痞子衡嵌入式：對比MbedTLS演算法庫純軟體實作與i.MXRT上DCP,CAAM硬體加速器實作性能差異

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子，今天痞子衡給大家介紹的是MbedTLS演算法庫純軟體實作與i.MXRT上DCP,CAAM硬體加速器實作性能差異，

　　近期有 i.MXRT 客戶在集成 OTA SBL 專案去實作產品的 2nd bootloader 時遇到了 MbedTLS 庫演算法性能問題，客戶想知道 MbedTLS 純軟體實作和使用 i.MXRT 芯片里的硬體加速器實作，在性能上差距有多大，借著客戶這個問題，我們今天就在 i.MXRT 上實測看一下兩個方式的性能差異，

　　客戶使用的是 i.MXRT1170，這個型號上的硬體加速器是 CAAM，相比前一代架構 i.MXRT10xx 系列上的 DCP 有升級，我們今天把 DCP 和 CAAM 同時測一下，

一、mbedtls演算法庫簡介

　　MbedTLS（前身 PolarSSL）是一個開源的 SSL/TLS 演算法庫，最早由 ARM 公司開源和維護，現在已經移交 TrustedFirmware 社區維護，MbedTLS 開源倉庫地址為：

• 專案地址：https://github.com/ARMmbed/mbedtls

　　MbedTLS 代碼由 C 語言寫成，其以最小的編碼占用空間實作了 SSL/TLS 功能及各種加密演算法，易于理解、使用、集成和擴展，方便開發人員輕松地在嵌入式產品中使用 SSL/TLS 功能，

　　MbedTLS 軟體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 協議實作
2. X.509 證書處理
3. 基于 TCP 的 TLS 傳輸加密
4. 基于 UDP 的 DTLS（Datagram TLS）傳輸加密
5. 其它加解密庫實作

二、i.MXRT上的硬體加速器簡介

2.1 i.MXRT10xx系列上的DCP

　　DCP 是 Data Co-Processor 的簡稱，從名字上看是個通用資料協處理器，在 i.MXRT1060 Security Reference Manual 中有一張系統整體安全架構簡圖，這個簡圖中標出了 DCP 模塊的主要功能：CRC-32演算法、AES演算法、Hash演算法、類DMA資料搬移，關于進一步用法，見痞子衡兩篇舊文 《i.MXRT10xx DCP使用時密鑰注意事項》、《i.MXRT10xx DCP使用時Cache注意事項》 ，

2.2 i.MXRT11xx系列上的CAAM

　　CAAM 是 Cryptographic Acceleration and Assurance Module 的簡稱，是個超全功能的安全演算法加速器，在 i.MXRT1170 Security Reference Manual 中有一張系統整體安全架構簡圖，這個簡圖中標出了 CAAM 模塊的主要功能，其在 DCP 已有功能上做了進一步擴展，豐富了演算法支持，

三、對比常見演算法的軟硬體實作性能差異

3.1 官方SDK例程簡介

　　想要在 MCU 上跑 MbedTLS 演算法，正常是需要先移植 MbedTLS 原始碼的，但是恩智浦 i.MXRT 官方 SDK 包里已經做好了移植，原始碼就放在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1xxx-EVK\middleware\mbedtls 下面，所以我們省去了移植步驟，注：在 SDK 2.11 版本里移植的是 MbedTLS 2.27.0，

　　此外官方 SDK 里還提供給了如下兩個關于 MbedTLS 的基礎例程，其中 mbedtls_selftest 是遍歷全部演算法，檢測演算法執行正確性；mbedtls_benchmark 則是提供全部演算法的實際運行性能資料（編解碼速率 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上實測

　　我們現在在 MIMXRT1060-EVK 板子上實測演算法性能，就用 mbedtls_benchmark 例程，選擇 debug build，即讓代碼跑在 TCM 里，這樣可以達到最好性能，不讓存盤器性能成瓶頸從而影響演算法性能資料，此外 i.MXRT1060 內核頻率也是配到了最高 600MHz，

　　mbedtls_benchmark 例程默認是啟用硬體加速器 DCP 來實作演算法的，因為我們要對比 MbedTLS 純軟體實作和 DCP 硬體實作性能差異，所以在測驗純軟體方式時需要在工程源檔案 MIMXRT1062_features.h 里將下面這個宏臨時設為 0，這時候工程可能會編譯不通過（代碼鏈在 128KB ITCM 里），因為純軟體方式代碼相比硬體驅動方式代碼要大得多，此時可以在 benchmark.c 或者 ksdk_mbedtls_config.h 注釋掉一些演算法執行來減少最終代碼體（保留你感興趣的演算法），

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

　　演算法性能資料跟 IDE 以及編譯優化選項也有關系，我們這里選擇了 IAR，優化選項分別測驗了 None 以及 High Speed，No Size constraints 兩種，因為演算法特別多，我們就摘比較常用的 SHA 和 AES，其對比結果如下：

3.3 在i.MXRT1170上實測

　　與上一節同樣的方法，在 MIMXRT1170-EVK 板子上也測一下，同樣 mbedtls_benchmark 例程 debug build，注意 i.MXRT1170 是雙核芯片，我們在 Cortex-M7 下做測驗，將內核頻率配到最高 996MHz，

　　測驗 i.MXRT1170 上純軟體方式時僅需要在工程選項預編譯宏里將 CRYPTO_USE_DRIVER_CAAM 去掉即可，當然也可以在 MIMXRT1176_cm7_features.h 里將下面這個宏臨時設為 0，這時候沒有代碼空間顧慮，i.MXRT1170 上默認 ITCM 是 256KB，最終測驗結果如下：

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

3.4 性能測驗總結

• 結論1：使用硬體加速器CAAM模塊/DCP模塊，相比 MbedTLS 純軟體實作，對于大部分演算法性能都會有提升，但具體提升比例因演算法本身復雜度而異，
• 結論2：硬體加速器方式提升比例較大的是 3DES/DES（近10倍）、AES/ECDSA/ECDHE（近7倍）、RSA（3-5倍）、SHA-1/256（近2倍），
• 結論3：硬體加速器方式對于部分演算法，測驗資料長度越大（默認1KB buffer，比如調到10KB），性能提升更明顯，
• 結論4：編譯器優化等級設定對 MbedTLS 純軟體和硬體加速器方式都有一定影響，
• 結論5：CAAM模塊比DCP模塊在演算法支持度上要高很多，但編解碼速度性能上并沒有顯著提升，

　　至此，MbedTLS演算法庫純軟體實作與i.MXRT上DCP,CAAM硬體加速器實作性能差異痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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