对比MbedTLS算法库纯软件实现与i.MX RT上硬件加速器实现性能...

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对比MbedTLS算法库纯软件实现与i.MX RT上硬件加速器实现性能差异

近期有i.MX RT客户在集成OTASBL项目，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.MX RT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.MX RT上实测看一下两个方式的性能差异。


客户使用的是i.MX RT1170，这个型号上的硬件加速器是CAAM，相比前一代架构 i.MX RT10xx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 Trusted Firmware 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、TLSv1.0、TLSv1.1 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（DatagramTLS）传输加密
5、其它加解密库实现

二、i.MX RT上的硬件加速器简介
1, i.MX RT10xx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.MX RT1060 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.MX RT10xx DCP使用时密钥注意事项》、《i.MX RT10xx DCP使用时Cache注意事项》。

2, i.MX RT11xx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.MX RT1170 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
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.MX RT官方SDK包里已经做好了移植，源码就放在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVK\middleware\mbedtls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-EVK\boards\evkmimxrt1xxx\mbedtls_examples\mbedtls_selftest
\SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVK\boards\evkmimxrt1xxx\mbedtls_examples\mbedtls_benchmark


2，在i.MX RT1060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.MX RT1060 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，NoSize 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：

3，在i.MX RT1170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.MX RT1170 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.MX RT1170 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.MX RT1170 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)

四、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。


最后需要强调一点，这些测试数据仅作为参考，不代表硬件模块的真实能力，仅仅是基于当前软件环境的测试结果。

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