为什么在启用-O2或更高版本时此代码会中断？

Question

我试图在8位PIC单片机中安装NSA的SPECK。他们的编译器的免费版本（基于CLANG）将不会启用优化，因此我的内存不足。我尝试了“试用”版本，它可以启用-O2，-O3和-Os（针对大小进行优化）。使用-Os它设法使我的代码适合2K程序存储空间。

这是代码：

#include <stdint.h>
#include <string.h>

#define ROR(x, r) ((x >> r) | (x << (32 - r)))
#define ROL(x, r) ((x << r) | (x >> (32 - r)))
#define R(x, y, k) (x = ROR(x, 8), x += y, x ^= k, y = ROL(y, 3), y ^= x)
#define ROUNDS 27

void encrypt_block(uint32_t ct[2],
        uint32_t const pt[2],
        uint32_t const K[4]) {
    uint32_t x = pt[0], y = pt[1];
    uint32_t a = K[0], b = K[1], c = K[2], d = K[3];

    R(y, x, a);
    for (int i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
        R(b, a, i);
        R(y, x, a);
        R(c, a, i + 1);
        R(y, x, a);
        R(d, a, i + 2);
        R(y, x, a);
    }
    R(b, a, ROUNDS - 3);
    R(y, x, a);
    R(c, a, ROUNDS - 2);
    R(y, x, a);

    ct[0] = x;
    ct[1] = y;
}

不幸的是，在逐行调试时，将它与test vectors in the implementation guide（第32页，“15 SPECK64 / 128测试向量”）进行比较，结果与预期结果不同。

这是调用此函数的方法：

uint32_t out[2];
uint32_t in[] = { 0x7475432d, 0x3b726574 };
uint32_t key[] = { 0x3020100, 0xb0a0908, 0x13121110, 0x1b1a1918 };

encrypt_block(out, in, key);

assert(out[0] == 0x454e028b);
assert(out[1] == 0x8c6fa548);

根据指南，“out”的预期值应为0x454e028b, 0x8c6fa548。我得到的结果-O2是0x8FA3FED7 0x53D8CEA8。使用-O1，我得到0x454e028b, 0x8c6fa548，这是正确的结果。

步调试

实现指南包括所有中间密钥安排其他值，所以我逐行逐步完成代码，将结果与指南进行比较。

“x”的预期结果是：03020100，131d0309，bbd80d53，0d334df3。我开始步骤调试，但是当达到第4个结果0d334df3时，调试器窗口显示0d334df0。到下一轮，预期的7fa43565值是7FA43578，并且每次迭代都会变得更糟。

这仅在启用-O2或更高时发生。没有优化或使用-O1，代码按预期工作。

Answer 1

这是编译器中的一个错误。

我发布了问题in the manufacturer's forum。其他人确实复制了这个问题，这在编译某些部分时会发生。其他部分不受影响。

作为一种解决方法，我将宏更改为实际函数，并将操作拆分为两行：

uint32_t ROL(uint32_t x, uint8_t r) {
    uint32_t intermedio;
    intermedio = x << r;
    intermedio |= x >> (32 - r);
    return intermedio;
}

这给出了正确的结果。

Answer 2

发布可编译的测试代码作为参考。

#include <stdint.h>
#include <string.h>
//#include "speck.h"

#define ROR(x, r) ((x >> r) | (x << (32 - r)))
#define ROL(x, r) ((x << r) | (x >> (32 - r)))
#define R(x, y, k) (x = ROR(x, 8), x += y, x ^= k, y = ROL(y, 3), y ^= x)
#define ROUNDS 27

void encrypt_block(uint32_t ct[2], uint32_t const pt[2], uint32_t const K[4]) {
  uint32_t x = pt[0], y = pt[1];
  uint32_t a = K[0], b = K[1], c = K[2], d = K[3];

  R(y, x, a);
  // for (int i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
  for (uint32_t i = 0; i < ROUNDS - 3; i += 3) {
    R(b, a, i);
    R(y, x, a);
    R(c, a, i + 1);
    R(y, x, a);
    R(d, a, i + 2);
    R(y, x, a);
  }
  R(b, a, ROUNDS - 3);
  R(y, x, a);
  R(c, a, ROUNDS - 2);
  R(y, x, a);

  ct[0] = x;
  ct[1] = y;
}

int main(void) {
  uint32_t out[2];
  uint32_t in[] = {0x7475432d, 0x3b726574};
  uint32_t key[] = {0x03020100, 0x0b0a0908, 0x13121110, 0x1b1a1918};
  encrypt_block(out, in, key);

  printf("%8lx %8lx\n", (unsigned long) out[0], 0x454e028bLU);
  printf("%8lx %8lx\n", (unsigned long) out[1], 0x8c6fa548LU);
}

产量

454e028b 454e028b
8c6fa548 8c6fa548

意外的输出

0x8FA3FED7
0x53D8CEA8

Answer 3

我没有在代码中看到任何未定义行为的迹象，除非它在您未显示的设置/调用点的某些方面。因此，根据优化级别，行为应该是不可能的。通常情况下，我不会快速责怪编译器错误这样的东西，但FOSS编译器的嵌入式东西的叉子，特别是在编译器中将int重新定义为16位的叉子，而不是针对16位int，特别是专有的问题，他们的代码非常糟糕，甚至不想让你看到它，很可能是一个编译器错误。