据搬移。关于进一步用法&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;这个简图中标出了 CAAM 模块的主要功能&＃xff0c;其在 DCP 已有功能上做了进一步扩展&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;源码就放在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVK\middleware\mbedtls 下面&＃xff0c;所以我们省去了移植步骤。注&＃xff1a;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&＃xff0c;其中 mbedtls_selftest 是遍历全部算法&＃xff0c;检测算法执行正确性&＃xff1b;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-EVK\boards\evkmimxrt1xxx\mbedtls_examples\mbedtls_selftest
\SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVK\boards\evkmimxrt1xxx\mbedtls_examples\mbedtls_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&＃xff0c;就用 mbedtls_benchmark 例程&＃xff0c;选择 debug build&＃xff0c;即让代码跑在 TCM 里&＃xff0c;这样可以达到最好性能&＃xff0c;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&＃xff0c;因为我们要对比 MbedTLS 纯软件实现和 DCP 硬件实现性能差异&＃xff0c;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&＃xff0c;这时候工程可能会编译不通过(代码链在 128KB ITCM 里)&＃xff0c;因为纯软件方式代码相比硬件驱动方式代码要大得多&＃xff0c;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)。

/* &＃64;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&＃xff0c;我们这里选择了 IAR&＃xff0c;优化选项分别测试了 None 以及 High Speed&＃xff0c;No Size constraints 两种&＃xff0c;因为算法特别多&＃xff0c;我们就摘比较常用的 SHA 和 AES&＃xff0c;其对比结果如下&＃xff1a;

3.3 在i.MXRT1170上实测

　　与上一节同样的方法&＃xff0c;在 MIMXRT1170-EVK 板子上也测一下&＃xff0c;同样 mbedtls_benchmark 例程 debug build&＃xff0c;注意 i.MXRT1170 是双核芯片&＃xff0c;我们在 Cortex-M7 下做测试&＃xff0c;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&＃xff0c;当然也可以在 MIMXRT1176_cm7_features.h 里将下面这个宏临时设为 0&＃xff0c;这时候没有代码空间顾虑&＃xff0c;i.MXRT1170 上默认 ITCM 是 256KB。最终测试结果如下&＃xff1a;

/* &＃64;brief CAAM availability on the SoC. */
#define FSL_FEATURE_SOC_CAAM_COUNT (0)

3.4 性能测试总结

• 结论1&＃xff1a;使用硬件加速器CAAM模块/DCP模块&＃xff0c;相比 MbedTLS 纯软件实现&＃xff0c;对于大部分算法性能都会有提升&＃xff0c;但具体提升比例因算法本身复杂度而异。
• 结论2&＃xff1a;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&＃xff1a;硬件加速器方式对于部分算法&＃xff0c;测试数据长度越大(默认1KB buffer&＃xff0c;比如调到10KB)&＃xff0c;性能提升更明显。
• 结论4&＃xff1a;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&＃xff1a;CAAM模块比DCP模块在算法支持度上要高很多&＃xff0c;但编解码速度性能上并没有显著提升。

　　至此&＃xff0c;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&＃xff0c;掌声在哪里~~~

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